復雜環境下既有隧道改擴建斷面力學行為研究

戴世穎

(1. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室(鐵一院)， 710043， 西安；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(鐵一院)， 710043， 西安 ∥工程師)

隨著我國經濟的迅速發展，鐵路、地鐵、公路跟隨時代的步伐加緊建設。為滿足新時代規劃、客流、線路、運營效益、運輸能力等要求，部分已建成的既有線路需在附近增設新建線路；新舊線路局部位置根據行車組織、應急救援的需求增設聯絡線，以滿足兩處線路互連互通的要求。在國內，關于復雜環境下新舊線路聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建斷面工程的研究比較少，因此對聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建斷面進行研究顯得尤為重要。

本文以某地鐵新舊線路聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建工程為依托，對暗挖既有隧道改擴建斷面組成及力學行為進行深入研究，采用三維數值模擬分析兩種暗挖既有隧道改擴建斷面力學行為，對兩種改擴建斷面從力學狀況、施工工期、工程造價等方面進行綜合比選，提出合理可行的技術方案。研究結果可為聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建斷面設計提供有益參考。

1 工程背景

某地鐵暗挖既有隧道已運營多年。暗挖既有隧道為單洞雙線馬蹄形隧道，斷面內凈空尺寸寬10.4 m、高7.6 m。隧道地表為既有運營停車場，該停車場為地上一層框架結構，獨立基礎埋深2.4 m。地面及地上一層停車數量較多且人員密集。既有隧道頂距離停車場基礎底凈高約10 m，停車場基礎沉降控制值為8 mm。聯絡線位置隧道所處地層位于含水卵石層。根據地表停車場基礎沉降控制要求，本工程暗挖隧道施工時不允許有地面降水。地層巖土施工工程分級為Ⅲ級硬土，環境作用等級為V—C。根據城市規劃、客流、線路、運營效益、運輸能力等要求，在本工程暗挖既有隧道線路附近增設兩條新線路，新舊線路之間設置1處聯絡線，既有隧道與新建隧道平面關系如圖1所示。

圖1 既有隧道與新建隧道平面關系圖Fig.1 Planar relationship between existing tunnel and new tunnel

2 暗挖既有隧道改擴建結構布置方案

在聯絡線位置，暗挖既有隧道改擴建的施工工法一般有明挖法和暗挖法。本工程聯絡線地表為既有停車場，聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建采用明挖法施工時需對地表停車場進行拆除，鑒于停車場拆除代價較大，明挖法施工不可行。聯絡線位置暗挖既有隧道改擴建擬采用暗挖法施工，在地表停車場周邊設置1座施工豎井，在聯絡線中部設置1處橫通道，供暗挖隧道工作面開挖使用。根據線路平面路徑及暗挖隧道限界要求，聯絡線位置隧道平面布置形式如圖2所示。

圖2 聯絡線位置隧道平面布置圖Fig.2 Layout plan of link line and tunnel

根據聯絡線位置擬定的隧道平面布置圖，既有隧道改擴建斷面內凈寬約16 m，寬度比既有隧道增加5.6 m。由于地表環境風險源、含水卵石地層(不可降水)等因素，本工程暗挖偏心既有隧道分步擴建的方式與其它既有隧道擴建方式相比，隧道改擴建斷面類型及受力狀況有所差別，偏心隧道擴建對周邊地層及地表建筑物沉降影響較大。即使在隧道徑向注漿加固、建筑物基礎加固等措施下進行隧道擴建開挖，周邊地層及地表停車場基礎沉降模擬計算值仍然不滿足規范要求，因此本工程需采用其他改擴建方式。

結合國內擴建隧道實施案例及經驗[1-2]，本工程根據暗挖隧道地質及地表環境、限界空間要求、新舊隧道斷面組合形式、隧道開挖方式等因素進行方案綜合比選，擬采用兩種隧道改擴建斷面設計方案，其斷面形式分別為：方案1為保留既有隧道半側斷面，鑿除其余斷面，新建斷面與保留斷面中部設置中隔墻；方案2為鑿除既有隧道整個斷面，新建擴建斷面包絡既有隧道。兩種方案斷面形式如圖3所示。

單位：mm圖3 既有隧道改擴建兩種方案斷面圖Fig.3 Cross section of two schemes for reconstruction and expansion of existing tunnel

