淺埋大跨隧道平行下穿既有地下商業街施工技術研究

謝勇濤

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

淺埋大跨隧道平行下穿既有地下商業街施工技術研究

謝勇濤

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

新鄉市平原路隧道為雙向4車道，下穿既有建筑物610.55 m，與既有建筑物底板凈距僅2.0～4.5 m，屬淺埋大跨隧道下穿既有建筑物工程，施工難度非常大。根據工程類比，提出了分離式、雙連拱和雙孔矩形等隧道斷面形式，通過數值模擬分析既有建筑物受影響的規律，最終確定采用雙孔矩形隧道，CRD法施工，并提出了雙孔矩形隧道的優化方案：雙孔矩形隧道與地下商業街緊貼，充分利用商業街作用，施工中輔以適當范圍的超前注漿措施，但設計參數不宜過高，否則不但施工中難以實現，而且對提高加固控制變形的效果不明顯。研究成果可為其他類似工程設計提供一定的借鑒。

淺埋；大跨；隧道；既有建筑物；下穿施工；沉降控制

0 引言

隨著城市快速交通的發展和地下空間的開發應用，城市地下工程的網絡化建設成為一種趨勢。網絡化建設必然會引起新建結構與既有建筑物的交叉，新建隧道近距離或者零距離下穿既有建筑物的工程案例比比皆是。為了保證既有建筑物的結構和運營安全，施工過程中必須嚴格控制既有建筑物的沉降。

目前，城市隧道近距離下穿地下構建筑物一般為正交或大角度斜交，文獻［1-5］主要介紹了通過大管棚超前支護及抬升注漿等措施進行下穿工程的施工技術和沉降控制案例；文獻［6-7］主要介紹了地鐵零距離下穿既有建筑物，采用全斷面注漿、矩形隧道斷面、CRD法開挖并在側壁及中隔壁設置千斤頂的施工方案控制既有結構沉降；文獻［8-9］主要介紹了隧道下穿既有建筑物采用樁基托換及加固處理的方法來控制既有建筑物沉降。目前，城市隧道近距離下穿既有構建筑物采用超前管棚、頂進法及樁基托換等施工方案比較成熟，但國內對于零距離下穿既有建筑物的研究不多，尤其是長距離下穿工程。新鄉市新建平原路隧道工程下穿610.55 m的溫州地下商業街，受隧道兩端接線影響，下穿隧道的埋深只能與地下商業街近距離布置，如此高難度長距離的下穿工程，國內尚無先例，隧道施工時對溫州地下商業街的結構安全影響較大，為確保施工安全和溫州商業街的結構安全，降低工程風險，主要從下穿隧道斷面型式和施工工法方面入手，零距離下穿，以減少對溫州商業街的影響。

1 工程概況

根據新鄉市總體規劃和人防規劃的要求，新建新鄉市平原路隧道工程沿城市主干道平原路敷設，東起勞動街東側，西至西華大道與高村路交叉口東側，道路全長2 903 m，其中隧道共長2 782 m，位于地下2層，雙向4車道，設計時速40 km/h，并建設地下1層商業街1 km及相關設施。下穿溫州商業街隧道縱斷面為+0.3%、-0.3%的人字坡，新建隧道拱頂距既有商業街底板約2.5 m，商業街頂板距平原路路面1.6 m，隧道穿越地層主要為粉土夾粉質黏土，褐黃色，濕，中密-密實，搖震反應中等，無光澤反應，低干強度，低韌性，砂粒含量稍高，具銹染，局部夾薄層粉質黏土。平原路隧道工程需下穿既有溫州商業街、新鄉火車站站房及站場等設施，工程建設環境極其復雜［10］。

溫州地下商業街位于勞動街至勝利街段，為既有建筑物，該商場基礎為筏板基礎，主體主要采用鋼筋混凝土無梁樓板結構，東西總長610.55 m，南北總寬52 m，基礎埋深約-7.52 m，高5.75 m，底板厚50 cm，邊墻30 cm，頂板45 cm。平原路隧道位于地下2層，雙向4車道隧道下穿既有溫州商業街610.55 m，下穿隧道與溫州地下商業街的相對關系見圖1。

圖1 隧道與既有建筑的關系（單位：mm）Fig.1 Relationship between the tunnel and existing structure（mm）

2 隧道斷面形式優化

新鄉隧道下穿商業街工程，由于地下1層既有商業街的存在，且商業街610.5 m，平行下穿，施工難度很大，所以施工中要嚴格控制沉降量，保證商業街結構安全，同時又經濟合理地確保隧道的安全貫通。主要采用分離式、雙連拱和雙孔矩形等不同隧道斷面形式的隧道方案，模擬計算了不同情況下隧道施工的力學效應。分別就這3種工況進行對比分析，主要包括洞周、商業街基礎底板以及地表位移分布的演變規律；隧道初期支護的最大主應力和最小主應力的大小和分布；商業街結構的應力變化規律，通過對上述數據項的總結，結合經濟合理的因素，最終確定隧道下穿的最優斷面形式。

