浅埋大跨隧道平行下穿既有地下商业街施工技术研究

谢勇涛

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

浅埋大跨隧道平行下穿既有地下商业街施工技术研究

谢勇涛

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

新乡市平原路隧道为双向4车道，下穿既有建筑物610.55 m，与既有建筑物底板净距仅2.0～4.5 m，属浅埋大跨隧道下穿既有建筑物工程，施工难度非常大。根据工程类比，提出了分离式、双连拱和双孔矩形等隧道断面形式，通过数值模拟分析既有建筑物受影响的规律，最终确定采用双孔矩形隧道，CRD法施工，并提出了双孔矩形隧道的优化方案：双孔矩形隧道与地下商业街紧贴，充分利用商业街作用，施工中辅以适当范围的超前注浆措施，但设计参数不宜过高，否则不但施工中难以实现，而且对提高加固控制变形的效果不明显。研究成果可为其他类似工程设计提供一定的借鉴。

浅埋；大跨；隧道；既有建筑物；下穿施工；沉降控制

0 引言

随着城市快速交通的发展和地下空间的开发应用，城市地下工程的网络化建设成为一种趋势。网络化建设必然会引起新建结构与既有建筑物的交叉，新建隧道近距离或者零距离下穿既有建筑物的工程案例比比皆是。为了保证既有建筑物的结构和运营安全，施工过程中必须严格控制既有建筑物的沉降。

目前，城市隧道近距离下穿地下构建筑物一般为正交或大角度斜交，文献［1-5］主要介绍了通过大管棚超前支护及抬升注浆等措施进行下穿工程的施工技术和沉降控制案例；文献［6-7］主要介绍了地铁零距离下穿既有建筑物，采用全断面注浆、矩形隧道断面、CRD法开挖并在侧壁及中隔壁设置千斤顶的施工方案控制既有结构沉降；文献［8-9］主要介绍了隧道下穿既有建筑物采用桩基托换及加固处理的方法来控制既有建筑物沉降。目前，城市隧道近距离下穿既有构建筑物采用超前管棚、顶进法及桩基托换等施工方案比较成熟，但国内对于零距离下穿既有建筑物的研究不多，尤其是长距离下穿工程。新乡市新建平原路隧道工程下穿610.55 m的温州地下商业街，受隧道两端接线影响，下穿隧道的埋深只能与地下商业街近距离布置，如此高难度长距离的下穿工程，国内尚无先例，隧道施工时对温州地下商业街的结构安全影响较大，为确保施工安全和温州商业街的结构安全，降低工程风险，主要从下穿隧道断面型式和施工工法方面入手，零距离下穿，以减少对温州商业街的影响。

1 工程概况

根据新乡市总体规划和人防规划的要求，新建新乡市平原路隧道工程沿城市主干道平原路敷设，东起劳动街东侧，西至西华大道与高村路交叉口东侧，道路全长2 903 m，其中隧道共长2 782 m，位于地下2层，双向4车道，设计时速40 km/h，并建设地下1层商业街1 km及相关设施。下穿温州商业街隧道纵断面为+0.3%、-0.3%的人字坡，新建隧道拱顶距既有商业街底板约2.5 m，商业街顶板距平原路路面1.6 m，隧道穿越地层主要为粉土夹粉质黏土，褐黄色，湿，中密-密实，摇震反应中等，无光泽反应，低干强度，低韧性，砂粒含量稍高，具锈染，局部夹薄层粉质黏土。平原路隧道工程需下穿既有温州商业街、新乡火车站站房及站场等设施，工程建设环境极其复杂［10］。

温州地下商业街位于劳动街至胜利街段，为既有建筑物，该商场基础为筏板基础，主体主要采用钢筋混凝土无梁楼板结构，东西总长610.55 m，南北总宽52 m，基础埋深约-7.52 m，高5.75 m，底板厚50 cm，边墙30 cm，顶板45 cm。平原路隧道位于地下2层，双向4车道隧道下穿既有温州商业街610.55 m，下穿隧道与温州地下商业街的相对关系见图1。

图1 隧道与既有建筑的关系（单位：mm）Fig.1 Relationship between the tunnel and existing structure（mm）

2 隧道断面形式优化

新乡隧道下穿商业街工程，由于地下1层既有商业街的存在，且商业街610.5 m，平行下穿，施工难度很大，所以施工中要严格控制沉降量，保证商业街结构安全，同时又经济合理地确保隧道的安全贯通。主要采用分离式、双连拱和双孔矩形等不同隧道断面形式的隧道方案，模拟计算了不同情况下隧道施工的力学效应。分别就这3种工况进行对比分析，主要包括洞周、商业街基础底板以及地表位移分布的演变规律；隧道初期支护的最大主应力和最小主应力的大小和分布；商业街结构的应力变化规律，通过对上述数据项的总结，结合经济合理的因素，最终确定隧道下穿的最优断面形式。

