地铁换乘通道暗挖段施工对既有盾构隧道的影响研究

2018-01-22严德添

西部探矿工程 2018年1期

金平，王涛，严德添

（1.中铁四局集团城市轨道交通工程分公司,安徽合肥 230022；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031）

随着我国轨道交通的不断发展，国内城市正在积极地修建地铁隧道。由于地铁隧道呈现网络化发展的趋势，新建地下工程往往对既有地铁隧道造成影响。在城市地铁施工中，有效保证既有地铁隧道的安全是工程的难点之一。为此，不少学者针对新建地下工程施工对既有地铁隧道的影响进行了研究。胥俊玮[1]探讨了新建马蹄形隧道台阶法施工对地表沉降及既有隧道衬砌结构产生的影响，发现了新建隧道开挖后地表及既有隧道结构将会发生不均匀沉降，且既有隧道底板变形略大于顶板变形的现象。梅勇文[2]以沈阳市南北快速干道工程中段隧道上跨地铁1号线区间隧道的工程实例为对象，对明挖隧道上跨地铁区间隧道施工进行了分析和研究，指出明挖隧道上跨既有盾构隧道施工，必须考虑到基坑土方开挖的减载作用对盾构管片结构的影响。黄玲、颜波[3]以广州某在建的地铁连接通道项目为例，对基坑开挖全过程对既有地铁结构的影响进行了数值模拟，发现在地下水位保持不变时，靠近开挖基坑的地铁结构主要表现为沉降变形，而离开挖基坑较远的结构则主要表现为向基坑侧偏移的水平变形。张玥、曹伟[4]比较新建马蹄形隧道采用不同开挖台阶长度施工时对既有隧道的变形及内力的影响，评价既有隧道的安全性。结果表明，新建隧道采用长台阶法施工，不仅能够保证既有隧道的安全还可加快新建隧道的施工进度。张建[5]分析了新建隧道正交下穿施工影响安全的主要因素，提出了预防由新建隧道正交下穿施工引发既有隧道应力变化过大的措施。孙洪硕等[6]分析了石家庄市地铁3号线施工过程中对电力隧道的影响，结果表明，地铁区间隧道的开挖卸载将导致电力隧道出现整体抬升，但抬升变形量值较小，二次衬砌受力满足安全性要求。张瑾等[7]通过数值模拟方法研究了新建隧道下穿既有线路时新旧隧道的相互影响，发现既有隧道的衬砌对新建隧道起到了预加固作用，使得新建下穿隧道的拱顶沉降小于未穿越段，但既有隧道的拱顶部位沉降会显著加大，有必要进行预先加固。综上可见，在新建地下工程近接既有建构筑物施工时，开展数值模拟评估施工安全性极为必要。本文以深圳地铁福民站换乘通道暗挖段工程施工为背景，结合工程实际需求，采用三维数值模拟的方法研究暗挖矩形换乘通道施工对既有地铁隧道的影响，从而评估工程采用的施工措施是否适宜，以期为本工程的顺利开展和类似工程的施工提供技术支持。

1 工程概况

深圳地铁10号线福民站沿福强路南北向布置，与7号线在福强路与福民路交叉处换乘，需在2个车站之间修建换乘通道。换乘通道位于7号线福民站东侧，通道东西走向，通道正下方有地铁7号线福民站至皇岗口岸区间隧道右线。此外，换乘通道上方有皇岗河雨水箱涵通过，箱涵形式为单箱双室，单室净尺寸为5.5m（宽）×5.2m（高）。因换乘通道零距离下穿皇岗河雨水箱涵，故该段采用暗挖法施工。通道其余部分（下穿皇岗河雨水箱涵段两侧）采用明挖法施工，施工顺序为先明挖施工再暗挖施工，其平面布置图见图1。该换乘通道暗挖段距离地铁7号线既有隧道约7.6m。工程范围内的地层主要由第四系人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Q4mc）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）和燕山期（γ53）花岗岩组成，土层主要包括素填土、含淤泥质砂、粗砂和砂土状强风化花岗岩等。其中，换乘通道暗挖段所处地层主要是含淤泥质砂。

换乘通道暗挖段顶板距离地表约7.3m，顶部紧靠皇岗河雨水箱涵。通道暗挖段长16m，断面为矩形，尺寸为10.3m（宽）×4.4m（高）。为了减少换乘通道施工对皇岗河雨水箱涵和既有地铁7号线的影响，通道暗挖段施工前采用水平旋喷桩对开挖断面两侧及下部进行加固，同时采用深孔注浆对暗挖段下部初支轮廓线外3m范围内进行加固，并在施工时设置超前小导管。换乘通道暗挖段开挖方法为中洞法，开挖步序按图2中1～4步进行，型钢钢架在每次开挖后及时架设，各部分每次开挖进尺为0.5m，其中第1部分进度超前第2部分3m，第2部分进度超前第3部分2m，第3部分进度超前第4部分3m。当开挖各部分均贯通后，底板一次性浇筑完成，横向支撑一次性全部拆除，竖向型钢支撑隔一拆一，侧墙和顶板二次衬砌均匀分三段进行浇筑。

图1 工程平面图

图2 换乘通道暗挖段施工步序图

显然，换乘通道下穿皇岗河雨水箱涵暗挖段是通道施工的难点及关键，因此有必要对通道暗挖段施工对既有建构筑物的影响进行研究。本文着重分析换乘通道暗挖段施工对下伏既有地铁7号线的影响，换乘通道暗挖段施工的力学行为及其对皇岗河雨水箱涵的影响将另文分析。

