西安地铁侧坡出入段线上跨既有隧道施工影响分析

刘 淼

(北京安捷工程咨询有限公司， 北京 100037)



西安地铁侧坡出入段线上跨既有隧道施工影响分析

刘 淼

(北京安捷工程咨询有限公司， 北京 100037)

地铁近接施工安全影响是轨道交通建设所面临的重要问题，相关研究与分析对于现场施工及既有结构安全具有重要意义。以西安地铁6号线侧坡出入段线明挖上跨既有区间隧道为背景，通过对出入段线分块、分层开挖以及结构回填过程的数值模拟，得出明挖施工卸载再加载过程对下卧隧道的影响程度。计算表明，周边地层受明挖施工卸载再加载效应影响较为明显，总体变形表现为隆起抬升，最大隆起量出现在基坑底部，约为48.15 mm；下卧隧道受出入段线施工影响的最大隆起量为10.86 mm，结构差异变形量为0.008 9%，出现在右线隧道被上跨部分底部；隧道管片最大拉应力为2.13 MPa，最大压应力为4.92 MPa。隧道变形量满足结构安全要求，隧道结构应力远小于其设计强度，出入段线施工对下卧隧道影响较小。

西安地铁； 出入段线； 近接开挖； 影响性评估； 明挖法； 盾构隧道

0 引言

随着城市规模的扩大，地下轨道交通得到了长足的发展，地下线路之间近距离上跨或穿越的工程也日趋增多，地铁出入段线作为轨道交通线路的配套设施，不可避免地和主体线路存在交叉或重叠现象。在隧道交叠问题研究领域，通常情况下认为隧道下穿施工的难度系数及风险因子相对较大，因此，学者们对于暗挖或盾构下穿问题进行了深入分析并取得了大量的研究成果[1-3]；隧道上跨施工风险则相对较小，然而其结构间在施工扰动影响范围、受力模式转换等方面与下穿施工存在根本性的不同。刘明高[4]针对新采隧道近距离上跨既有铁路隧道工况，分别计算了明挖、放坡开挖等工法对周围地层及既有隧道的影响，认为开挖回填引起既有隧道呈现先隆起后沉降的变形规律；赵炜[5]通过对明挖隧道近距离上跨盾构隧道的模拟计算，同样得出明挖卸载易造成基底隆起及盾构隧道上浮等问题；李红丽[6]分析了明挖隧道上跨既有地铁区间的地层变形规律，认为二者交叉位置为最不利位置，并指出计算参数的选取值得深入探讨。前人的研究成果为隧道明挖上跨问题研究提供了参考，但由于地层条件的差异以及上跨型式的不同，甚至计算过程及材料应力应变模式也不尽相同[7-9]，因此，明挖上跨问题仍需深入研究。

本文以西安地铁出入段线上跨盾构隧道工程为例，采用邓肯-张非线性弹性理论研究土体卸载回弹效应，通过三维数值模拟计算，动态分析明挖区间在开挖及回填过程中对既有隧道以及周边地层的影响规律，根据计算结果指导监控量测标准并提出其他合理化建议。

1 工程概况

西安市地铁六号线一期工程自南客站出发，沿西太路向北，经锦业路、唐延路和高新路，终于劳动南路站，于西太路附近设侧坡车辆段。侧坡车辆段出入段线起迄里程CK0+27.45～CK1+210，由纬三十二街引出，沿西太路向南行进，如图1所示。

图1 侧坡出入段线上跨区间隧道位置平面图

Fig. 1 Relationship between access section of Metro Line No. 6 and shield tunnels

区间CK0+000～+930段线路位于地下，余段经由U型槽逐渐开口至地面标高。出入段线上跨区间右线隧道部分埋深13.6 m，出入段线与正线右线隧道间距为10 m，如图2所示。

图2 出入段线垂直上跨区间隧道位置横断面图(单位：mm)

Fig. 2 Cross-section showing relationship between access section of Metro Line No. 6 and shield tunnels (mm)

出入段线采用明挖顺作法施工，明挖框架围护结构采用排桩+内支撑的型式，排桩根据基坑深度不同，分别采用φ800 mm@1 100 mm、φ800 mm@1 200 mm钻孔灌注桩+桩间挂网喷射混凝土支护。

