戴世颖

(1. 轨道交通工程信息化国家重点实验室(铁一院)， 710043， 西安；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(铁一院)， 710043， 西安 ∥工程师)

随着我国经济的迅速发展，铁路、地铁、公路跟随时代的步伐加紧建设。为满足新时代规划、客流、线路、运营效益、运输能力等要求，部分已建成的既有线路需在附近增设新建线路；新旧线路局部位置根据行车组织、应急救援的需求增设联络线，以满足两处线路互连互通的要求。在国内，关于复杂环境下新旧线路联络线位置暗挖既有隧道改扩建断面工程的研究比较少，因此对联络线位置暗挖既有隧道改扩建断面进行研究显得尤为重要。

本文以某地铁新旧线路联络线位置暗挖既有隧道改扩建工程为依托，对暗挖既有隧道改扩建断面组成及力学行为进行深入研究，采用三维数值模拟分析两种暗挖既有隧道改扩建断面力学行为，对两种改扩建断面从力学状况、施工工期、工程造价等方面进行综合比选，提出合理可行的技术方案。研究结果可为联络线位置暗挖既有隧道改扩建断面设计提供有益参考。

1 工程背景

某地铁暗挖既有隧道已运营多年。暗挖既有隧道为单洞双线马蹄形隧道，断面内净空尺寸宽10.4 m、高7.6 m。隧道地表为既有运营停车场，该停车场为地上一层框架结构，独立基础埋深2.4 m。地面及地上一层停车数量较多且人员密集。既有隧道顶距离停车场基础底净高约10 m，停车场基础沉降控制值为8 mm。联络线位置隧道所处地层位于含水卵石层。根据地表停车场基础沉降控制要求，本工程暗挖隧道施工时不允许有地面降水。地层岩土施工工程分级为Ⅲ级硬土，环境作用等级为V—C。根据城市规划、客流、线路、运营效益、运输能力等要求，在本工程暗挖既有隧道线路附近增设两条新线路，新旧线路之间设置1处联络线，既有隧道与新建隧道平面关系如图1所示。

图1 既有隧道与新建隧道平面关系图Fig.1 Planar relationship between existing tunnel and new tunnel

2 暗挖既有隧道改扩建结构布置方案

在联络线位置，暗挖既有隧道改扩建的施工工法一般有明挖法和暗挖法。本工程联络线地表为既有停车场，联络线位置暗挖既有隧道改扩建采用明挖法施工时需对地表停车场进行拆除，鉴于停车场拆除代价较大，明挖法施工不可行。联络线位置暗挖既有隧道改扩建拟采用暗挖法施工，在地表停车场周边设置1座施工竖井，在联络线中部设置1处横通道，供暗挖隧道工作面开挖使用。根据线路平面路径及暗挖隧道限界要求，联络线位置隧道平面布置形式如图2所示。

图2 联络线位置隧道平面布置图Fig.2 Layout plan of link line and tunnel

根据联络线位置拟定的隧道平面布置图，既有隧道改扩建断面内净宽约16 m，宽度比既有隧道增加5.6 m。由于地表环境风险源、含水卵石地层(不可降水)等因素，本工程暗挖偏心既有隧道分步扩建的方式与其它既有隧道扩建方式相比，隧道改扩建断面类型及受力状况有所差别，偏心隧道扩建对周边地层及地表建筑物沉降影响较大。即使在隧道径向注浆加固、建筑物基础加固等措施下进行隧道扩建开挖，周边地层及地表停车场基础沉降模拟计算值仍然不满足规范要求，因此本工程需采用其他改扩建方式。

结合国内扩建隧道实施案例及经验[1-2]，本工程根据暗挖隧道地质及地表环境、限界空间要求、新旧隧道断面组合形式、隧道开挖方式等因素进行方案综合比选，拟采用两种隧道改扩建断面设计方案，其断面形式分别为：方案1为保留既有隧道半侧断面，凿除其余断面，新建断面与保留断面中部设置中隔墙；方案2为凿除既有隧道整个断面，新建扩建断面包络既有隧道。两种方案断面形式如图3所示。

