高速鐵路淺埋暗挖隧道近距離上穿既有地鐵隧道風(fēng)險控制研究

杜貴新 蒲 松 葉來賓 陳 爽

(1.中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800； 2.西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 概述

隨著城市地下空間利用的進一步提高，隧道近距離施工越來越多，如上跨(下穿)既有隧道、左右并行等。其中，新建上跨隧道近距離施工可能對下臥隧道造成破壞，影響其運營安全[1]。

近年來，許多學(xué)者對隧道近接施工進行相關(guān)研究，陳志海應(yīng)用FLAC3D三維數(shù)值軟件模擬土壓盾構(gòu)以25°角下穿間距5.5 m的既有隧道，獲得土壓盾構(gòu)快速掘進施工參數(shù)[2]；韓高升在新苔井山隧道平行近接施工中，證明采用3 cm/s的爆破振動控制標(biāo)準(zhǔn)安全可行[3]；諸軍通過注漿加固地層、加強錨桿支護參數(shù)、接近施工處加強對既有隧道和新建隧道監(jiān)控測量等優(yōu)化施工方案，保證新建隧道安全下穿既有隧道[4]；沈剛應(yīng)用MIDAS模擬新建盾構(gòu)隧道垂直下穿既有隧道，并研究兩隧道相互影響機理[5]；郭建寧等基于寧波地鐵斜下穿運營公路隧道，應(yīng)用數(shù)值分析方法研究新建隧道對既有公路隧道的影響[6]；梁建波通過有限元模擬廣州新建盾構(gòu)隧道下穿既有隧道，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果分析，總結(jié)既有隧道沉降影響[7]；GHABOUSSI等研究紐約布魯克林區(qū)污水隧道近距離垂直上穿運營地鐵隧道工程，發(fā)現(xiàn)下臥隧道在上方隧道施工影響區(qū)內(nèi)管片在豎向上呈現(xiàn)“拉長”現(xiàn)象[8]；王劍晨等發(fā)現(xiàn)，可以采用Peck 高斯公式擬合下臥隧道上浮變形[9]；劉亮等采用MIDAS模擬某軟土地區(qū)三層交疊的地鐵區(qū)間，并結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)上方隧道施工會引起下方既有隧道上浮，其上浮量與交疊隧道的凈距有關(guān)[10]；張曉清采用預(yù)制乳膠膜袋放水的類比試驗法模擬盾構(gòu)掘進過程中的地層損失和卸荷作用，對比后發(fā)現(xiàn)先施工下洞后施工上洞時，對下洞的影響較小[11]；丁智等利用有限元軟件模擬新建盾構(gòu)隧道對既有地鐵線的影響，總結(jié)既有地鐵結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力變化規(guī)律[12]。

不難看出，以往研究多基于新建隧道下穿或平行接近既有線，在新建隧道近距離上穿既有隧道施工措施方面的研究還較少，以新建清華園暗挖隧道一期工程為研究背景，對淺埋暗挖隧道近距離上穿既有隧道風(fēng)險控制進行深入研究。

2 工程背景

2.1 新建隧道工程概況

新建京張高鐵清華園隧道全長6 020 m，隧道起始里程為DK13+400，終止里程為DK19+420，埋深為4.99～5.39 m。采用礦山法開挖，馬蹄形斷面，總開挖寬14.188 m，總開挖深11.216 m，開挖面積約110 m2，隧道在清華路段近距離上穿地鐵15號線，且整個隧道走向與地鐵13號線一致。

2.2 工程地質(zhì)概況

區(qū)間隧道穿越地層依次為：雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石、粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中，新建隧道洞身和洞頂土層主要為粉質(zhì)黏土層，洞身范圍內(nèi)主要為上層滯水，水量較少，水位埋深為38.45～44.95 m，存在于粉土、粉質(zhì)黏土孔隙中。

表1 土層參數(shù)

2.3 15號線折返區(qū)間及13號線工程概況

京張高鐵清華園隧道DK18+509～DK18+570暗挖段上穿地鐵15號線清華東路西口站折返區(qū)間(K4+400～K4+415)。新建隧道近似垂直于地鐵15號線，平面交角為88.8°，隧道底部與15號線結(jié)構(gòu)頂部最小凈距離為0.8 m，見圖1。

圖1 清華園隧道與既有地鐵15號線相對關(guān)系(單位：m)

京張高鐵清華園隧道DK18+506～DK18+570暗挖段鄰近地鐵13號線五道口地鐵站—上地區(qū)間(K6+822～K6+872)。該區(qū)間范圍內(nèi)地鐵13號線為橋梁段，其基礎(chǔ)為φ1.0 m的鉆孔灌注樁，承臺上為混凝土方形雙柱墩，13號線橋樁距隧道結(jié)構(gòu)外緣約13.8 m。

