隧道上跨既有地铁隧道影响分析

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摘要:某市新建地铁4号线工程隧道上跨既有地铁3号线盾构区间隧道，两者结构竖向最小净距为1．42m，土体较薄，地质较弱。新建地铁隧道在施工过程中不能影响下方地铁区间隧道结构安全和正常营运，施工难度和风险较大。经过理论分析和模拟计算，通过采用地面压载、控制顶进推力、洞内注浆等措施，尽量减弱两者间的相互影响，从而有效保证了盾构隧道结构的稳定及地铁运营列车的安全。

关键词:上跨，最小净距，结构安全，地面压载，顶进推力

引言

上跨既有隧道施工会给周围地层的位移场和附加应力场产生影响，使下方既有地铁隧道结构产生相应的竖向变形和附加内力，从而影响既有地铁隧道的安全性及正常使用功能。虽然临近既有隧道施工的工程越来越多，也产生了相应的一些理论研究和成功工程案例［1-7］，但由于各地区地质条件、周边环境不同且隧道结构设计的差异性，既有工程成功经验可以作为借鉴参考，却不能复制套用。本文以某市新建地铁4号线工程隧道上跨既有地铁3号线盾构区间隧道作为背景，通过理论解析和数值分析等方法对新建隧道上跨既有隧道施工过程中，由于开挖卸荷引起的既有隧道变形进行分析，并结合既有隧道变形控制标准，对上跨施工合理控制措施进行了优化，将研究结果应用于实际工程中，为工程实际应用提供了理论依据。

1工程概况

某市地铁4号线区间为双单线隧道，盾构区间上穿既有3号线盾构区间结构，上跨范围为右DK25+873．77～右DK25+895．15。隧道底部距离3号线区间结构竖向净距约1．42m，区间覆土厚度约4．82m，3号线采用盾构法施工，线间距15m，区间结构外径6．2m，内径5．5m，管片厚度350mm(见图1，图2)。该范围主要土层为粉质黏土、黏质粉土、砂质粉土、粉砂(见表1)。

2有限元数值模拟数值模拟计算采用

MIDAS-GTS有限元软件。以实际尺寸进行建模，分别建立新建及既有双线盾构隧道结构的模型。

2．1建模模型

采用有限单元法，材料本构关系及土层单元选取:各个土层均采用弹塑性的三维实体单元，服从Mohr-Coulomb屈服准则;隧道结构管片采用混凝土弹性单元模型，车站采用混凝土板单元模拟。模型尺寸:100m(沿新建4号线方向)×50m(沿既有3号线方向)×50m(高度)。水平与竖直方向边界条件均为位移约束。模型划分为四面体网格。结合新建盾构隧道施工的全过程实际情况，在自重应力场下逐步开挖。边界条件为:模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底面限制竖直位移，上面为地表，取为自由边界。四周为法向约束，顶面为自由面，底面为垂向约束;荷载主要考虑土体自重及地面压载。计算中作如下假定:1)计算中将初始应力场假定为自重应力场，并将土层视作弹塑性连续体，在施工中连续变形。2)施工新建隧道的掌子面顶推力，除了平衡前方土水压力、壳体外壁水平摩阻力以外，还提供盾构机前进推力，在计算中忽略摩阻力并保持顶推力恒定。

2．2盾构模拟开挖

盾构管片周边土体二次注浆加固的模拟通过等效材料参数变化来实现。盾构机自重约330t，作用在隧道下方半圆的范围内，纵向作用长度9m，盾构掌子面根据土压平衡施加面压力考虑，盾构推力在1300t～1800t之间，施工过程同步注浆取值20kPa。地面压载按照满足1倍隧道直径的覆土高度(6．2m－4．7m=1．5m)取30kPa，作用在开挖断面前后各10m范围。模型施工过程的计算为138步(见图3)。具体施工步骤:左线盾构隧道开挖，开挖进尺每步1．5m→施作管片、注浆→左线隧道施工完成，进行右线隧道施工→右线盾构隧道开挖→施作管片、隧道注浆→整个隧道施工完成。先右线后左线的方案反之(见表2)。