3 改擴建斷面工程力學行為研究

3.1 實施時序研究

聯絡線位置上方為既有停車場風險源，方案1斷面施工需考慮地表環境因素并滿足新建隧道開挖風險的要求。為保證既有隧道結構的安全及穩定，參照國內大斷面隧道及擴建隧道施工經驗[3-5]，方案1既有隧道改擴建斷面開挖擬實施時序：① 施工既有隧道中隔墻，中隔墻與既有隧道二襯采用植筋連接；② 采用環向及豎向工字鋼支撐加固既有隧道；③ 開挖擴建隧道初支，開挖過程中不鑿除既有隧道初支及二襯；④ 施工擴建隧道二襯，待二襯施工完畢后鑿除既有隧道初支及二襯。方案1既有隧道改擴建斷面開挖步序示意圖詳見圖4。

方案2既有隧道改擴建斷面開挖擬實施時序：① 對既有隧道采用低標號泡沫混凝土回填；② 待回填強度滿足要求后采用雙側壁導坑法開挖既有隧道改擴建斷面；③ 既有隧道初支及二襯隨周邊土體逐榀開挖鑿除，完成改擴建斷面初支及二襯。

3.2 工程力學行為研究

根據兩種暗挖既有隧道改擴建斷面結構形式及施工時序，結合國內大斷面暗挖隧道及擴建對地面建筑物的影響論證經驗[6]，分別對兩種方案的工程力學行為進行研究，通過三維數值模擬分析，得出隧道關鍵節點位置在各施工時序的位移值及相應地表停車場基礎沉降值，并形成詳細計算結果。

方案1暗挖既有隧道改擴建斷面整體建模沉降計算結果中，施工階段斷面拱頂最大沉降值8.96 mm，詳細計算結果如圖5所示；新建隧道與既有隧道連接處最大沉降4.53 mm，停車場基礎底部最大沉降值3.85 mm，詳細計算結果如圖6所示。

a) 隧道斷面

圖6 方案1既有隧道改擴建斷面拱頂及連接點處、停車場基礎底沉降曲線圖Fig.6 Settlement curve of arch crown and connection point of existing tunnel reconstruction and expansion section and foundation bottom of parking lot

方案2暗挖既有隧道改擴建斷面整體建模沉降計算結果中，施工階段斷面拱頂最大沉降值11.17 mm，詳細計算結果如圖7所示；斷面拱腰最大沉降值4.51 mm，停車場基礎底部最大沉降值6.31 mm，詳細計算結果如圖8所示。

a) 隧道斷面

圖8 方案2既有隧道改擴建斷面拱頂及連接點處、停車場基礎底沉降計算結果Fig.8 Settlement calculation results of arch crown and connection point of existing tunnel reconstruction and expansion section and foundation bottom of parking lot in scheme 2

由兩種斷面力學行為三維數值模擬結果可知，方案1和方案2隧道洞身及地表停車場基礎沉降值均滿足要求(隧道洞身及停車場基礎沉降控制值分別為20 mm和8 mm)。由于方案1既有隧道內設置了中隔墻及臨時支撐，并對新建隧道分四部分開挖，降低了開挖跨度，有效地控制了周邊地層沉降；方案2大斷面采用雙側壁導坑法施工，雖然隧道分為左、右、中三部分開挖，但整體開挖跨度稍大，隧道拱頂及地表停車場基礎沉降值略大于方案1。

4 兩種方案綜合比選

4.1 投資造價

方案1主要土建工程量有：新建既有隧道中隔墻、既有隧道內撐加固、擴建隧道開挖、初支、二襯施工、鑿除既有隧道半側初支及二襯。方案2主要土建工程量有：既有隧道回填、擴建隧道開挖、初支、鑿除既有隧道初支及二襯、擴建隧道二襯。兩種方案斷面每延米主要工程數量(不含風險源及土體加固)詳見表1。