根據(jù)DB11/1067—2014《城市軌道交通土建工程設(shè)計安全風(fēng)險評估規(guī)范》和仇文革的研究，清華園暗挖隧道與地鐵13號線的風(fēng)險等級為三級；與地鐵15號線的施工風(fēng)險等級為特級[13]。故以下主要分析新建清華園暗挖隧道施工對上跨已有地鐵線路15號線產(chǎn)生的主要風(fēng)險并提出相應(yīng)的解決措施。

3 風(fēng)險分析

在該暗挖段中，地鐵15號線的建設(shè)對地層進行首次擾動，原本在初始應(yīng)力狀態(tài)下平衡的地層發(fā)生應(yīng)力重分布；支護結(jié)構(gòu)形成增加了圍巖徑向壓力，圍巖再次受擾動，地層發(fā)生第三次應(yīng)力重分布。新建清華園隧道的施工再次打破地層的平衡狀態(tài)，從開挖再到支護結(jié)構(gòu)的施加，地層再次發(fā)生2次應(yīng)力重分布，最終圍巖經(jīng)歷了5次應(yīng)力重分布。應(yīng)力重分布將徹底改變地層最初的應(yīng)力分布狀態(tài)。在地層應(yīng)力不斷轉(zhuǎn)化、演變的復(fù)雜地層環(huán)境下，新建上跨地鐵隧道在保證安全施工的同時，還要最大限度減小對既有線的影響，這將會是一個極其復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)。

與此同時，本段穿越粉質(zhì)黏土層，該土層在遇水或失水情況下將產(chǎn)生嚴(yán)重的土層變形；另外，暗挖段下穿清華東路段，車流量較大，重載車輛較多，地層極易產(chǎn)生大量的不均勻沉降；另兩垂直隧道之間的夾土層厚度僅有0.8 m，施工過程中很有可能造成夾土層破壞，并對下臥隧道造成損害，土體的壓重釋放也會使下方土體回彈，使下臥隧道發(fā)生不均勻的豎向變形。這都將加大工程施工難度。

4 控制措施

為確保15號線正常運營，必須最大限度降低隧道施工對下臥隧道的影響，減少結(jié)構(gòu)變形。先根據(jù)工程類比的經(jīng)驗分析法及現(xiàn)場實地勘測分析，得出一系列風(fēng)險控制措施；再通過現(xiàn)場自動化監(jiān)測及時反饋信息來指導(dǎo)下一步施工。

4.1 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法開挖

為最大限度減小施工對既有隧道的影響以及地表沉降，本次開挖工法選擇雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，左右側(cè)導(dǎo)洞分兩步開挖，中間分三步開挖。初期支護采用“噴射混凝土+I22a+鋼筋網(wǎng)”的形式，二襯為素混凝土。襯砌形式采用整體受力較好的曲墻帶仰拱式。為使初支發(fā)揮更好的支護效果，在施工過程中，通過設(shè)置臨時仰拱和中隔壁來及時閉合斷面，增加結(jié)構(gòu)剛度，從而減少地面沉降。在施工中嚴(yán)格采用標(biāo)準(zhǔn)化施工，防止事故發(fā)生。

本次工法開挖步序為：先采用預(yù)留核心土的上下臺階法開挖寬8 m，高7.63 m的右側(cè)導(dǎo)洞，預(yù)留臺階長小于5 m；待右側(cè)導(dǎo)洞進行15 m后，以同樣方法開挖左側(cè)導(dǎo)洞；開挖15 m后，開挖正洞上臺階右側(cè)部分，待正洞上臺階右側(cè)部分進行15 m后，開挖正洞上臺階左側(cè)部分，每次循環(huán)開挖0.6 m；再開挖正洞中臺階，一次開挖，最后開挖正洞下臺階。

4.2 預(yù)應(yīng)力錨索集中加固鄰近土層

上部土體的開挖會對下方既有隧道起到卸荷作用，下臥隧道會發(fā)生一定上浮變形，其大小與兩隧道間的夾土層厚度、新建隧道開挖方法等有關(guān)。其中，夾土層厚度越小，下臥隧道整體上浮值越大[14]。本工程兩隧道最近處夾土層厚度僅0.8 m(這是夾土層厚度相對很小的案例)，為確保下臥隧道的正常運營，必須采取相應(yīng)措施。

