地铁隧道超近距离下穿既有线安全施工技术

张福忠

（中铁三局集团华东建设有限公司，江苏 南京 211153）

1 概述

随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，必然带来各种新旧线路相互交叉穿越的工程问题[1]，一些大的综合枢纽位置，线路复杂多变，新旧线路的近距离穿越也不可避免[2]，新建隧道的下穿施工如何保证既有线结构的安全，不影响既有线的正常运营[3]，越来越受到研究人员的重视。某地铁矿山法单线隧道，左右线均下穿既有铁路线（已建宁芜货线先期实施段）明挖隧道，交叉段长度约240 m，与既有线区间结构最近距离只有1.70 m、最小夹角只有7°，新建隧道因工期原因必须采用爆破施工，还需破除大量宁芜货线铁路围护桩。隧道地面周边建筑物密集且多为高层建筑，地下管线密布，地面交通异常繁忙。

下穿段隧道断面和既有宁芜货线区间隧道的情况及相互位置关系如图1、图2。

图1 宁芜货线隧道与地铁结构平面关系图

图2 宁芜货线隧道与地铁结构剖面关系图（其中右上为最不利断面）

综合相关规范和有关规定，对既有宁芜货线隧道的保护原则为：

a）混凝土结构裂缝宽度不得大于0.2 mm，并不得贯通。

b）隧道结构由于地铁施工引起的沉降不得大于12 mm，隧道的竖向及平面曲率半径大于15 000 m。

c）由于地铁施工产生的震动隧道引起的峰值速度小于等于2 cm/s。

d）施工过程中，注浆施工等情况下引起的附加荷载应不大于20 kPa。

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

下穿区间隧道拱顶绝大部分为③-1b1-2粉质黏土、J1-2x-2c强风化粉细砂。区间洞身局部位于J1-2x-2c强风化粉细砂岩、J1-2x-3c中风化粉细砂岩中，其物理力学性质差异较大。交叉段落洞身穿越J1-2x-3c中风化粉细砂岩层，围岩级别Ⅲ级。隧道拱顶埋深14～26 m，下穿段宁芜货线埋深为13 m。

2.2 场地水文地质条件

本段落地下水主要为孔隙潜水，其中孔隙潜水主要赋存于①填土中。地下水初见水位埋深1.0～2.5 m，地下水静止水位埋深在1.20～3.20 m，年水位变化幅度约1.0～1.50 m。

3 隧道施工对既有线影响的安全性分析

为了解施工过程中地层的变形及施工对既有区间隧道的影响，利用三维有限元仿真计算，对下穿既有宁芜货线的施工过程进行数值模拟分析。

3.1 计算模型及参数

根据本工程的实际情况和特点，在三维有限差分元分析时有如下考虑：

a）将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料,其本构模型采用M-C弹塑性模型。

b）模型的前、后、左、右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由。

根据工程经验和理论分析，选取土体范围为130 m×330 m×70 m（X×Y×Z)，见图 3。在此区域模拟土层，通过激活和钝化开挖区的土体单元、衬砌单元模拟隧道施工过程及其土体位移，整个三维有限元计算模型共93 764个单元。

计算分3种工况：

a）工况1 地铁隧道开挖一次性完成；

b）工况2 地铁隧道分40步开挖完成；

c）工况3 地铁隧道结构考虑塌方计算。

图3 计算模型

3.2 数值模拟结果及分析

a）隧道的最大沉降允许值为12 mm，数值分析结果表明隧道结构最大沉降为6.13 mm，满足沉降要求。

b）通过数值模拟，地铁施工对结构断面的轴力影响较为复杂，但轴力变化幅度较小，隧道轴向压力最大值均在右侧墙顶部位置，通过比较，地铁施工对隧道结构的纵向弯矩产生的影响较大，隧道结构在本段的纵向钢筋由普通段的φ16@100加强为φ20@100，结构受力主筋由 φ22@100加强为φ28@100，经核算本段结构配筋的加强能够满足地铁结构引起的隧道结构受力变化。

c）计算分别考虑了一次性通过开挖和分40步开挖的工况，按照一次性通过的方式计算时，最大竖向位移为6.13 mm，横向位移为3.8 mm，开挖步骤增加至40步时，最大竖向位移减小为2.61 mm，横向位移减小为2.09 mm。通过开挖步骤的增加，能有效地减小隧道结构由于地铁施工引起的位移及受力变化，加大隧道结构的安全保障，但是，施工产生的影响只能通过增加开挖步骤减弱，不能够完全消除。

d）计算在工况2的基础上增加了塌方影响的模拟计算，塌方纵向长度7.86 m（一个开挖循环的长度）考虑，横向宽度按破裂面考虑，塌方位置选取在宁芜货线隧道与地图隧道结构垂直距离最近处。计算结果表明，小范围的临时脱空对已建宁芜货线隧道的影响总体不大，宁芜货线隧道结构配筋的加强满足受力的增加。

4 隧道下穿施工方案

4.1 施工方案的确定

在下穿施工过程中，必须保证地铁隧道施工和已建铁路隧道结构的安全。通过采用有限元仿真分析隧道下穿施工对既有线的影响，经过多次专家论证，决定该区段采用超前小导管、超前掏槽导洞、分步分块控制爆破、大刚度和强度初支进行支护、初支背后及时注浆加固等技术，其中，破除侵入地铁隧道内的铁路隧道围护桩，采用机械破除+人工凿除+控制爆破相结合的方法。

