上穿既有隧道大直徑管棚支護效果研究

何繼華，姜 瀟，張 宇，宋卓華，陶連金，呂金彪

（1.中鐵二十三局集團第六工程有限公司，重慶 401121；2.北京工業大學，北京 100124；3.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100045）

1 研究背景

城市地鐵的大規模密集建設，勢必會導致地鐵線路出現交叉，而穿越既有線路常出現近距離交叉施工的情況[1]。

在近距離上穿既有隧道的情況下，控制對下方既有結構的影響，防止既有結構過大隆起，是穿越工程中的重中之重。其中，采用管棚支護減小地下工程施工對既有隧道的影響，是較常用的施工方法。

針對上穿工程，朱衛平等[2]運用彈性地基理論以及Peck公式，建立了盾構疊交隧道地層移動的數學模型。賀美德等[3]通過分析人行通道上穿地鐵盾構隧道工程的實測數據，得出了覆跨比與夾土層厚度對變形的影響。張孟喜等[4]依托佛莞城際中盾構隧道上穿廣州地鐵7號線工程，通過現場監測與有限元方法分析了既有隧道的變形問題。張強[5]通過理論解析和數值方法，對城市中各種類型的上跨既有地鐵隧道的開挖卸荷工程引起既有隧道豎向變形進行了分析，并在某工程中進行了驗證。Yazdchi等[6]基于倫敦某工程，在不同的條件下計算了隧道立體交叉所引起的地面沉降位移，以及對附近結構位移的影響。

針對管棚支護，劉悅[7]將實測數據和有限元方法模擬相結合，分析了下穿既有線工程中采用大直徑管棚支護的效果，研究了管棚合理參數。伍振志等[8]對管棚注漿在松軟地層中的淺埋隧道工程的加固機理進行了研究，分析了管棚注漿的工程效果。王海濤[9]分別推導了深、淺埋隧道管棚受力荷載的計算公式，并基于Pasternak彈性地基梁理論，建立了管棚的力學分析模型。陳崢等[10]通過引入合理拱軸線，并考慮側向土壓力的影響，結合管棚間土拱破壞條件，給出了管棚合理間距的計算方法，并驗證了計算方法的合理性。

通過對上述既有研究的分析可以看出，針對交叉穿越既有隧道過程中的力學分析已有較多研究，在下穿既有隧道工程中采用管棚工法控制既有線變形的工程也有較多案例。但是，在上穿既有隧道工程中采用大直徑管棚控制既有結構隆起的相關案例十分少見，針對上穿工程中管棚控制既有線隆起的作用效果或作用機理的研究更為罕見。

本研究以北京地鐵大興機場線暗挖上穿既有盾構隧道的工程實例為背景，利用數值模擬與現場實測相結合的方法，研究在上穿工程中采用大直徑管棚的效果和作用機理。

2 工程依托

2.1 實際工程概況

北京地鐵大興機場線是為配合北京大興機場工程而建設的地鐵線路，全長41.36 km。其中，磁各莊站—草橋站區間位于馬草河東側、鎮國寺北街南側的地塊內，全長264.351 m。該段上跨既有10號線盾構區間，上跨段暗挖施工長60 m，暗挖區間斷面為微拱直墻斷面。施工采用洞樁法，最大開挖寬度14.8 m，最大開挖高度9.3 m，拱頂覆土約4 m，結構底距10號線隧道頂最小凈距約0.85 m。

2.2 水文地質概況

施工范圍內的地質情況如下：地面以下0.5～3.6 m為填土層，3.6～5.4 m為粉細砂層，5.4～16.1 m為砂卵石層。新建工程主要位于粉細砂地層中，既有線完全位于砂卵石地層。地下水主要為潛水，穩定水位深度24.8～25.9 m，主要接受側向徑流補給，以側向徑流和向下越流為主要排泄方式。

2.3 管棚布置形式

新機場線隧道超近距離上跨10號線既有結構，因此在大興機場線暗挖區間上跨段施工中，隧道底部布置了大直徑超前管棚，以控制既有隧道的隆起，如圖1所示。

圖1 相對位置(縱剖面)Figure 1 Schematic of relative position (longitudinal section)

管棚位于新機場線下方，10號線在既有盾構區間上方，具體位置見圖2。管棚鋼管外徑402 mm，管厚16 mm，總長38.5 m。管棚鋼管打入地層后，在鋼管內填充水泥砂漿，以提高鋼管的整體性與整體剛度。

圖2 采用大直徑管棚控制既有隧道隆起Figure 2 Control of existing tunnel uplift with large-diameter pipe shed

工程采用洞樁法進行施工，主要施工步序如下：

1) 深孔注漿加固上導洞拱部地層。從兩豎井同時開挖①④導洞。

2) ①④導洞進洞10 m后施工②導洞，②導洞進洞10 m后施工③導洞。①④導洞通后施作人工挖孔樁與樁頂冠梁。

3) ②③洞通后施作導洞內二襯，每10 m一段跳倉施工，保留格柵主筋及型鋼支撐。

4) 二襯扣拱完成達到設計強度后，拆導洞中隔壁。二襯扣拱中豎井開挖到位，打設下部管棚。

5) 開挖下部土體。

3 工程實測

3.1 實際測點布置

通過對大興機場線暗挖上穿 10號線盾構區間施工過程的動態監測，收集了關于機場線上跨段地表沉降和機場線附近51 m范圍內的既有10號線結構沉降的數據。既有線豎向變形監測點布設位置如圖3所示。

圖3所示的隧道結構沉降監測點布設于區間結構側墻上，測點標志采用直徑8 mm的膨脹螺栓，按預定位置鉆孔埋入。使用Trimble DINI03電子水準儀監測，1 km往返測中差0.3 mm，采用幾何水準測量方法測量。