单位：mm图3 既有隧道改扩建两种方案断面图Fig.3 Cross section of two schemes for reconstruction and expansion of existing tunnel

3 改扩建断面工程力学行为研究

3.1 实施时序研究

联络线位置上方为既有停车场风险源，方案1断面施工需考虑地表环境因素并满足新建隧道开挖风险的要求。为保证既有隧道结构的安全及稳定，参照国内大断面隧道及扩建隧道施工经验[3-5]，方案1既有隧道改扩建断面开挖拟实施时序：① 施工既有隧道中隔墙，中隔墙与既有隧道二衬采用植筋连接；② 采用环向及竖向工字钢支撑加固既有隧道；③ 开挖扩建隧道初支，开挖过程中不凿除既有隧道初支及二衬；④ 施工扩建隧道二衬，待二衬施工完毕后凿除既有隧道初支及二衬。方案1既有隧道改扩建断面开挖步序示意图详见图4。

方案2既有隧道改扩建断面开挖拟实施时序：① 对既有隧道采用低标号泡沫混凝土回填；② 待回填强度满足要求后采用双侧壁导坑法开挖既有隧道改扩建断面；③ 既有隧道初支及二衬随周边土体逐榀开挖凿除，完成改扩建断面初支及二衬。

3.2 工程力学行为研究

根据两种暗挖既有隧道改扩建断面结构形式及施工时序，结合国内大断面暗挖隧道及扩建对地面建筑物的影响论证经验[6]，分别对两种方案的工程力学行为进行研究，通过三维数值模拟分析，得出隧道关键节点位置在各施工时序的位移值及相应地表停车场基础沉降值，并形成详细计算结果。

方案1暗挖既有隧道改扩建断面整体建模沉降计算结果中，施工阶段断面拱顶最大沉降值8.96 mm，详细计算结果如图5所示；新建隧道与既有隧道连接处最大沉降4.53 mm，停车场基础底部最大沉降值3.85 mm，详细计算结果如图6所示。

a) 隧道断面

图6 方案1既有隧道改扩建断面拱顶及连接点处、停车场基础底沉降曲线图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暗挖既有隧道改扩建断面整体建模沉降计算结果中，施工阶段断面拱顶最大沉降值11.17 mm，详细计算结果如图7所示；断面拱腰最大沉降值4.51 mm，停车场基础底部最大沉降值6.31 mm，详细计算结果如图8所示。

a) 隧道断面

图8 方案2既有隧道改扩建断面拱顶及连接点处、停车场基础底沉降计算结果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

由两种断面力学行为三维数值模拟结果可知，方案1和方案2隧道洞身及地表停车场基础沉降值均满足要求(隧道洞身及停车场基础沉降控制值分别为20 mm和8 mm)。由于方案1既有隧道内设置了中隔墙及临时支撑，并对新建隧道分四部分开挖，降低了开挖跨度，有效地控制了周边地层沉降；方案2大断面采用双侧壁导坑法施工，虽然隧道分为左、右、中三部分开挖，但整体开挖跨度稍大，隧道拱顶及地表停车场基础沉降值略大于方案1。

4 两种方案综合比选

4.1 投资造价

方案1主要土建工程量有：新建既有隧道中隔墙、既有隧道内撑加固、扩建隧道开挖、初支、二衬施工、凿除既有隧道半侧初支及二衬。方案2主要土建工程量有：既有隧道回填、扩建隧道开挖、初支、凿除既有隧道初支及二衬、扩建隧道二衬。两种方案断面每延米主要工程数量(不含风险源及土体加固)详见表1。