經(jīng)綜合分析，制定上穿15號線地段處集中施加預(yù)應(yīng)力錨索方案。在DK18+528.5、DK18+529.5、DK18+530.5、DK18+548、DK18+549、DK18+550處，垂直向下各設(shè)置6道預(yù)應(yīng)力錨索(一側(cè)擴大基礎(chǔ)腳趾上設(shè)置3道，兩側(cè)共設(shè)置6道)，即新建隧道通過前后段各設(shè)置18道預(yù)應(yīng)力錨索，共采用36道預(yù)應(yīng)力錨索。預(yù)應(yīng)力錨索采用鋼絞線，長25 m，錨固段長14 m，設(shè)計拉力為600 kN(見圖2)。

圖2 錨索布設(shè)示意(單位：cm)

4.3 超前注漿加固地層

(1)表層注漿加固

本暗挖段路面荷載偏大，且區(qū)間穿越地層主要以遇水及失水情況下易產(chǎn)生濕陷下沉現(xiàn)象的粉質(zhì)黏土層為主，土質(zhì)較差，上跨既有隧道施工不僅會對下臥隧道造成影響，也會對上表地層造成影響，為防止上表地面出現(xiàn)大幅度不均勻沉降，就需采取一定加固措施。針對本項工程，采用φ50 mm導(dǎo)管進行超前注漿。

新建隧道拱頂土層注漿加固是工程的重難點，由于本暗挖段有很多重要管線，如污水管、燃?xì)夤堋㈦娋€管等，在注漿前，需先采用地質(zhì)雷達掃描，確定管線位置，標(biāo)注記號，然后在靠近管線位置時停止鉆孔施工，以避免注漿施工對地下管線的破壞。

(2)掌子面注漿加固

地層應(yīng)力多次重分布，導(dǎo)致洞室圍巖穩(wěn)定性較差，若不提前對掌子面進行加固，易產(chǎn)生一系列工程風(fēng)險。對于開挖掌子面的加固有很多措施，可以進行注漿加固，即對掌子面周圍的不穩(wěn)定土層注漿增加其黏聚力；還可以對周圍土層打設(shè)錨桿增加其整體剛度。

考慮施工安全和經(jīng)濟性原則，選擇局部性注漿方案。選用水泥—水玻璃雙液漿，漿液配合比為1∶1，在進行注漿加固時，注漿壓力宜控制在0.8～1 MPa，注漿范圍為正洞開挖輪廓線以外3 m、側(cè)導(dǎo)洞開挖輪廓線以內(nèi)1 m，注漿深度為10 m。應(yīng)按照由外到內(nèi)的順序循環(huán)注漿，每循環(huán)斷面上設(shè)4環(huán)注漿孔，每環(huán)25個注漿孔，共設(shè)100個，孔與孔之間間隔注漿。注漿孔布置見圖3。

圖3 注漿孔布設(shè)(單位：cm)

(3)小導(dǎo)管注漿加固

側(cè)導(dǎo)洞開挖高度較高，開挖面積較大，若不進行側(cè)導(dǎo)洞超前注漿支護，就會有掌子面倒坍的風(fēng)險。綜合分析后采取超前小導(dǎo)管注漿支護開挖面的措施，在兩側(cè)導(dǎo)洞中上部分施作φ42 mm、長3.5 m、間距30 cm的注漿小導(dǎo)管，每環(huán)布置29根，插入角為10°～15°(見圖4)。

圖4 側(cè)導(dǎo)洞小導(dǎo)管布設(shè)(單位：cm)

漿液選用水泥—水玻璃雙漿液，水灰比為0.5～1，注漿壓力為0.5～1 MPa。小導(dǎo)管的注漿量為

(1)

式中，q為注漿量；R0為注漿漿液的注漿半徑；L′為注漿鋼花管中至中的距離；L為鋼花管長度；n為圍巖空隙率，本段取10%。

值得注意的是，小導(dǎo)管上需預(yù)留止?jié){段，以防止?jié){液從管尾遺漏。

5 施工監(jiān)測及信息反饋

5.1 施工監(jiān)測

陳亮指出，上跨隧道在施工過程中，下臥隧道會經(jīng)歷沉降、隧道通過隆起、隧道穿越急劇隆起、后期沉降4個階段[15]。在新建隧道施工監(jiān)測方面，需對地表位移、已有隧道拱頂和拱底位移、既有地鐵線路軌道結(jié)構(gòu)變形、既有隧道洞周收斂進行監(jiān)測，見表2。其中，既有地鐵線路軌道結(jié)構(gòu)隆起變形值直接影響既有運營隧道的安全，其檢測精度和頻率應(yīng)顯著提高，故將其列入自動化監(jiān)測項目中，見表3。

