盾构隧道始发段上跨穿越施工对既有地铁隧道的影响分析

金 平， 赵 焱， 赵瑞桐

(1.中铁四局集团城市轨道交通工程分公司, 安徽合肥 230022； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

近些年，国内众多城市地铁建设逐步加快，位于城市核心区域内的地铁线路呈现密集化趋势，新建地铁隧道上跨或者下穿通过既有地铁隧道的工程案例越来越多。对于这些工程的施工过程，在保证自身隧道满足设计要求的同时，更要严格控制对既有隧道的影响，以确保既有线路的运营安全。深圳地铁10号线福田口岸站-福民站区间段在盾构尚未完全出端头加固区即上跨既有地铁7号线隧道，与常见的新建隧道上跨或下穿既有隧道相比，此工点施工时不仅两线路隧道之间会产生相互影响，而且由于上跨区段紧邻车站基坑，还受到车站基坑结构的影响，进而存在更为复杂的力学响应规律，本文以此工程为依托，采用数值模拟方法，研究分析了此复杂工况的施工过程，重点论证袖阀管注浆加固方案的可行性，以期为类似工程的实施提供参考。

1 工程概况

深圳地铁10福田口岸站-福民站区间从福民站南端头井始发，将上跨穿越已经运营的地铁7号线福皇区间，两线路隧道基本正交，结构垂直净最小距仅1.3 m，7号线区间线路外边缘距福民站南端头仅7.85 m，福福区间盾构机未完全出端头井加固区即上跨穿越7号线福皇区间。此区间采用复合式土压平衡盾构进行施工，区间内管片衬砌混凝土强度等级为C50，厚度30 cm，幅宽1.5 m。

显然，此工点施工最为关键的难点是避免盾构开挖时的排土卸载引起下覆地铁7号线隧道上浮，进而造成管片破坏或对列车运营安全带来影响。为此，在盾构开挖施工前采用袖阀管注浆措施对10号线南端头井至7号线福皇区间与10号线福福区间隧道重叠部位(总长度约27.45 m)的地层进行预加固。加固范围宽度方向上为10号线隧道及左右两侧各3 m，深度方向上为隧道顶3 m至隧道底2 m，上跨7号线区间正上方按照加固体距离既有隧道结构净距不小于1 m对注浆压力进行控制。本文将重点研究此加固措施能否保证盾构上跨施工过程中下覆既有隧道的安全。工程范围内土层分布及新建与既有隧道的位置关系见图1。

(a)平面

(b)断面图1 工程位置示意

2 数值模型建立

本次研究的数值模型采用有限差分软件FLAC3D建立，模型左右边界及下边界计算范围各取5倍开挖宽度。由于10号线是在始发段上跨穿越7号线，本文在数值模型中考虑了既有基坑(车站基坑)对上跨施工的影响。根据实际施工方案，本次数值模拟中将先开挖左线隧道至贯通，再进行右线开挖。图2为三维计算模型图，其中X轴方向为水平方向、Y轴正方向为盾构隧道轴向方向、Z轴正方向竖直向上。模型尺寸为：69.7 m×67.6 m×50 m，三维计算模型共划分为45.05万个单元。地铁10号线、7号线及袖阀管注浆加固范围的位置关系如图3所示。

图2 三维数值计算模型

图3 工程结构位置关系

三维数值计算中相关结构的具体几何参数为实际设计值，地层物理力学参数参考地勘和设计文件进行取值。计算中，各土层采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，地下连续墙、基坑基础底板及盾构隧道管片采用弹性模型。土层及其他构件计算参数详见表1。