表1 兩種方案每延米主要工程數量Tab.1 Main quantities per linear meter of two schemes

按現階段材料單價計算，方案2每延米造價約30萬元，方案1每延米造價約20萬元，方案2比方案1每延米造價增加約10萬元。

4.2 施工難易程度及工期

方案1開挖步序較為復雜，涉及既有隧道及新建隧道的施工，主要施工難點為：① 既有隧道中隔墻長距離高空作業植筋施工，且中隔墻植筋間距小、鋼筋密集(間距10 cm)、操作精度要求高；② 既有隧道洞內鋼支撐加固時需保護既有隧道二襯及中隔墻施工，鋼支撐與二襯內壁、鋼支撐與中隔墻之間的連接面精度要求高，不可出現受力尖銳點以免破壞二襯、中隔墻混凝土；③ 擴建隧道頂部及底部初支、二襯施工困難，包括土體開挖操作空間小、施工風險較高，新舊隧道初支鋼筋焊接操作難度高，頂部及底部新建隧道二襯施工空間小、植筋難度較大；④ 既有隧道初支及二襯鑿除施工時需保護新建隧道二襯及既有隧道內新建中隔墻，為避免破壞兩處植筋鋼筋，需采用混凝土局部切割方案，操作精度要求高。方案1新建隧道操作空間小、新舊隧道連接處關鍵節點較多，預計本方案施工進度為8～10 m/月。

與方案1對比，方案2開挖步序更簡潔明了，其回填混凝土工序簡單，開挖新建的擴建隧道工法成熟，施工難點主要在于鑿除既有隧道的初支及二襯工程量較多，需采用精度較高的免爆或切割機。方案2開挖前回填混凝土及開挖階段鑿除既有隧道全部初支及二襯所需時間稍長，預計本方案施工進度為15 m/月。

4.3 施工質量

方案1實施步序較多，質量控制關鍵節點主要有：① 新舊隧道初支及二襯連接質量；② 新舊隧道防水部位搭接質量；③ 新建工程鋼筋植筋質量；④ 既有隧道初支及二襯鑿除質量。根據三維數值模擬計算結果，方案1上述關鍵節點的施工質量要求較高，需嚴格按照設計圖紙及規范規程執行。質量控制不合格時易出現組合斷面永久結構局部受力，造成應力集中和局部破壞狀況；關鍵節點連接質量不合格時，將導致暗挖隧道后期出現漏水、鋼筋腐蝕、混凝土剝落掉塊等次生災害，影響隧道的使用壽命，間接增加后期隧道維修成本。

方案2主要的質量關鍵節點為既有隧道頂部泡沫混凝土回填的密實度。既有隧道頂部泡沫混凝土不密實回填可能導致新建隧道開挖階段既有隧道頂部出現塌方狀況。根據三維數值模擬計算結果，新建隧道斷面開挖前需注重隧道超前支護質量，控制隧道開挖步距及超挖，加強施工期間隧道洞內及地表沉降監測，做到信息化施工。

4.4 綜合比較

對兩種方案從施工步序、受力特征、投資造價、施工工期、施工難易程度、施工質量控制等方面進行綜合比較，結果如表2所示。

表2 兩種隧道改擴建斷面設計方案綜合比較Tab.2 Comprehensive comparison of two schemes of tunnel section reconstruction and expansion design

5 結語

本文對聯絡線位置既有隧道改擴建斷面的結構形式進行分析，應用Midas Gts軟件對兩種隧道改擴建斷面設計方案的斷面力學行為進行三維數值模擬計算，對兩種方案的開挖步序、受力特征、投資造價、施工工期、施工質量控制進行綜合對比，得出如下結論：

1) 兩種方案開挖工序對周邊土體及地表沉降值均滿足要求。由于斷面尺寸原因，方案2開挖引起隧道及地表沉降值略高。方案1開挖組合斷面復雜，受力節點較多，各節點施工應確保工程質量，避免出現應力集中。

2) 兩種方案對既有隧道改擴建斷面的隧道開挖均需采用強支護、短進尺、快封閉的方式實施，需對地表環境風險源做好相關的加固措施，整個工程需做好必要的應急預案。

3) 方案1前期投資少、施工難度大、施工關鍵節點及工程質量控制點較多、工期較長，方案2前期投資多、施工難度小、施工關鍵節點及工程質量控制點較少、工期稍短。

4) 方案1擴建斷面土建實施階段投資少。對工程工期無特殊要求、能夠有效控制地面環境風險源、且施工質量及管理水平較為精細化的相似工程，可借鑒此方案實施。本方案存在工期延遲、后期隧道質量維修等風險，或增加本方案的綜合投資。

5) 方案2擴建斷面土建實施階段投資多。對工程工期有一定要求、能夠有效控制地面環境風險源的相似工程，可借鑒此方案實施。