3有限元模拟结果

4号线施工产生的最大地层竖向位移点位于后开挖的右线隧道上方，4号线双线隧道开挖完成后，地面产生“W”形沉降槽(见图4)。在3号线区间隧道上部选择6个竖向变形观测点，分析4号线施工对3号线造成的影响，由测量结果可知，由于压载作用和新建隧道的盾构机前部自重大于其开挖土的重量，在盾构刀盘等通过既有隧道上方时，会使3号线隧道略微下沉，在盾构机通过以后，由于卸荷效应，既有隧道产生隆起，随着4号线施工产生卸载，3号线区间隧道上浮，在4号线施工断面离开节点位置后，观测点竖向变形趋于稳定(见图5)。6个工况中既有3号线区间隧道竖向、水平方向(沿4号线方向)的变形(见图6，图7)。4号线施工对既有3号线隧道产生最大竖向变形位于上跨位置，上浮约7．1mm;4号线施工对既有3号线隧道产生最大水平横向变形位于上跨位置，变形约8．1mm。先施工的区域，在第一次盾构施工的过程中发生一次变形，而后的另一条隧道盾构穿过也会产生较大的附加变形。在同样的顶进推力情况下，4号线盾构隧道按先左线后右线施工顺序的工况4～工况6，对既有3号线隧道的影响比4号线盾构隧道先右线后左线施工的工况1～工况3更小。数值模拟中由于4号线盾构隧道施工，产生的3号线区间与3号线和平路站端墙的位移差较小，均在1mm以内，可见3号线区间与3号线和平路站端墙接口处并不控制计算，考虑到区间与车站刚度差异明显，建议在施工中加强接口处和变形缝环监控量测，若测量值与计算结果差异较大，则应采取加强管片的措施。随着顶进推力减小，既有3号线区间隧道的变形减小，采用1800t顶进推力的两组计算，最大竖向变形均大于7mm;采用1500t顶进推力的两组计算，最大竖向变形约为6．5mm;采用1300t顶进推力的两组计算，最大竖向变形约为3．5mm。

4盾构上跨施工控制措施

4．1多孔多次注浆

在区间穿越处采用多孔多次注浆，多孔多次注浆在二次注浆后进行，注浆范围根据风险源位置确定。拟采用双液浆(水泥—水玻璃)，1d强度不小于0．3MPa，28d强度不小于3．0MPa。初凝时间:正常情况下初凝时间不大于40s，特殊情况下可根据地层条件和掘进速度调整。注浆顺序:在加固范围内由中间向两侧对称注浆，在加固范围内按照编号1—2—3—4—5—6—7的顺序注浆，也可根据现场情况调整为多点同时进行，注浆完毕后封闭注浆孔。注浆压力:多孔注浆压力不应大于0．7MPa。注浆量:单孔0．2m3～0．3m3，需根据所处地层情况和注浆记录，评估注浆效果，并结合现场监测情况确定注浆的次数。

4．24号线隧道内部压重

在施工中的4号线隧道内采用铁块进行压重，压重范围为穿越3号线前5环开始布置，直到穿越后的第5环。在堆载区使用设备将机车和车架架立，保证轨枕与隧道底距离为56cm，在轨枕以下空间堆置钢铁件，堆载的重量为每环4t。堆载钢铁件不得影响正常施工(见图8)。

5结论与建议

本文针对新建地铁4号线盾构隧道近距离上跨既有3号线工程，采用数值模拟的方法，分析临近施工对既有隧道结构的变形影响及范围，通过6个工况模拟施工过程，得到结论与建议如下:1)4号线盾构上跨既有隧道的施工过程中，因浅覆土压载和盾构机自重之和，大于其开挖土体的重量，在新建隧道盾构刀盘通过既有线上方时，会使3号线隧道略微下沉，在盾构机通过以后，由于卸荷效应，既有隧道产生隆起。2)先施工的区域，在第一次盾构施工的过程中发生一次变形，而后的另一条隧道盾构穿过也会产生较大的附加变形。因此，推荐先施工远离3号线车站的4号线左线盾构隧道，而后再施工4号线右线盾构隧道，以减小对既有隧道及车站的影响。3)顶进推力在一定程度上控制既有结构变形量值，在接近和通过上跨位置的施工中应控制顶进推力，建议值为1300t～1500t。

参考文献:

［1］张宏伟，李洋．深圳地铁11号线土压平衡盾构近距离上跨既有1号线影响分析［J］．铁道科学与工程学报，2017．

［2］李邵华，张子新．盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析［J］．岩土力学，2004(S2):545-549．

［3］丁传松，杨兴富．盾构近距离上跨越对已运营隧道的影响分析［J］．施工技术，2009(1):48-50．

作者：黄弢 蒙蛟 杨静静 单位：中国铁路设计集团有限公司