新建地铁线路对既有线路的变形机制探究

叶健波 叶涛

摘要：为探究新建线路施工对既有线路的各项位移演变规律，以期为后续复杂环境条件下地铁施工的风险把控、过程管理、施工监控量测等提供技术指导。以乌鲁木齐轨道交通工程为例，借助三维有限元软件，模拟了新建地铁线路穿越过程中典型危险施工工况，揭示了线路穿越过程沉降及水平变形动态演变规律。并基于此，提出了一套新建线路穿越施工过程风险把控技术要点。

关键词：新建线路 既有线路 变形机制 线路穿越 数值模拟

城市的飞速发展，地下铁路建设蓬勃发展，城市轨道交通已经进入了网络化运营时代[1]。在此环境下，不可避免遇到各类工程交叉现象[2]，由此衍生的施工风险不断提升[3]，已成为地下工程施工领域的施工技术难点。针对地铁及地下隧道穿越工程的施工风险把控，目前的研究多集中于风险的处理措施上，如：采用深孔注浆改善相关土体参数[4]、采用背后回填及补偿注浆技术控制沉降[5]、采用大管棚支护并运用交叉中隔壁法施工[6]等，均有效的降低了施工过程风险。但目前的研究往往忽略施工期间变形的动态演变过程，不区分工况间的差异性，采用同一措施对不同工况进行控制，即造成了大量工程浪费，处理不当往往造成二次风险。

基于此，结合既有工程背景，以三维模拟变形数值为基础提出一套风险把控技术要点，可为后续复杂地下工程穿越提供技术指导作用。

1工程概况

乌鲁木齐轨道交通2号线二期全长13.35km，起点为华山街，终点为机场东，共设车站6座。

其中乌鲁木齐2号线过国际机场站后于里程YDK33+990.382位置以约20°角斜向下穿既有1号线区间隧道，竖向最小净距约5.50m。下穿段区间采用上下台阶预留核心土法施工。

2场地地层岩性及水文地质条件分析

结合地勘资料，该工程区域不同土体物理力学性能如表1所示：

3数值模型分析

考虑施工过程的空间效应，对新建区间开挖区域和既有线结构进行三维实体建模。为确保三维模型有足够的计算精度并尽量减少收敛时间，对模型范围作出了一定的限定，南、北向宽度取200m，东西纵向宽度取300m；垂直方向上从地表以下取50m。

模拟工况如表2所示：

注：“右+20”表示右线开挖至既有线前20m，依次类推。

计算模型如图1所示：

4结果分析

左线上下台阶掘进至穿越既有区间正下方时，既有区间右线距离正下穿区约16m位置仰拱处沉降最大，为9.741mm，最大水平变形同样出现在此右线附近，为1.046mm。

5穿越过程风险把控要点

5.1施工措施建议

根据上述对既有线穿越过程变形动态演变过程分析，穿越既有线施工过程，应从以下几点控制其风险：

（1）对掌子面进行超前注浆加固同时加强初期支护，加固范围为穿越既有线范围前后各20m。

（2）加强对该段隧道的结构强度设计，施工与监控量测同步进行，对隧道围岩支护结构、围岩应力、地面沉降等加强监测，尤其是开挖过程中掌子面正上方地面沉降监测，确保施工过程敏感区域的沉降控制效果。

（3）施工中应通过超前地质预报，对不良地质作用及特殊岩土提前采取应对措施，通过施工过程中揭示的地质情况及时调整支护参数，提高风险把控意识，建立预警机制。

6结论

本文通过Midas/GTS模拟了三维施工工况下乌鲁木齐市轨道交通2号线二期工程穿越既有1号线施工竖直沉降及水平位移变形动态演变规律，得到的主要结论如下：

（1）乌鲁木齐穿越既有线竖直沉降及水平位移影响范围约为下穿段正下方前后5m，与穿越段结构竖向净距、土层信息及开挖方式等因素直接相关。

（2）穿越既有线施工过程中，既有线竖直沉降及水平位移均随开挖过程呈现反“Z”字形增大，竖直沉降变化速率较水平位移变化速率大，且同时在区间第一次正下方穿越过程时达到最大值。第一次穿越既有线造成的竖直沉降约占总沉降的2/5。

（3）区间二次穿越对既有线的竖向沉降及水平位移影响较小，由于二次穿越对既有线造成的竖向沉降约占总沉降的1/10。

（4）既有线路的最大水平及竖直变形均出现在开挖掌子面邻近既有线区域附近，与穿越段区间走向直接相关。

參考文献：

[1] 徐田坤.城市轨道交通网络运营安全风险评估理论与方法研究[D].北京交通大学，2012.

[2] 吴志坚.新建隧道密贴下穿既有地铁车站风险控制[J].铁道勘察，2013，39（01）：24-27.

[3] 曹振，雷斌，张丰功.黄土地区地铁下穿既有铁路的施工风险及其控制措施[J].城市轨道交通研究，2013，16（04）：49-53+76.

[4] 宫本福，李宏安，栾文伟.地铁暗挖隧道下穿莲花河及侧穿莲花河桥施工技术方法的研究[J].铁道勘察，2016，43（02）：61-67.

[5] 汪波，何川，夏炜洋.爆破施工新建地铁隧道与既有运营地铁的相互动力响应研究[J].中国铁道科学，2011，32（05）：64-70.

[6] 王联平.暗挖区间隧道下穿既有地铁施工技术[J].铁道建筑，2015（01）：98-102.

[7] 王斌.区间隧道下穿既有地铁车站的设计方案研究及施工技术分析[J].工程建设与设计，2016（11）：99-101+104.

（作者单位：中铁十一局集团有限公司1

中铁隆工程集团有限公司2）

作者简介：叶健波（1991—），男，2014年毕业于西南交通大学机械工程及其自动化专业，工学学士，助理工程师。