袖阀管注浆加固效应采用提高位于加固范围内的②3含有机质砂、③6细砂、③10圆砾、⑧1全风化花岗岩这四个地层相应的弹性模量、黏聚力及内摩擦角的方法进行模拟。

3 计算结果分析

3.1 受力分析

图4为10号线福福区间始发段施工过程中7号线隧道管片的应力云图。可以看出，管片中应力分布比较均匀并且左右线的最大主应力值非常接近。在整个施工过程中7号线管片中主应力值的变化很小，10号线左线开挖贯通时分别为1.89 MPa和6.01 MPa；右线开挖贯通时分别为1.83 MPa和6.00 MPa。从总体上讲，按设计方案进行10号线的施工，7号线的结构受力均在安全范围内。

表1 计算模型材料物理力学参数

(a)左线开挖至贯通主拉应力

(b)左线开挖至贯通主压应力

(c)右线开挖至贯通主拉应力

(d)右线开挖至贯通主压应力

3.2 变形分析

图5为10号线福福区间始发段施工过程中，7号线隧道管片的竖向位移云图。可以看出，在10号线隧道开挖后，土体的卸载将会使7号线隧道管片与其相交部位产生向上的隆起变形，隆起量值左线比右线大，这是由于左线相比于右线距离车站基坑较远，受到既有基坑地下连续墙约束较小且受10号线开挖影响范围更大造成的。10号线左线隧道开挖至贯通后，7号线隧道管片的最大隆起值为2.55 mm；当10号线右线隧道开挖至贯通后，7号线隧道管片的最大隆起值为3.74 mm，隆起最大的部位出现在7号线左线隧道与10号线隧道相交位置的管片顶部。

图6为7号线隧道拱顶和拱底各位移监测点在开挖完成后的竖向位移值曲线。可以看出，在施工完成后，7号线左、右线隧道的竖向变形规律基本相同。最终变形值均为中间较大，向两侧逐渐递减，并且7号线左线的竖向变形要比右线大。

(a)左线开挖至贯通

(b)右线开挖至贯通

图6 7号线隧道拱顶拱底位移测点竖向位移值曲线

选取7号线左线隧道的拱顶和拱底X坐标为-9 m、0 m、9 m的位移监测点来分析10号线隧道开挖过程中的竖向变形规律(图7)。从图中可以看出，随着10号线开挖进程(图中横轴数字所代表的10号线开挖进程：1-左线开挖至7号线右线上方，2-左线开挖至7号线左、右线之间上方，3-左线开挖至注浆加固区边缘，4-左线开挖至非注浆加固区中间位置，5-左线开挖至在模型中贯通，6-右线开挖至7号线右线上方，7-右线开挖至7号线左、右线之间上方，8-右线开挖至注浆加固区边缘，9-右线开挖至非注浆加固区中间位置，10-右线开挖至在模型中贯通)，7号线隧道因开挖而出现的隆起值逐渐增大，并且拱顶和拱底的位移规律相似。Y=9m的两个测点及Y=-9m的两个测点分别在10号线左、右线开挖的过程中出现了隆起量值的差值逐渐增大的现象，而Y=0m的测点情况则介于前面两者之间，这表明7号线隧道管片的竖向位移在Y=9m附近区域受10号线左线开挖影响较大；而在Y=-9m附近区域则受10号线右线开挖影响较大。

4 结论

本文以深圳地铁10号线福福区间盾构始发段正交上跨既有7号线工程施工为依托，研究分析了在设计袖阀管注浆预加固方案下，上跨施工过程对既有隧道受力和变形的影响，得出如下结论：

(1)新建盾构隧道始发段正交上跨施工对位于其下方的既有隧道结构受力影响较小，既有隧道管片受力不会因为上跨施工而产生较大变化；

(2)10号线上跨穿越施工的土体卸载作用会使既有7号线隧道产生最大值为3.74 mm的隆起变形，该变形量值满足既有隧道结构和地铁运营安全的要求。

(3)采用设计方案进行10号线福福区间盾构始发段的施工，可保证既有7号线盾构隧道的受力和变形安全。

(a)Y=-9m测点曲线

(b)Y=0m测点曲线

(c)Y=9m测点曲线图7 7号线隧道随施工进程竖向位移变化曲线