3.2 實測結果分析

以圖3中南北線兩個D點的既有結構豎向位移為代表，分析兩既有隧道豎向位移的變化趨勢。提取既有盾構隧道南線和北線監測點D隨著開挖發生的豎向位移值，繪制點線如圖4所示。

圖3 測點布置Figure 3 Layout of measurement points

圖4 施工過程中既有線豎向位移Figure 4 Vertical displacement of existing line during construction

從圖4中可以看出：在第170天前后，隧道豎向變形數據都出現了較為明顯的沉降。究其原因，是這期間施工既有線上部管棚，位置貼近既有線上方(＜0.5 m)，打設管棚對周圍土體產生了一定的擠壓作用。在第190天之后，進入下部土體開挖階段。從圖4中看出此時是既有結構發生隆起的階段。這主要是由于既有線周圍土體卸載，下部土體發生回彈變形。因為開挖掌子面穿過南北線隧道的時間不同，開挖首先經過南線隧道，所以北線隧道的變化也就略微滯后。在第250天之后，隧道穿越既有線的施工基本完成，從圖4中也可以看出既有線豎向變形已經基本穩定。

既有線南北線的最終變形曲線如圖5所示，新建結構中心線上的監測點(D點)橫坐標位置定為0。

圖5 施工完成后既有線變形曲線Figure 5 Deformation curve of existing line after construction

從圖5中可以看出：由于由南向北施工中先穿越南線，所以北線上各點最終變形量(隆起)均小于南線；最終隆起的變形集中在開挖區(+7～-7 m)，以及開挖區外0.5倍開挖區寬度(-7～-15 m)，即變形集中在以開挖區中線為中心的2倍開挖區寬度內；最終既有隧道隆起變形小于2 mm，實際控制效果良好。

4 數值模擬

在數值模擬階段，首先仿照實際地層和工程情況建立三維計算模型，按照實際施工過程分7個施工步驟和2種工況(有無管棚)進行模擬，采用有限差分方法計算；最后提取計算結果數據，并進行了整理與分析。

4.1 數值模型建立

整體模型尺寸為60 m×60 m×45.8 m，隧道襯砌與管棚均采用實體單元進行建模，樁、錨等采用結構單元建模，土體采用六面體單元建模。模型上邊界自由，四周邊界限制了雙向水平位移，底部限制三向位移。計算模型網格及尺寸如圖6所示。

圖6 模型示意Figure 6 Model diagram

根據實際地質情況數據，在模型中將場地分為 3層，從上到下依次為人工填土、粉細砂和砂卵石。土體在同一層內均勻連續。由于實際水文地質情況中水位較深，因此模型中不考慮地下水的影響。土體采用摩爾-庫倫破壞準則下的理想彈塑性模型。

模型中采用的材料參數見表1，采用的地層參數見表2。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

表2 地層參數Table 2 Formation parameters

按照上述參數，并參考前述的實際施工過程，分7個施工步驟和2種工況(有無管棚)進行模擬，采用有限差分方法計算。計算結果按照與實測數據相同的測點進行位移數據提取。

4.2 既有結構位移

與實測數據采用相同的處理方法，在數值模擬結果中分析D點(見圖3)位置的既有結構豎向位移。提取既有盾構隧道南線和北線監測點 D隨著開挖進行而發生的豎向位移，與實測值進行對比，繪制點線如圖7、8所示。

圖7 既有線南線豎向位移變化Figure 7 Vertical displacement change in existing south line

圖8 既有線北線豎向位移變化Figure 8 Vertical displacement change in existing north line

通過對實測數據和模擬數據的對比，可以看出數值模擬的結果與實測數據基本吻合，驗證了數值模型的有效性。

4.3 管棚作用效果

通過在數值模型中取消新建結構底部的抗隆起管棚的作用，控制其他條件與有管棚計算工況相同(施工步序、結構參數、地層參數等)，建立了無管棚作用下的施工模型并進行計算，再將其結果與有管棚的工況進行對比分析。

分別提取兩種工況下既有線上的監測點 D(見圖3)在模型中不同施工步驟作用下發生的豎向位移值，將其繪制成豎向位移變化折線圖，如圖9、10所示。

圖9 既有線南線豎向位移Figure 9 Vertical displacement of existing south line

可以得出以下結果：在兩種工況下，隆起都主要發生在土體開挖階段，沉降都主要發生在打設管棚階段，這與實測的結論一致；相比無管棚工況，在新建結構底部采取打設管棚的施工方式，可以減少既有線1.5～2 mm最終隆起值；在打設管棚的階段(130～180 d)，相比無管棚工況，有管棚工況多發生0.5 mm左右的沉降。

圖10 既有線北線豎向位移Figure 10 Vertical displacement of existing north line

5 結語

為了研究大直徑管棚對上穿工程中既有線隆起變形的控制效果，以北京大興機場線暗挖上穿既有 10號線盾構區間工程為例，進行了數值模擬分析和現場實測分析，并得到以下結論：

1) 基于實際工程建立數值模型，并通過與實測數據的對比，得出數值模擬的結果與現場實測的結果基本吻合，驗證了本研究采用的數值模型的正確性。

2) 既有線的隆起主要發生在土體開挖階段，而既有線的沉降主要發生在打設管棚階段。

3) 最終既有盾構隧道隆起變形，集中在以開挖區中線為中心的2倍開挖區寬度內；最終既有隧道隆起變形小于2 mm，實際控制效果良好。

4) 在打設管棚的階段，有管棚工況比無管棚工況多發生了0.5 mm左右的沉降；而相比無管棚工況，管棚可以減少既有隧道1.5～2 mm最終隆起值。這證明，通過采用管棚工法，可以有效控制既有結構的隆起變形。