表1 两种方案每延米主要工程数量Tab.1 Main quantities per linear meter of two schemes

按现阶段材料单价计算，方案2每延米造价约30万元，方案1每延米造价约20万元，方案2比方案1每延米造价增加约10万元。

4.2 施工难易程度及工期

方案1开挖步序较为复杂，涉及既有隧道及新建隧道的施工，主要施工难点为：① 既有隧道中隔墙长距离高空作业植筋施工，且中隔墙植筋间距小、钢筋密集(间距10 cm)、操作精度要求高；② 既有隧道洞内钢支撑加固时需保护既有隧道二衬及中隔墙施工，钢支撑与二衬内壁、钢支撑与中隔墙之间的连接面精度要求高，不可出现受力尖锐点以免破坏二衬、中隔墙混凝土；③ 扩建隧道顶部及底部初支、二衬施工困难，包括土体开挖操作空间小、施工风险较高，新旧隧道初支钢筋焊接操作难度高，顶部及底部新建隧道二衬施工空间小、植筋难度较大；④ 既有隧道初支及二衬凿除施工时需保护新建隧道二衬及既有隧道内新建中隔墙，为避免破坏两处植筋钢筋，需采用混凝土局部切割方案，操作精度要求高。方案1新建隧道操作空间小、新旧隧道连接处关键节点较多，预计本方案施工进度为8～10 m/月。

与方案1对比，方案2开挖步序更简洁明了，其回填混凝土工序简单，开挖新建的扩建隧道工法成熟，施工难点主要在于凿除既有隧道的初支及二衬工程量较多，需采用精度较高的免爆或切割机。方案2开挖前回填混凝土及开挖阶段凿除既有隧道全部初支及二衬所需时间稍长，预计本方案施工进度为15 m/月。

4.3 施工质量

方案1实施步序较多，质量控制关键节点主要有：① 新旧隧道初支及二衬连接质量；② 新旧隧道防水部位搭接质量；③ 新建工程钢筋植筋质量；④ 既有隧道初支及二衬凿除质量。根据三维数值模拟计算结果，方案1上述关键节点的施工质量要求较高，需严格按照设计图纸及规范规程执行。质量控制不合格时易出现组合断面永久结构局部受力，造成应力集中和局部破坏状况；关键节点连接质量不合格时，将导致暗挖隧道后期出现漏水、钢筋腐蚀、混凝土剥落掉块等次生灾害，影响隧道的使用寿命，间接增加后期隧道维修成本。

方案2主要的质量关键节点为既有隧道顶部泡沫混凝土回填的密实度。既有隧道顶部泡沫混凝土不密实回填可能导致新建隧道开挖阶段既有隧道顶部出现塌方状况。根据三维数值模拟计算结果，新建隧道断面开挖前需注重隧道超前支护质量，控制隧道开挖步距及超挖，加强施工期间隧道洞内及地表沉降监测，做到信息化施工。

4.4 综合比较

对两种方案从施工步序、受力特征、投资造价、施工工期、施工难易程度、施工质量控制等方面进行综合比较，结果如表2所示。

表2 两种隧道改扩建断面设计方案综合比较Tab.2 Comprehensive comparison of two schemes of tunnel section reconstruction and expansion design

5 结语

本文对联络线位置既有隧道改扩建断面的结构形式进行分析，应用Midas Gts软件对两种隧道改扩建断面设计方案的断面力学行为进行三维数值模拟计算，对两种方案的开挖步序、受力特征、投资造价、施工工期、施工质量控制进行综合对比，得出如下结论：

1) 两种方案开挖工序对周边土体及地表沉降值均满足要求。由于断面尺寸原因，方案2开挖引起隧道及地表沉降值略高。方案1开挖组合断面复杂，受力节点较多，各节点施工应确保工程质量，避免出现应力集中。

2) 两种方案对既有隧道改扩建断面的隧道开挖均需采用强支护、短进尺、快封闭的方式实施，需对地表环境风险源做好相关的加固措施，整个工程需做好必要的应急预案。

3) 方案1前期投资少、施工难度大、施工关键节点及工程质量控制点较多、工期较长，方案2前期投资多、施工难度小、施工关键节点及工程质量控制点较少、工期稍短。

4) 方案1扩建断面土建实施阶段投资少。对工程工期无特殊要求、能够有效控制地面环境风险源、且施工质量及管理水平较为精细化的相似工程，可借鉴此方案实施。本方案存在工期延迟、后期隧道质量维修等风险，或增加本方案的综合投资。

5) 方案2扩建断面土建实施阶段投资多。对工程工期有一定要求、能够有效控制地面环境风险源的相似工程，可借鉴此方案实施。