礦山法隧道小距離上跨既有盾構區間安全防護技術研究

李紅巖

（徐州地鐵集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 概述

隨著城市軌道交通線網體系不斷完善，新建線路與既有線路交叉重疊的情況不可避免。穿越工程對既有線安全運營及新建線的施工安全均有重要影響。新建礦山法隧道上跨既有盾構隧道作為一類典型問題，國內外學者開展大量的研究。賀美德[1]通過數值模擬和室內正交試驗，研究了上穿施工對既有盾構隧道的變形規律，提出夾土層厚度是影響隧道變形程度的最重要因素；王春國[2]對淺埋暗挖隧道上穿既有隧道施工進行了數值模擬，分析了隧道沉降、內力的變化規律；梁榮柱[3]采用理論分析法研究了近距離上穿對隧道縱向變形的影響，將既有隧道簡化為擱置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁并采用兩階段法分析求解；張強[4]基于黏彈性本構及彈性地基梁模型推導出既有隧道在附加荷載作用下的豎向位移，同時考慮隧道變形縫影響總結了既有隧道結構豎向變形的計算公式；胡清茂[5]針對粉土地層兩線盾構隧道疊落施工，分析上跨及組合洞內注漿工況下兩隧道的變形情況。

現有研究僅涉及隧道穿越的影響，很少涉及既有車站出站處多結構受影響的案例分析。該文以徐州地鐵2號線礦山法隧道上跨既有1號線盾構區間及車站暗挖橫通道工程為背景，研究小凈距上跨施工對既有隧道的變形規律。

1 工程概況

1.1 工程背景

彭城廣場站是徐州地鐵1、2號線的換乘站，其中1號線右線區間位于車站南端，沿東西向敷設，2號線區間自車站南端上跨1號線沿南北向敷設，車站及區間平面如圖1所示。1號線盾構隧道，外徑6.2m，管片厚度0.35m、環寬1.2m；1號線橫通道采用CRD法施工，圓拱直墻式形式，跨度9.7m，高度14.57m，二襯采用600mm厚C35現澆鋼筋混凝土。2號線礦山法隧道采用單洞單線馬蹄形暗挖斷面，開挖高度7.1m、寬度6.5m。

圖1 彭城廣場站平面關系示意圖

穿越節點處1號線右線縱斷面圖如圖2所示。1號線隧道及相關通道結構于2號線隧道開工前已完成。2號線左右線間凈距10.5m，左右線上跨1號線的結構凈距分別為0.694m及0.779m，2號線右線隧道離彭城廣場站1號橫通道水平凈距1.7m。

圖2 穿越節點處1號線右線縱斷面圖

1.2 工程與水文地質

工程所在地在地貌單元上分屬沖積平原、沖積垅狀高地及沖（坡）—洪積平原，從上到下的土層依次為雜填土、老城雜填土、硬塑狀黏土、中風化灰巖。2號線隧道開挖面處于黏土及中風化灰巖交界處；1號橫通道與2號線類似，斷面大部分位于中風化灰巖內，小部分處于黏土中；1號線隧道全斷面位于中風化灰巖內。

勘察場區地下水位埋深約為1.5m～4.0m，地下水類型主要為分布在填土中的潛水、分布在老城雜填土中的微承壓水以及分布在中風化灰巖中的碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。

2 模型建立

2.1 有限元模型

為評估2號線施工對1號線結構及橫通道的影響，采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元模型，模型示意圖如圖3所示，模型尺寸為X×Y×Z=100m×100m×50m，其中X方向為2號線隧道縱向，Y方向為1號線隧道縱向。模型側面邊界采用水平固定約束，底面邊界為豎向固定約束，上表面設為自由面。

圖3 三維數值計算模型示意圖

2.2 材料參數

模型中的土體及巖體均使用實體單元進行模擬，破壞屈服準則采用Mohr-Coulomb準則，具體力學指標見表1。

表1 地層及結構的物理力學參數

隧道襯砌采用板單元模擬，建筑物利用梁、柱、板等單元按框架結構模擬。所涉及混凝土均采用線彈性本構模型。

2.3 施工過程

上跨施工過程分為4個階段進行模擬：1）初始地應力。2）既有結構施工。地鐵1號線暗挖段、車站1號橫通道及1號線盾構段。計算至平衡狀態，并進行位移清零。3）地鐵2號線右線礦山法開挖，并施做二襯。4）地鐵2號線左線礦山法開挖，并施做二襯。