2.1 數值模擬

為了探尋不同施工步驟土體的位移規律，發現施工主要控制點，建立三維有限元模型能較好地模擬隧道開挖。分別對隧道斷面采取雙連拱隧道、雙洞分離式隧道和整體式雙孔矩形隧道斷面進行數值模擬比較分析，具體模型如圖2—4所示。

圖2 雙連拱隧道三維計算模型Fig.2 3D calculation model of double-arch tunnel

圖3 分離式隧道三維計算模型Fig.3 3D calculation model of separate twin tube tunnel

圖4 雙孔矩形隧道三維計算模型Fig.4 3D calculation model of twin-tube rectangular tunnel

考慮到隧道開挖對圍巖初始地應力的影響范圍，為減少其影響，模型計算范圍的左右邊界距隧道中心線距離約為5倍洞徑，指定y的正方向為開挖方向，豎直向上為z軸正向，隧道掘進橫斷面向右方向為x軸正向，隧道計算模型采用ansys建立，模型建好后導入FLAC3D進行計算。初期支護噴射C25混凝土，厚度為30 cm，開挖工法采用CRD法，先開挖左側隧道，右側隧道開挖晚于左側12 m，超前管棚采用外徑159 mm，厚15mm，施作管棚工作室，一次性打設120m，管棚內加設鋼筋籠并注水泥雙液漿，整個加固圈厚度為3 m，整個計算模型在x，y，z 3個方向上的尺寸為130 m×50 m×60 m，除地表為自由邊界外，其他模型邊界均施加法向約束，另外在地表x＝-13 m和x＝13 m范圍內施加豎直向下、大小為-20 kPa的車輛荷載，具體參數見表1和表2。

表1 計算輸入支護參數Table 1 Support parameters input for calculation

表2 計算輸入土層參數Table 2 Strata parameters input for calculation

2.2 計算結果分析

計算過程中對既有結構采用大管棚超前支護和無超前支護2種工況進行計算。施工過程中既有結構沉降、地表沉降、隧道沉降及應力分析等計算結果如表3和表4所示。

隧道的超前加固范圍主要是拱部180°及商業街底板與隧道頂之間的土柱，它是影響結構變形大小的最重要因素，也對商業街底板沉降和隧道拱頂沉降等位移值有著明顯的作用。同時從對比數據中可以看出，超前支護加固土層的方法，比較適用于分離式和雙孔矩形隧道，尤其是分離式隧道，加固效果較好，可相對有效地控制和降低變形量的發生；而超前加固土層對于雙連拱隧道來說，效果不理想，既有商業街結構底板與隧道頂間的土柱超前加固前、后其結構的變形量相差不大，并且超前加固措施會增加人力物力和財力的投入，從這個角度來看，下穿隧道在雙連拱斷面形式下進行超前支護的加固措施是值得商榷的。

在三者均能滿足變形要求的情況下，CRD法施工簡單，理論成熟，而雙連拱隧道施工斷面大，工序多而復雜，相關控制標準多，控制難度大，對地表的影響范圍廣，地層擾動性大，對工程的投資和對工期的控制十分不利。從這些方面來看，雙連拱斷面劣勢明顯，故可放棄該方案。

對于在超前支護下施工的分離式斷面和雙孔矩形斷面的比較，主要從隧道開挖所產生的商業街結構應力和隧道初支應力的角度加以篩選，由表4可以看出，在最大主應力和最小主應力上，雙孔矩形隧道均小于分離式隧道，且均在結構承受的范圍之內，低于混凝土的抗壓強度值，可有效防止大應力的產生，確保商業街結構不被破壞和隧道初期支護正常的發揮應有的作用。雙孔矩形斷面相對于分離式斷面來說，開挖面積和地層擾動范圍更小，施工簡單，更有利于控制工程投資和減小地層的位移，性價比更高。