2 计算要点

2.1 计算模型

为分析侧坡车辆段出入段线明挖施工对侧纬区间(侧坡车辆段—纬三十二街站)盾构隧道结构安全性的影响，针对出入段线上跨区间隧道的结构建立数值模型，按照具体的施工工序进行模拟，计算并分析出入段线开挖卸载与结构施作回填再加载过程对区间隧道的影响。

计算模型共划分了18 400个实体单元，不同的土层采用不同的材料参数模拟，回填部分根据实际结构重度等效换算出回填单元的密度。模型中的土体采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型，明挖围护结构及盾构管片采用线弹性模型，计算过程中考虑土体加载模量与卸载模量的区别。模型尺寸长120 m，宽98 m，高48.906 m。模型侧面和底面为位移边界，模型顶面为自由边界，底面采用固定约束，侧面采用法向约束，见图3。由于出入段线采用明挖法施工且周边较为开阔，无重要建构筑物，计算荷载仅考虑结构自重、土体竖向自重力等载荷。

图3 计算模型的网格划分图

2.2 盾构掘进施工计算流程

参考设计单位提供的施工工序，对于盾构推进的过程采用步进式推进，每次前进的长度约为1个衬砌单元的宽度，采用“刚度迁移法”[10]来反映盾构向前推进的过程，盾尾及时变换衬砌单元的材料参数。盾构对掌子面的顶进压力采用等效的梯形分布应力代替，应力大小按照其所处地层深度等效换算。盾构每推进一步即重复上述过程，包含改变相应单元的材料参数、位移边界条件和载荷边界条件等，盾构模拟流程如图4所示。

2.3 出入段线明挖模拟

出入段线施工对于周边环境的主要影响体现在其开挖卸载、结构施作以及覆土回填过程中的再加载2个方面，结合本评估的主要目标，在计算过程中对于明挖基坑的结构细节予以简化，如图5所示。

图4 盾构掘进计算流程图

图5 明挖及回填的模拟方案

2.4 地层开挖卸载模量确定

土层的弹塑性特征使其在加载及卸载条件下表现出明显的变形差异，其卸载变形特征可采用邓肯-张理论中卸载模量计算公式

(1)

式中：pa为标准大气压； σ3为地层最小主应力； kur、n为土性参数，可通过实验数据或工程类比确定[11-13]。

2.5 计算参数

计算严格采用实际地层参数，场地地层包含填土(厚约2m)、黄土状土(厚约6.6m)、粉质黏土Q4al+pl(厚约6m)、粉质黏土Q3al+pl(厚约13.4m)和粉质黏土Q2al+l(厚约15.5m)共5层地层，考虑上述土层间夹有粉细砂或中砂，地层局部软塑，以及综合其他不利因素，根据勘察资料中提供的参数做出一定的折减，盾构管片及明挖围护结构参数取自设计文件，具体计算参数如表1所示。地层土性参数参考本地区经验[8,13]，不再区分具体土层，统一取kur=1 035.00kN/m2，n=0.89。

表1 地层及隧道材料参数

注：*为弹性模量。

3 明挖施工对既有隧道影响分析

3.1 盾构施工引起地层变形分析

本计算的盾构施工由侧坡站端头开始，左侧隧道施工完毕之后再施工右侧隧道，模型在盾构隧道施工后的位移云图如图6所示。

图6 盾构隧道施工完毕后的沉降云图(单位：m)

由图6可知，受隧道盾构施工的影响，隧道上方的土体出现了较为明显的沉降，土体沉降值随与隧道的水平距离增加而减小，沉降影响范围约为2～3倍隧道直径。盾构施工产生的沉降在管片上部最为明显，最大值约为8.99 mm，地面沉降在2～4 mm；管片下部土体表现为隆起变形，最大隆起量为6.14 mm。从云图特征可以看出，由于2隧道距离较远，隧道施工过程中的相互影响不大。

3.2 明挖施工引起地层变形分析

出入段线明挖施工由纬三十二街站向侧坡车辆段推进，参照分段、分层开挖模式，区间结构及回填土体采用等效质量原则进行近似模拟，明挖上跨区间隧道时的地层位移云图如图7所示。