2.1 数值模拟

为了探寻不同施工步骤土体的位移规律，发现施工主要控制点，建立三维有限元模型能较好地模拟隧道开挖。分别对隧道断面采取双连拱隧道、双洞分离式隧道和整体式双孔矩形隧道断面进行数值模拟比较分析，具体模型如图2—4所示。

图2 双连拱隧道三维计算模型Fig.2 3D calculation model of double-arch tunnel

图3 分离式隧道三维计算模型Fig.3 3D calculation model of separate twin tube tunnel

图4 双孔矩形隧道三维计算模型Fig.4 3D calculation model of twin-tube rectangular tunnel

考虑到隧道开挖对围岩初始地应力的影响范围，为减少其影响，模型计算范围的左右边界距隧道中心线距离约为5倍洞径，指定y的正方向为开挖方向，竖直向上为z轴正向，隧道掘进横断面向右方向为x轴正向，隧道计算模型采用ansys建立，模型建好后导入FLAC3D进行计算。初期支护喷射C25混凝土，厚度为30 cm，开挖工法采用CRD法，先开挖左侧隧道，右侧隧道开挖晚于左侧12 m，超前管棚采用外径159 mm，厚15mm，施作管棚工作室，一次性打设120m，管棚内加设钢筋笼并注水泥双液浆，整个加固圈厚度为3 m，整个计算模型在x，y，z 3个方向上的尺寸为130 m×50 m×60 m，除地表为自由边界外，其他模型边界均施加法向约束，另外在地表x＝-13 m和x＝13 m范围内施加竖直向下、大小为-20 kPa的车辆荷载，具体参数见表1和表2。

表1 计算输入支护参数Table 1 Support parameters input for calculation

表2 计算输入土层参数Table 2 Strata parameters input for calculation

2.2 计算结果分析

计算过程中对既有结构采用大管棚超前支护和无超前支护2种工况进行计算。施工过程中既有结构沉降、地表沉降、隧道沉降及应力分析等计算结果如表3和表4所示。

隧道的超前加固范围主要是拱部180°及商业街底板与隧道顶之间的土柱，它是影响结构变形大小的最重要因素，也对商业街底板沉降和隧道拱顶沉降等位移值有着明显的作用。同时从对比数据中可以看出，超前支护加固土层的方法，比较适用于分离式和双孔矩形隧道，尤其是分离式隧道，加固效果较好，可相对有效地控制和降低变形量的发生；而超前加固土层对于双连拱隧道来说，效果不理想，既有商业街结构底板与隧道顶间的土柱超前加固前、后其结构的变形量相差不大，并且超前加固措施会增加人力物力和财力的投入，从这个角度来看，下穿隧道在双连拱断面形式下进行超前支护的加固措施是值得商榷的。

在三者均能满足变形要求的情况下，CRD法施工简单，理论成熟，而双连拱隧道施工断面大，工序多而复杂，相关控制标准多，控制难度大，对地表的影响范围广，地层扰动性大，对工程的投资和对工期的控制十分不利。从这些方面来看，双连拱断面劣势明显，故可放弃该方案。

对于在超前支护下施工的分离式断面和双孔矩形断面的比较，主要从隧道开挖所产生的商业街结构应力和隧道初支应力的角度加以筛选，由表4可以看出，在最大主应力和最小主应力上，双孔矩形隧道均小于分离式隧道，且均在结构承受的范围之内，低于混凝土的抗压强度值，可有效防止大应力的产生，确保商业街结构不被破坏和隧道初期支护正常的发挥应有的作用。双孔矩形断面相对于分离式断面来说，开挖面积和地层扰动范围更小，施工简单，更有利于控制工程投资和减小地层的位移，性价比更高。