3 計算結果及分析

3.1 既有隧道變形

計算結果顯示：2號線右線施工結束后，1號線盾構隧道在穿越節點處受2號線施工影響程度最大。在豎向上，1號線拱頂最大隆起2.26mm，拱底隆起1.6mm；在水平方向上，1號線斷面則呈收縮狀態但位移值較小，拱腰最大變形0.14mm。

2號線左、右線均施工結束后，下方1號線盾構段隧道豎向變形計算結果如圖4所示。1號線盾構隧道仍在穿越節點處受影響最大。在豎向上，1號線最大變形發生在先期施工的2號線右線上跨處，拱頂隆起2.69mm，拱底隆起2.18mm；在水平方向上，1號線斷面仍呈收縮狀態，但與前一工況相比，幾乎沒有變化，拱腰最大變形0.17mm。

圖4 既有隧道豎向變形云圖（雙線施工后）

上跨的礦山法隧道開挖主要影響了穿越節點處既有隧道的變形，在上部隧道投影區域內隆起值超過2mm，為主要影響區；兩穿越節點之間的區域以及交叉節點以外約10m內的范圍為次要影響區，該區域的豎向變形在1mm～2mm；而超過穿越節點外10m則產生毫米級以下的變形，為輕微影響區。

由于兩隧道為正交穿越，因此水平變形幅度比豎向變形小?？偟膩碚f，1號線在穿越節點處的橫斷面上產生了豎向拉長，水平收縮的“豎鴨蛋”式變形，在豎向上呈現兩側小，節點大，交叉段小的“M”型分布。

3.2 橫通道變形

計算結果顯示，2號線右線施工結束后，橫通道的結構變形具有差異性，越接近礦山法隧道處變形值越大，但差異值不明顯，最大隆起值為1.5mm。橫通道出現以拱腰為中心，拱頂向開挖隧道外側，拱底向開挖隧道內側的傾斜變形。產生的原因是橫通道受到了拱腰處既有1號線變形約束，同時又受到2號線施工卸載作用。2號線雙線施工結束后，1號橫通道水平變形計算結果如圖5所示。

圖5 橫通道水平變形云圖（雙線施工后）

雙線施工后，因為左線的開挖距橫通道已超過10m以上，發生的豎向變形及水平變形與之前的趨勢一致但變化值均小于1mm，可以認為遠端礦山法施工對橫通道的影響可幾乎忽略。

3.3 既有結構內力

為直觀分析既有結構內力變化情況，取2號線未施工時的結構彎矩作為對比，可得到2號線雙線施工結束后的彎矩絕對值的變化情況，如圖6所示。穿越施工期間的土體開挖會導致地層的應力重分布，普遍少了既有結構的彎矩。特別是位于中風化灰巖與黏土交界面以上的橫通道拱頂，其彎矩的減少幅度最大，說明應力在黏土中變化的程度更大。因此應對土巖復合地層中交界面處的結構予以關注，特別是對拱肩、拱腳等位于交界面處的曲面結構，內力的大幅變化可能導致微小擾動產生較大的差異變形，可采取一定加固措施以保障隧道安全。

圖6 既有結構彎矩變化示意圖

4 結論

該文對彭城廣場站2號線上跨既有1號線工程進行了數值模擬與分析，研究了礦山法隧道小距離上跨既有盾構區間產生的影響，分析了單線施工后與雙線施工后的既有結構狀態，總結了卸載引起的變形效果，得到主要結論如下：1）礦山法隧道上跨使既有盾構隧道在穿越節點處的橫斷面上產生了豎向拉長，水平收縮的“豎鴨蛋”式變形，在豎向上呈現兩側小，節點大，交叉段小的“M”型分布。2）新建礦山法隧道對巖石地層中既有隧道產生的主要影響發生在穿越節點處，次要影響區主要發生在節點之間及節點外10 m以內的范圍中，而對10m以外范圍則影響較小。同時對正交穿越，下方既有隧道及周邊結構物產生的水平變形遠小于豎向變形。3）礦山法施工中會導致地層應力重分布，這種分布在黏土中產生的反應更大，結構的內力變化幅值也變大，因此應對巖體及土體交界面處結構的差異受力行為予以關注。