由图7可知，基坑明挖卸载对周围地层的影响十分显著。明挖各台阶的隆起量随着深度增加逐渐增大，回填土的沉降量也较邻近地层有明显的差异。在整个明挖推进过程中，开挖端头由于卸载效应表现为基底隆起，回填部分存在堆载反压效应，回填土对地层隆起起到抑制作用，但回填土力学性能较差，其压缩变形较为明显。

图7 开挖面及回填区域沉降云图(单位: m)

Fig. 7 Nephogram of settlement of excavation face and backfilled area (m)

出入段线开挖且回填完毕时的地层沉降如图8和图9所示，出入段线施工总体上对于原有地层是一种卸载作用，在基坑底部隆起量最大，最大隆起量为48.15 mm，回填土的沉降变形较为明显，最大沉降为108.64 mm。

图8 回填施工后的总体沉降云图(单位：m)

Fig. 8 Nephogram of total settlement after backfilling construction (m)

3.3 盾构隧道结构变形及应力分析

出入段线明挖施工对周围地层的变形影响较为明显，周围地层根据其空间位置的不同分别表现出隆起或沉降，因此区间隧道也随之产生相应的变形，明挖施工前后的区间隧道沉降变化情况如图10所示。

由图10可知，区间隧道在明挖施工完毕后的最大沉降变形为9.15 mm，出现在左线隧道顶部位置；最大隆起量为10.21 mm，出现在右线隧道底部位置。区间隧道受出入段线施工影响总体出现了隆起变形现象，其中右线隧道(被上跨部分)的隆起尤为明显，明挖施工前后隆起变形量最大可达10.86 mm，结构差异变形量为0.008 9%，远小于盾构隧道管片差异变形控制值标准0.04%[14]，隧道结构变形量满足结构安全要求；左线隧道竖向位移变化量在3 mm以内，最大沉降量为0.46 mm，变形量相对较小。

图9 回填施工后上跨部位沉降云图(单位：m)

Fig. 9 Nephogram of settlement of overlapping section after backfilling construction (m)

(a) 明挖施工前隧道沉降云图

(b) 明挖施工后隧道沉降云图

(c) 明挖施工对隧道沉降的影响

明挖施工完毕后区间隧道的主应力云图如图11所示。

(a) 最大主应力

(b) 最小主应力

由图11可以看出，管片结构最大主应力的分布受空间位置以及管片弯矩影响出现在管片内外表面，其压应力最大值为4.92 MPa，拉应力最大值为2.13 MPa。结合主应力的计算结果可知，管片结构受到的最大主应力水平在5 MPa左右，远低于该标号(C50)钢筋混凝土管片的拉压强度[15]，因此隧道结构是安全的。

4 结论与建议

根据新建西安地铁6号线侧纬区间、侧坡车辆段出入段线的设计资料及相关施工方案，建立了整体三维地层-结构模型，考虑地层加载模量与卸载模量的差别，通过对先行施工的侧纬区间主线隧道的变形及应力分析，确定出入段线明挖上跨施工影响下的结构安全性，主要结论如下：

1)区间隧道施工对周围地层的影响表现为其上部地层沉降以及下部地层的抬升，盾构施工的地表沉降量在2～4 mm，2区间隧道由于距离较远，相互影响不明显。

2)周边地层受明挖施工的加卸载效应影响较为明显，总体变形表现为隆起抬升，其隆起量最大值出现在明挖基坑底部，周围地层对区间隧道产生连带效应，隧道受影响程度随着距离开挖断面的远近存在差异。

3)先行施工的侧纬区间隧道结构受出入段线明挖上跨施工的影响，其最大沉降量为0.46 mm，出现在左线隧道；最大隆起量为10.86 mm，结构差异变形量为0.008 9%，出现在右线隧道被上跨部分底部，隧道变形量满足结构安全要求。区间隧道结构最大压应力为4.92 MPa，最大拉应力为2.13 MPa，应力水平远低于管片材料的结构强度，管片结构是安全的。

4)根据计算结果，基坑开挖引起的自重应力损失是其影响程度的关键，因此，建议施工过程中应严格控制开挖进尺，及时施作后续结构并回填恢复，尽量缩短地层载荷不均衡的时间，计算成果可作为施工监控量测标准的参考。