表3 施工沉降表Table 3 Displacement table mm

表4 应力汇总表Table 4 Stress summary table MPa

综上所述，经过数值计算及工程实践对比，得出如下结论：

1）3种方案均能满足地表沉降及既有商业街结构安全，满足监控标准；

2）商业街底板与隧道顶间的净土柱地层对结构的变形影响最大；

3）最终比选出的施工方案是采用双孔矩形紧贴商业街底板，CRD法施工，并在隧道拱腰以上周围3 m的部位施作超前支护用来加固原地层。

3 双孔矩形隧道施工优化

虽然双孔矩形隧道方案较优，能有效控制地表及既有结构沉降，保证既有结构的安全，但地表下沉和结构的变形量仍相对比较大。就目前来说，国内对隧道下穿工程引起的沉降控制标准尚未统一，大多数工程是根据类似工程的施工经验和相关专家的意见，将地表沉降量的标准定为不大于30 mm。在此标准下，双孔矩形隧道施工方案地表沉降量已达到了27.2 mm，十分接近30 mm的上限值，这就对建筑物的安全产生了巨大的隐患。因此有必要在双孔矩形施工方案的基础上，讨论是否有优化的可能性，以达到降低沉降、控制变形的目的。

3.1 方案优化比选

矩形隧道施工方案中，隧道拱顶距地下商业街底板之间约2 m土柱，施工过程中该段覆土层中部分区域已达到塑性破坏的状态，力学性能变差，易发生大的变形，故在优化方案中，考虑“去掉”这部分覆土柱，即不再进行大管棚的超前加固，直接将双孔矩形隧道拱顶紧贴商业街底板。

另外，在双孔矩形隧道方案中，中间土柱采取超前加固措施，按加固后土层弹性模量提高为原土层的2.7，3，3.5倍，即弹性模量为73，81，94.5 MPa 3种不同加固参数方案。在上述4种工况下，分析隧道开挖后所引起的拱顶沉降、结构底板沉降和地表沉降量的大小，以评判优化方案及提高土层加固参数的合理性。

3.2 计算模型

为了达到对比的效果，计算参数、开挖歩序、加载大小和监测点布置均不变，故不再赘述。优化方案中，地下商业街底板与矩形隧道拱顶结构间采用接触面连接，优化方案的三维计算模型如图5所示。

图5 优化方案三维计算模型Fig.5 3D calculation model of optimized proposal

3.3 计算结果分析

3.3.1 拱顶沉降分析

拱顶最终沉降量如表5所示。

表5 拱顶最终沉降量对比表Table 5 Comparison of final crown settlement mm

由表5看出，不同的加固参数下，隧道拱顶变形规律基本保持一致，并且随着加固参数的提高，拱顶沉降量逐渐减小，但变形量仅有2～4 mm的降低，加固参数的提高对于拱顶沉降减小作用不明显。采用超前加固处理后的隧道整体变形远大于优化方案下的隧道变形。3.3.2 商业街底板沉降分析

底板沉降量对比如表6和图6所示。

表6 底板最终沉降量对比表Table 6 Comparison of final floor settlement mm

图6 地表沉降对比曲线Fig.6 Curves of ground surface settlement

由表6看出：

1）优化方案下的商业街底板沉降量有显著的降低，仅为加固方案沉降量的28%～31%。3种加固参数下，随着加固参数不断的提高，结构底板变形量逐渐会有小幅度的降低，但三者差距很小，加固方案3相比加固方案1仅减小9%。

2）商业街底板的整体变形均是比较平缓，没有出现较大的不均匀沉降。但优化方案沉降曲线更为平缓，有利于发挥结构底板整体的刚度，避免产生大的不均匀沉降，避免出现开裂状态，对商业街的正常运行提供了保证。

3.3.3 地表沉降分析

对于城市隧道工程来说，地表沉降量是一项重要的监测项目，隧道处于市中心，路面交通繁忙，车辆建筑物众多，地表环境极其复杂，因此，其量值的大小对整个工程的成功与否起着关键的作用，而施工中应严格控制地表沉降，尽量减小对地表既有建筑物的扰动，确保隧道顺利贯通。

通过对图6分析发现，就对地表的影响范围来说，优化方案和3种不同参数加固土柱方案相差不大，隧道轴线40 m以外的范围几乎没有沉降的发生，但优化方案的地表沉降量较超前加固方案大幅降低，同时优化后各点的沉降值差距不大，沉降槽更为平缓，宽度范围也变小，降低了因不均匀沉降而导致的地表建筑物出现裂缝直至破坏的风险，避免了路面结构被剪裂等危害的发生，不但有利于保证地上交通的顺畅，更重要的是确保了既有建筑物的结构安全。

3.4 小结

1）通过对不同施工方案和不同加固参数下的隧道拱顶沉降、商业街底板沉降和地表沉降的对比分析，无论是从控制隧道变形还是从减小对既有地下商业街和地表建筑物影响的角度来看，优化后的方案都远远优于超前加固方案，不但大幅度降低了因开挖引起的结构物的变形量，避免了不均匀沉降的发生，而且值得注意的是，在优化方案下，无需超前支护等加固措施，节约了工程成本，缩短了施工工期，降低了施工难度。