表3 施工沉降表Table 3 Displacement table mm

表4 應力匯總表Table 4 Stress summary table MPa

綜上所述，經過數值計算及工程實踐對比，得出如下結論：

1）3種方案均能滿足地表沉降及既有商業街結構安全，滿足監控標準；

2）商業街底板與隧道頂間的凈土柱地層對結構的變形影響最大；

3）最終比選出的施工方案是采用雙孔矩形緊貼商業街底板，CRD法施工，并在隧道拱腰以上周圍3 m的部位施作超前支護用來加固原地層。

3 雙孔矩形隧道施工優化

雖然雙孔矩形隧道方案較優，能有效控制地表及既有結構沉降，保證既有結構的安全，但地表下沉和結構的變形量仍相對比較大。就目前來說，國內對隧道下穿工程引起的沉降控制標準尚未統一，大多數工程是根據類似工程的施工經驗和相關專家的意見，將地表沉降量的標準定為不大于30 mm。在此標準下，雙孔矩形隧道施工方案地表沉降量已達到了27.2 mm，十分接近30 mm的上限值，這就對建筑物的安全產生了巨大的隱患。因此有必要在雙孔矩形施工方案的基礎上，討論是否有優化的可能性，以達到降低沉降、控制變形的目的。

3.1 方案優化比選

矩形隧道施工方案中，隧道拱頂距地下商業街底板之間約2 m土柱，施工過程中該段覆土層中部分區域已達到塑性破壞的狀態，力學性能變差，易發生大的變形，故在優化方案中，考慮“去掉”這部分覆土柱，即不再進行大管棚的超前加固，直接將雙孔矩形隧道拱頂緊貼商業街底板。

另外，在雙孔矩形隧道方案中，中間土柱采取超前加固措施，按加固后土層彈性模量提高為原土層的2.7，3，3.5倍，即彈性模量為73，81，94.5 MPa 3種不同加固參數方案。在上述4種工況下，分析隧道開挖后所引起的拱頂沉降、結構底板沉降和地表沉降量的大小，以評判優化方案及提高土層加固參數的合理性。

3.2 計算模型

為了達到對比的效果，計算參數、開挖歩序、加載大小和監測點布置均不變，故不再贅述。優化方案中，地下商業街底板與矩形隧道拱頂結構間采用接觸面連接，優化方案的三維計算模型如圖5所示。

圖5 優化方案三維計算模型Fig.5 3D calculation model of optimized proposal

3.3 計算結果分析

3.3.1 拱頂沉降分析

拱頂最終沉降量如表5所示。

表5 拱頂最終沉降量對比表Table 5 Comparison of final crown settlement mm

由表5看出，不同的加固參數下，隧道拱頂變形規律基本保持一致，并且隨著加固參數的提高，拱頂沉降量逐漸減小，但變形量僅有2～4 mm的降低，加固參數的提高對于拱頂沉降減小作用不明顯。采用超前加固處理后的隧道整體變形遠大于優化方案下的隧道變形。3.3.2 商業街底板沉降分析

底板沉降量對比如表6和圖6所示。

表6 底板最終沉降量對比表Table 6 Comparison of final floor settlement mm

圖6 地表沉降對比曲線Fig.6 Curves of ground surface settlement

由表6看出：

1）優化方案下的商業街底板沉降量有顯著的降低，僅為加固方案沉降量的28%～31%。3種加固參數下，隨著加固參數不斷的提高，結構底板變形量逐漸會有小幅度的降低，但三者差距很小，加固方案3相比加固方案1僅減小9%。

2）商業街底板的整體變形均是比較平緩，沒有出現較大的不均勻沉降。但優化方案沉降曲線更為平緩，有利于發揮結構底板整體的剛度，避免產生大的不均勻沉降，避免出現開裂狀態，對商業街的正常運行提供了保證。

3.3.3 地表沉降分析

對于城市隧道工程來說，地表沉降量是一項重要的監測項目，隧道處于市中心，路面交通繁忙，車輛建筑物眾多，地表環境極其復雜，因此，其量值的大小對整個工程的成功與否起著關鍵的作用，而施工中應嚴格控制地表沉降，盡量減小對地表既有建筑物的擾動，確保隧道順利貫通。

通過對圖6分析發現，就對地表的影響范圍來說，優化方案和3種不同參數加固土柱方案相差不大，隧道軸線40 m以外的范圍幾乎沒有沉降的發生，但優化方案的地表沉降量較超前加固方案大幅降低，同時優化后各點的沉降值差距不大，沉降槽更為平緩，寬度范圍也變小，降低了因不均勻沉降而導致的地表建筑物出現裂縫直至破壞的風險，避免了路面結構被剪裂等危害的發生，不但有利于保證地上交通的順暢，更重要的是確保了既有建筑物的結構安全。

3.4 小結

1）通過對不同施工方案和不同加固參數下的隧道拱頂沉降、商業街底板沉降和地表沉降的對比分析，無論是從控制隧道變形還是從減小對既有地下商業街和地表建筑物影響的角度來看，優化后的方案都遠遠優于超前加固方案，不但大幅度降低了因開挖引起的結構物的變形量，避免了不均勻沉降的發生，而且值得注意的是，在優化方案下，無需超前支護等加固措施，節約了工程成本，縮短了施工工期，降低了施工難度。