本文以新建明挖隧道上跨既有隧道为背景，研究了地层加卸载过程对既有线路的影响规律，相关成果可作为类似上跨型交叠施工的参考与借鉴。由于相关条件限制，文中尚有部分内容不尽完善，如土性参数取值和计算模型的精细程度等，有待后续工作的改进与补充。

[1] 徐干成,李成学,王后裕,等. 地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析[J]. 岩土力学,2009,30(增刊2): 269-272,276.(XU Gancheng, LI Chengxue, WANG Houyu, et al. Analysis of influence of Metro shield tunneling crossing underneath high speed railway[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(S2): 269-272,276.(in Chinese))

[2] 何川,苏宗贤,曾东洋. 地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响[J]. 土木工程学报,2008,41(3): 91-98.(HE Chuan, SU Zongxian, ZENG Dongyang. Influence of Metro shield tunneling on existing tunnel directly above[J]. China Civil Engineering Journal,2008,41(3): 91-98.(in Chinese))

[3] 朱正国,黄松,朱永全. 铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规律和控制基准研究[J]. 岩土力学,2012,33(2): 558-563,576.(ZHU Zhengguo, HUANG Song, ZHU Yongquan. Study of road surface settlement rule and controlled criterion for railway tunnel undercrossing highway[J]. Rock and Soil Mechanics,2012,33(2): 558-563,576.(in Chinese))

[4] 刘明高. 新建隧道近距离上跨既有铁路隧道方案分析与研究[J]. 现代隧道技术,2012,49(5): 79-84.(LIU Minggao. Analysis and research of a new tunnel over-passing an existing railway tunnel with short distance[J]. Modern Tunnelling Technology,2012,49(5): 79-84.(in Chinese))

[5] 赵炜. 明挖法隧道近距离跨越既有盾构隧道施工技术[J]. 市政技术,2009,27(3): 284-286.(ZHAO Wei. Tunneling techniques of open cut in close quarters for step over an existing shield tunneling[J]. Municipal Engineering Technology,2009,27(3): 284-286.(in Chinese))

[6] 李红丽. 明挖隧道近距离上跨地铁隧道的影响分析[J]. 土工基础,2012,26(3): 40-42,87.(LI Hongli. Analysis of the impact of a cut and cover tunnel construction over the subway[J]. Soil Engineering and Foundation,2012,26(3): 40-42,87.(in Chinese))

[7] 万飞,谭忠盛,陈岩. 新建隧道近距离上跨既有线施工方案研究[J]. 北京交通大学学报,2013,37(1): 40-45.(WAN Fei, TAN Zhongsheng, CHEN Yan. Research on construction program of new tunnel passing above existing tunnel at a short distance[J]. Journal of Beijing Jiaotong University,2013,37(1): 40-45.(in Chinese))

[8] 刘新龙,符敏,付强. 黄土盾构施工对周围土体变形的影响[J]. 路基工程,2007(6): 59-60.(LIU Xinlong, FU Min, FU Qiang. Impact of loess shield construction on surrounding soil mass deformation[J]. Subgrade Engineering,2007(6): 59-60.(in Chinese))

[9] 胡学兵,胡居义. 明挖隧道上跨运营轨道隧道施工安全影响研究[J]. 地下空间与工程学报,2015,11(1): 178-183,258.(HU Xuebing, HU Juyi. Study of effect of cross open-cut tunnel excavation on safety of railway tunnel below[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2015,11(1): 178-183,258.(in Chinese))

[10] 王敏强,陈胜宏. 盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J]. 岩石力学与工程学报,2002,21(2): 228-232.(WANG Minqiang,CHEN Shenghong. Three-dimensional non-linear finite element simulation of tunnel structure for moving-forward shield[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(2): 228-232.(in Chinese))

[11] 胡其志,何世秀,杨雪强. 基坑开挖基底隆起的估算[J]. 土工基础,2001,15(2): 29-30,42.(HU Qizhi, HE Shixiu, YANG Xueqiang. Estimation of the upheaval of foundation pit bottom during excavation[J]. Soil Engineering and Foundation,2001,15(2): 29-30,42.(in Chinese))

[12] 刘淼,王芝银,张如满,等. 基于强夯实测夯沉量的地基变形模量反演分析[J]. 力学与实践,2014,36(3): 313-317.(LIU Miao, WANG Zhiyin, ZHANG Ruman, et al. Back calculation methods for deformation modulus based on settlements in dynamic compaction[J]. Mechanics in Engineering,2014,36(3): 313-317.(in Chinese))