2 数值模型的建立

采用有限差分数值分析软件FLAC3D模拟换乘通道暗挖段的施工过程。模型左右边界及下边界计算范围控制在3～5倍开挖宽度，具体尺寸为沿换乘通道纵向方向自7号线福民车站起取64m，横向取72.8m，高度为28.2m。依据岩土勘探资料，数值计算中对现场的岩土层进行适当简化，将计算模型研究范围内的土层分为4层，模型中各材料的物理力学参数取值如表1所示。

图3为三维数值计算模型图。所建立好的计算模型共计27.35万个单元，模型的四周和底部的边界条件为法向约束，地表为自由边界条件。计算中，各土层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，地下连续墙、雨水箱涵、初期支护、二次衬砌及盾构隧道管片采用弹性模型。钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给初期支护。根据抗压刚度相等的原则，在开挖过程中按每段进尺分步将支护结构的弹性模量折算到混凝土实体单元中，参数折算的计算公式为：

式中：E——换算初支弹性模量；

E1——钢材弹性模量；

E2——混凝土弹性模量；

I1——钢拱架截面惯性矩；

I2——混凝土截面惯性矩。

数值计算中，考虑雨水箱涵充满水流，在箱涵底部施加5.2kN/m2的均匀压力，而通道暗挖施工过程的模拟与设计相一致。由于前期已掌握换乘通道明挖段基坑施工对既有7号线隧道的影响规律，本文在分析中不再考虑换乘通道暗挖段两侧基坑施工对既有7号线隧道的影响。

表1 计算模型材料物理力学参数取值

图3 三维数值计算模型图

3 计算结果分析

3.1 既有隧道管片受力分析

由于7号线盾构隧道右线位于换乘通道正下方，相对与左线来说，受换乘通道开挖的影响更大，因此主要分析右线管片的受力情况。

换乘通道开挖过程中典型施工步时的既有隧道右线管片最大第一第三主应力数值如表2所示。可以看出，在整个开挖过程中，管片最大第一主应力随着开挖的进行变化很小。应力较大的位置有3处，分别位于换乘通道正下方处的管片拱底位置、靠近福民站的管片拱顶位置和远离福民站一侧的拱肩位置，这3个位置处最大主应力的量值均约为4MPa。

第三主应力与第一主应力一样，在整个开挖过程中，管片第三主应力随着开挖的进行变化很小。应力较大的位置有2个，一个是换乘通道正下方处的管片拱顶位置，另一个是靠近7号线福民站的管片拱底位置，这2个位置的应力的量值均约为6MPa。不难分析出，既有管片如此的受力特点是由两侧明挖基坑的存在所决定的。

3.2 既有隧道变形分析

为研究由换乘通道暗挖段施工造成的地铁隧道管片的变形情况，分别在左右线隧道底部和顶部各设置一条竖向位移测线，在拱腰两侧各设置一条横向位移测线，研究测线上相应监测点的位移变形情况。拱腰测线的范围为沿隧道纵向Y=10～54m范围（换乘通道纵向范围为Y=20～36m），测线上每隔2m设置一个测点，拱顶和拱底的测点位于换乘通道进洞口、出洞口和中部下方的管片处。

3.2.1 地铁7号线盾构隧道管片的竖向位移分析

选取位于换乘通道进洞口、出洞口和中部下方的管片监测点分析管片的竖向位移随开挖而变化的规律。右线管片受换乘通道开挖的影响更大，因此主要分析右线管片的变形情况。图4给出了右线管片竖向位移曲线图。通过图4（a）可以看到右线各测点的竖向位移在通道施工过程中的变化规律：随着换乘通道的开挖，既有隧道上各测点将会出现一定的隆起，且隆起值一直在增大，这是因为换乘通道的开挖对于下伏既有地铁隧道产生了卸荷作用；施作底板时，由于相当于给既有隧道上覆土层加载，造成既有隧道又会出现一定的下沉，表现为隆起值的减小；拆除横撑时，既有隧道也会出现一定的隆起，隆起量值约为0.07mm，这是由暗挖通道支护结构整体刚度的下降所引发的；在拆除竖向支撑和施作二衬的过程中，既有隧道的隆起值有略微的减小，因为这一过程对于既有隧道来说总体上还是处于上覆受荷增加的状态；整个暗挖通道施工完成时，各监测点的最终隆起量值在0.58～1.15mm范围内。

通过图4（b）可以看出，右线管片位移最大值位置出现在坐标Y=22处，即换乘通道暗挖段进洞口下方附近，且离通道越远，位移变形值越小；在暗挖通道的施工过程中，既有隧道的竖向位移最大值为1.66mm。

表2 既有隧道右线管片最大第一第三主应力变化情况

图4 右线管片竖向位移曲线图

3.2.2 地铁7号线盾构隧道管片的水平位移分析

图5给出了既有隧道中各测点的横向收敛曲线图。从图5可知，隧道管片由暗挖通道施工引发的收敛值较小，左线管片收敛最大值为0.037mm，右线管片收敛值最大为0.071mm，这说明隧道管片的横向位移在横断面上几乎变为整体性的变形；右线管片的收敛值较大的位置在纵向上与换乘通道相同（Y=20～36m范围），而左线隧道收敛较大的位置受到既有明挖基坑的影响，在纵向上出现在了Y=34～46m范围内。