4.2 工艺流程

图4 施工工艺流程图

4.3 操作要点

4.3.1 超前支护

超前小导管施做时按照10°外插角进行布置打设。将原设计第二排40°超前小导管调整为外插角10°，与第一排小导管交错布置，以避免导管过高上扬碰着宁芜货线隧道底板。

4.3.2 破除围护桩

a）上台阶桩体破除。先施打拱部超前支护小导管注浆，然后采用人工风镐配合机械炮头破除上台阶桩，清理残渣，保留核心土。

b）架立上台阶钢架并喷混封闭。上台阶土体挖除，及时架立一榀型钢钢架。型钢钢架要与桩体预留筋进行焊接并挂网喷混封闭。

c）下台阶桩体破除。待上台阶挖进3～6 m后，采用弱爆破反头破除下台阶桩体。架设下台阶钢架与上台阶对应钢架连接。与桩体预留钢筋进行焊接并挂网喷混封闭成环。

4.3.3 开挖及支护

下穿段采用台阶法、弱爆破、短进尺开挖，为了让初期支护即时受力，地铁隧道初期支护中喷射混凝土强度等级提高到C25，将原格栅钢架调整为I22b型钢钢架，间距50 cm。若遇围岩破碎地带，钢架间距调至30 cm以确保支护强度。现场实施时，必须确保在每循环随挖随支。

通过爆破波形图（由解放军理工大学监控）及现场试验装药量分析，爆破施工中采用掏槽导洞超前、分部分块进行弱松动爆破，根据距离宁芜货线不同距离及监测数据确定最大一次齐爆药量，通过在开挖断面中心、周边及底板均设减震孔的方法，有效地控制了爆破震动对宁芜货线的影响。

鉴于后期宁芜货线运营动载对地铁的影响，二衬由300 mm厚加强至400 mm厚，同时配筋由φ22@150加强到φ28@150。加强段长度超出地铁结构与货线隧道边线15 m范围。

5 施工监测

5.1 监测项目及测点布置

为了掌握地层和洞室在施工过程中的力学动态，确保洞室的稳定和宁芜货线建筑物的安全，下穿段落在正常地表、地铁隧道拱顶下沉、净空收敛监控量测工作量情况下，另外：a）在宁芜货线隧道主体结构底板上布设沉降监测点，每20 m（或沉降缝处）布设一个断面，交叉区段向外两侧距离20 m、50 m、100 m位置各设一个断面，每个断面布设2个测点，共设19个断面，计38个测点；b）在宁芜货线隧道主体结构顶板、侧墙埋设收敛监测点，监测断面与沉降监测断面相同，每20 m布置一断面，交叉段两端各延伸一个监测断面，每个断面布设5个反射片，总计15个断面，计75个测点。监测点布置如图5。

图5 下穿宁芜货线段货线隧道监测点分布示意图

5.2 监测结果分析

5.2.1 沉降监测

宁芜货线隧道各沉降监测点累计沉降变化量见图6，部分累计沉降和差异沉降超警戒值。

图6 累计沉降图

沉降值超警戒值原因分析：

a)由于地铁隧道拱顶距宁芜货线底板距离较小，隧道开挖施工在围岩周围形成松弛圈，对宁芜货线框架结构底板下土体造成扰动，出现土体松散，强度降低。

b）原宁芜货线隧道明挖施工后，隧道结构周边土体之间存在空隙并有渗水，形成“水囊”。此现象特别明显，在开挖过程中宁芜货线下掌子面流水经常散发一股臭味。

c）原宁芜货线隧道明挖施工后，对隧道结构周边岩体有一定破坏作用，造成岩体较为松散。

d）由于宁芜隧道底板处于强风化粉砂岩层，该岩层遇水易软化，强度降低，导致宁芜隧道底板出现沉降。

以上原因综合导致宁芜货线框架出现较大沉降，而开挖影响范围外的框架结构沉降小，因此宁芜货线框架底板两侧形成差异沉降超警戒值。

后期通过采取注浆抬升措施，使沉降恢复到可控范围内，满足结构安全要求。

5.2.2 收敛监测

宁芜货线隧道内收敛控制值为5 mm。如图7，各收敛监测点累计变化量均未超警戒值。

图7 累计收敛变化图

5.2.3 裂缝监测

宁芜货线隧道内裂缝控制值为0.2 mm。通过统计各裂缝累计变化量均未超警戒值。

5.2.4 其他监测

a）结构主筋应力监测 监测区段范围内45个监测点的应力变化量较小，均未超±25 MPa。

b）空隙监测 未发现明显空隙。

6 结语

采用有限元仿真计算分析了新建地铁隧道下穿既有区间结构的安全性，在施工过程中进行多项目的现场监测。通过监测数据结果表明，施工中采用超前小导管、超前掏槽导洞、分步分块控制爆破、大刚度和强度初支进行支护、初支背后及时注浆加固等技术，其中，破除侵入地铁隧道内的铁路隧道围护桩，采用机械破除+人工凿除+控制爆破相结合的方法，保证了地铁隧道施工和已建铁路隧道结构的安全。