2）適當提高土層強度，可相對有效地控制隧道變形，降低結構因沉降而引起開裂的可能性，在一定程度上增加了隧道和既有結構的安全性，但當強度提高到一定范圍時，隧道和結構等的變形量降低很緩慢，整體上看差距幾乎可以忽略不計。并且過大的提高計算時的加固參數，其土層預計的強度在實際施工中也是很難達到的。所以，就本工程來講，為良好地控制變形，僅依靠超前加固措施提高土層強度，是不可行的。

3）隧道與地下商業街緊貼施工，隧道拱頂上方是商業街混凝土底板，力學性能好，彈性模量高，隧道是在上部有混凝土底板的情況下開挖；隧道與商業街留有2 m的土柱時，隧道是在上部存有覆土的情況下開挖，土層土質軟，力學性能差，彈性模量低，即使在施作大管棚超前支護的情況下，雖然會提高土層性能，但是由于注漿的局限性，無法達到完全密實的注漿效果，該區域內土體很難連接成一個整體，因此注漿后土層的力學性能較混凝土底板來說仍有較大差距；當初始地應力平衡后，由于隧道開挖，地應力發生變化，在變化過程中，相同的受力狀態下，彈性模量高的會比彈性模量低的應變小，混凝土底板的變形量肯定會明顯小于質地較軟的中間覆土層。

4 結論與建議

結合新鄉市平原路隧道下穿地下1層610.55 m既有商業街這一工程實例，通過數值計算及相關類似工程調研，得到了合理的施工方案，充分保證了既有結構的安全，研究得到以下結論：

1）新鄉市平原路隧道大距離、大跨度下穿610.55 m既有商業街工程，國內尚屬首例，研究的必要性至關重要。

2）根據本工程案例的實際情況，對比分離式隧道、雙連拱隧道和雙孔矩形隧道3種施工方案，雙孔矩形斷面相對于分離式斷面和雙連拱斷面，開挖面積和地層擾動范圍更小，施工簡單，更有利于控制工程投資和減小地層的位移，最終確定施工方案是采用雙孔矩形橫斷面，CRD法施工，并在隧道拱腰以上周圍3 m的部位，施作超前支護用來加固原地層。

3）針對雙孔矩形隧道施工方案施工變形量與控制標準上限較為接近、工程安全系數低等問題，提出優化方案，優化內容包括：①將雙孔矩形隧道與地下商業街緊貼，充分利用商業街作用，控制沉降量，減小對地表的擾動性，提高建筑物的安全度；②施工中應注重加固參數的選取，在適當的范圍內對相應土層進行加固，當設計參數達到原有土層強度的3～4倍時，不但施工中難以實現，而且加固控制變形的效果不再明顯。

4）本工程零距離平行下穿既有建筑物（610.55 m）尚處于研究階段，后續還需通過工程實踐加以驗證。

5）通過本工程的實踐，也為其他類似工程設計提供了一定的借鑒，在中、細砂不良軟弱地層，沉降控制嚴格的工程，必須采取多方案數值模擬與實踐相結合，主動采取相應的措施來保證工程安全、順利完成。

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Study on Construction Technologies for Shallow-covered Large-span Tunnel Running Underneath along Existing Underground Commercial Street

XIE Yongtao

（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China）

Pingyuanlu tunnel in Xinxiang is a four-lane shallow-covered tunnel running underneath along existing underground commercial street for 610.55 m.The clearance between the tunnel and the floor slab of the existing structure ranges from 2.0 m to 4.5 m.Three proposals，i.e.，separate twin tube tunnel，double-arched tunnel and double-span rectangular tunnel，are proposed for the project.The influence of the tunneling on the existing structure is analyzed by means of numerical simulations and it is determined that the proposal of double-span rectangular tunnel should be adopted.The double-span rectangular tunnel is to be constructed by CRD method and the proposal is optimized in the following aspects：the double-span rectangular tunnel clings to the existing structure so as tomake full use of the existing structure；advance grouting in appropriate range shall be made during tunneling；the design parameters should not be too high，otherwise they cannot be realized during tunneling，and they are not so efficient in controlling the deformation.The study result can provide reference for the design of other similar works in the future.

shallow cover；large span；tunnel；existing building；underneath crossing；settlement control

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.008

U 455

A

1672-741X（2015）03-0238-06

2014-11-10；

2014-12-31

謝勇濤（1974—），男，湖南武岡人，1996年畢業于西南交通大學，隧道與地下工程專業，碩士，高級工程師，現主要從事隧道設計工作。