2）适当提高土层强度，可相对有效地控制隧道变形，降低结构因沉降而引起开裂的可能性，在一定程度上增加了隧道和既有结构的安全性，但当强度提高到一定范围时，隧道和结构等的变形量降低很缓慢，整体上看差距几乎可以忽略不计。并且过大的提高计算时的加固参数，其土层预计的强度在实际施工中也是很难达到的。所以，就本工程来讲，为良好地控制变形，仅依靠超前加固措施提高土层强度，是不可行的。

3）隧道与地下商业街紧贴施工，隧道拱顶上方是商业街混凝土底板，力学性能好，弹性模量高，隧道是在上部有混凝土底板的情况下开挖；隧道与商业街留有2 m的土柱时，隧道是在上部存有覆土的情况下开挖，土层土质软，力学性能差，弹性模量低，即使在施作大管棚超前支护的情况下，虽然会提高土层性能，但是由于注浆的局限性，无法达到完全密实的注浆效果，该区域内土体很难连接成一个整体，因此注浆后土层的力学性能较混凝土底板来说仍有较大差距；当初始地应力平衡后，由于隧道开挖，地应力发生变化，在变化过程中，相同的受力状态下，弹性模量高的会比弹性模量低的应变小，混凝土底板的变形量肯定会明显小于质地较软的中间覆土层。

4 结论与建议

结合新乡市平原路隧道下穿地下1层610.55 m既有商业街这一工程实例，通过数值计算及相关类似工程调研，得到了合理的施工方案，充分保证了既有结构的安全，研究得到以下结论：

1）新乡市平原路隧道大距离、大跨度下穿610.55 m既有商业街工程，国内尚属首例，研究的必要性至关重要。

2）根据本工程案例的实际情况，对比分离式隧道、双连拱隧道和双孔矩形隧道3种施工方案，双孔矩形断面相对于分离式断面和双连拱断面，开挖面积和地层扰动范围更小，施工简单，更有利于控制工程投资和减小地层的位移，最终确定施工方案是采用双孔矩形横断面，CRD法施工，并在隧道拱腰以上周围3 m的部位，施作超前支护用来加固原地层。

3）针对双孔矩形隧道施工方案施工变形量与控制标准上限较为接近、工程安全系数低等问题，提出优化方案，优化内容包括：①将双孔矩形隧道与地下商业街紧贴，充分利用商业街作用，控制沉降量，减小对地表的扰动性，提高建筑物的安全度；②施工中应注重加固参数的选取，在适当的范围内对相应土层进行加固，当设计参数达到原有土层强度的3～4倍时，不但施工中难以实现，而且加固控制变形的效果不再明显。

4）本工程零距离平行下穿既有建筑物（610.55 m）尚处于研究阶段，后续还需通过工程实践加以验证。

5）通过本工程的实践，也为其他类似工程设计提供了一定的借鉴，在中、细砂不良软弱地层，沉降控制严格的工程，必须采取多方案数值模拟与实践相结合，主动采取相应的措施来保证工程安全、顺利完成。

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Study on Construction Technologies for Shallow-covered Large-span Tunnel Running Underneath along Existing Underground Commercial Street

XIE Yongtao

（China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Beijing 102600，China）

Pingyuanlu tunnel in Xinxiang is a four-lane shallow-covered tunnel running underneath along existing underground commercial street for 610.55 m.The clearance between the tunnel and the floor slab of the existing structure ranges from 2.0 m to 4.5 m.Three proposals，i.e.，separate twin tube tunnel，double-arched tunnel and double-span rectangular tunnel，are proposed for the project.The influence of the tunneling on the existing structure is analyzed by means of numerical simulations and it is determined that the proposal of double-span rectangular tunnel should be adopted.The double-span rectangular tunnel is to be constructed by CRD method and the proposal is optimized in the following aspects：the double-span rectangular tunnel clings to the existing structure so as tomake full use of the existing structure；advance grouting in appropriate range shall be made during tunneling；the design parameters should not be too high，otherwise they cannot be realized during tunneling，and they are not so efficient in controlling the deformation.The study result can provide reference for the design of other similar works in the future.

shallow cover；large span；tunnel；existing building；underneath crossing；settlement control

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.008

U 455

A

1672-741X（2015）03-0238-06

2014-11-10；

2014-12-31

谢勇涛（1974—），男，湖南武冈人，1996年毕业于西南交通大学，隧道与地下工程专业，硕士，高级工程师，现主要从事隧道设计工作。