表2 監(jiān)測項目及其監(jiān)測頻率

表3 自動化監(jiān)測項目

5.2 測點布置及監(jiān)測方法

(1)地表沉降監(jiān)測

測點布置與埋設(shè)：嚴(yán)格按照審查后的監(jiān)測圖紙布點，應(yīng)優(yōu)先考慮在輔路上設(shè)置，其次是道路兩側(cè)路邊及應(yīng)急停車帶，最后是道路中間。

監(jiān)測方法：采用水準(zhǔn)儀，將監(jiān)測點與基準(zhǔn)點(或工作基點)構(gòu)成閉合環(huán)線或附合水準(zhǔn)路線檢測。

(2)新建隧道拱頂位移

測點埋設(shè)：拱頂位移測點布置在隧道上導(dǎo)洞頂部，隨著工程進展的形成而延伸，平均每8 m布設(shè)1個測點，在近接處集中布設(shè)。

監(jiān)測方法：采用水準(zhǔn)儀和鋼卷。架設(shè)水準(zhǔn)儀，將鋼掛尺懸掛在測點上，待鋼尺平穩(wěn)后讀出基點數(shù)值ai和待測點的數(shù)值bi，計算本次沉降和累積沉降值，有

hi=|ai-bi|-|ai-1-bi-1|

(2)

h=∑hi

(3)

式中，ai為本次測得的基點數(shù)值；bi為本次測得的待測點數(shù)值；ai-1為前一次測得的基點數(shù)值；bi-1為前一次測得的待測點數(shù)值；hi為本次沉降值；h為總累積沉降值。

(3)既有隧道拱頂位移

測點布設(shè)：拱頂位移測點布置在隧道軸線頂部，每8 m布設(shè)1個測點，在近接處集中布設(shè)。

監(jiān)測方法：同新建隧道拱頂位移測量方法一致，為不影響隧道正常運營，宜在夜間測量。

5.3 現(xiàn)場實時變形監(jiān)測

新建隧道拱頂位移、下臥隧道拱頂位移及下臥隧道結(jié)構(gòu)水平收斂測點布設(shè)見圖5。

圖5 測點埋設(shè)示意

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，最大地表沉降發(fā)生在新建隧道軸線上方，最大沉降值為7.08 mm，遠(yuǎn)小于地表下沉控制值。圖6為最大地表沉降監(jiān)測點隨施工進度位移變化情況，橫坐標(biāo)代表施工斷面到監(jiān)測斷面的距離，縱坐標(biāo)代表通過監(jiān)測點前到通過后的位移變化情況。

圖7為新建隧道最大拱頂位移監(jiān)測點隨施工掘進的位移變化情況，最大拱頂下沉為2.4 mm，遠(yuǎn)小于拱頂下沉控制值。從圖6、圖7可以看出，隧道拱頂下沉同地表下沉變化相似，通過前略上拱，通過中快速下降，通過后趨于穩(wěn)定。

圖6 最大地表沉降監(jiān)測點位移變化

圖7 新建隧道最大拱頂位移監(jiān)測點位移變化

圖8為下臥隧道最大拱頂位移監(jiān)測點隨施工掘進的位移變化情況，下臥隧道拱頂位移最終表現(xiàn)為上浮，上浮值為4.8 mm，遠(yuǎn)小于拱頂位移控制值，分析可得，新建隧道通過下臥隧道前，下臥隧道首先發(fā)生小的沉降，通過時緩慢向上隆起，通過后急劇隆起，最后平緩沉降。

圖8 既有隧道最大拱頂位移監(jiān)測點位移變化

6 結(jié)論

(1)大型隧道淺埋暗挖施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法，可減少對土體的擾動，從而減少對下臥隧道的影響，還可有效地控制地表沉降。

(2)新建隧道拱頂位移變化同地表沉降變化一致，均表現(xiàn)為通過前隆起，通過時迅速下沉，通過后緩慢趨于穩(wěn)定。

(3)下臥隧道地鐵15號線在新建隧道通過后，最終表現(xiàn)為上浮隆起，最大隆起值為4.8 mm。其拱頂變形同樣經(jīng)歷了上方新建隧道通過前沉降、通過后上浮、穿越后迅速上浮、后期平緩沉降4個階段。

(4)采用風(fēng)險控制措施能有效地控制上方地表沉降、新建隧道拱頂沉降、下臥隧道拱頂位移等，使其變化值均在規(guī)定范圍之內(nèi)，既保證了新建隧道的安全通過，也不影響下臥隧道的正常運營。