[13] 许萍,邵生俊,张喆,等. 真三轴应力条件下修正邓肯-张模型的试验研究[J]. 岩土力学,2013,34(12): 3359-3364.(XU Ping, SHAO Shengjun, ZHANG Zhe, et al. Experimental study of modified Duncan-Chang model under true triaxial stresses[J]. Rock and Soil Mechanics,2013,34(12): 3359-3364.(in Chinese))

[14] 城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.(Code for monitoring measurement of urban rail transit engineering: GB 50911—2013[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2013.(in Chinese))

[15] 建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.(Code for design of building foundations: GB 50007—2011[S]. Beijing: China Architecture & Building Press,2011.(in Chinese))

由中铁隧道集团施工的“极高风险隧道”

——兰渝铁路木寨岭隧道贯通

2016年7月18日16：00，经过中铁隧道集团90个月的艰苦奋战，“极高风险隧道”——兰渝铁路木寨岭隧道成功贯通，标志着我国在攻克世界级隧道施工难题——极高地应力软岩大变形隧道施工方面取得了重大突破。兰渝铁路是渝新欧国际铁路的重要组成部分，是连接中国西南、西北之间最便捷、快速的通道。全线控制工程木寨岭隧道全长19.1 km，为双洞单线分离式特长隧道，该隧道所经地区地质条件极其复杂，共经过包括区域性大断层在内的11条断裂带，所属区地震基本烈度达到7°，高地应力软岩地段占全隧长度的84.5%，最大地应力27 MPa，处于极高地应力区域。

木寨岭隧道被国内外专家称为“国内之最，世界罕见”的“极高风险隧道”，不但变形大，而且变形快，地质流变性强，极易坍塌，为全线唯一动态设计、动态施工的隧道项目。

为解决这一世界级难题，由中国铁路总公司工程管理中心牵头，组织建设、设计、施工、监理单位成立了“五位一体”现场工作组，强化科技攻关，先后多次邀请地质和隧道界专家、院士召开技术方案论证会，实地研究建设方案，并开展了超前应力释放、支护措施攻关和拱架拆换等工作。

中铁隧道集团及时组建经验丰富的管理和科技人员组成的工作组，常驻现场帮扶，发挥整个集团的施工优势，推动木寨岭隧道的施工进展。

经过参建各方的共同努力，最终采用全国独有的“小导洞应力释放+三层支护+长锚索+单层衬砌”的兰渝铁路“木寨岭模式”推进隧道建设，有效控制了极高地应力软弱围岩条件下的隧道大变形问题。

为确保运营安全，木寨岭隧道贯通后结合当前地质特点和隧道内变形情况，后续正在持续开展拱架拆换及克服缺陷等工作，任务依然艰巨。

(摘自 中铁隧道股份有限公司微信公众平台)

Analysis of Influence of Construction of Access Section of Xi’an Metro on Existing Shield Tunnels

LIU Miao

(AGILETECHEngineeringConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100037,China)

The study of influence of Metro construction on existing structures is very important. Numerical simulation is made on portioning excavation and structural backfilling of access section of Xi’an Metro Line No. 6 crossing above existing shield tunnels. The influence of unloading and reloading induced by open cut construction of the access section on lower shield tunnels is studied. The calculation results show that: 1) The influence of unloading and reloading induced by open cut construction of the access section on surrounding soils is obvious; the soils tend to uplifting and the maximum uplifting occurs to foundation pit base for about 48.15 mm. 2) The maximum uplifting of lower right line shield tunnel is 10.86 mm; and the differential deformation of structure is 0.008 9%. 3) The maximum tensile strength and compressive strength of tunnel segment are 2.13 MPa and 4.92 MPa respectively. The results show that the deformations and stresses of the tunnels can meet the safety requirements.

Xi’an Metro; access line; adjacent excavation; influence assessment; open cut method; shield tunnel

2016-01-26;

2016-03-17

刘淼(1988—)，男，河南南阳人，2014年毕业于中国石油大学(北京)，工程力学专业，博士，工程师，现从事地铁施工、隧道施工安全风险咨询工作。E-mail: flygogo@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.009

U 459.3

A

1672-741X(2016)07-0826-06