广深港高铁深港隧道下穿地铁1号线PBCRD工法数值计算研究

陈建桦,肖明清

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

随着我国大规模开发地下空间，城市核心区域地下空间的开发逐渐立体化，同时产生了很多交通隧道近接既有工程的情况。洞桩法(PBA法)结合了浅埋暗挖法与盖挖法，能有效控制地表沉降，且对地面交通与近接建筑物、地下管线的干扰小[1-2]。交叉中隔壁法(CRD法)能够解决大跨浅埋隧道的围岩稳定性问题[3]。因此，地下工程采用洞桩法或交叉中隔壁法被广泛应用于浅埋大跨地铁车站[4-9]。前人对地下工程近接施工进行了深入研究。例如，广州地铁5号线区庄站多层立体交叉隧道工程[10]、小北站工程[11]、重庆地铁6号线光电园站重叠段隧道工程[12]。张玉军[12]、郑余朝[13]、龚伦[14]等通过数值模拟的方法对隧道近接的施工力学问题进行了研究。C YOO、HB ZHAO通过室内试验的方式研究了近接隧道工程对既有建筑物的影响[15-16]。

本文利用数值模拟方法，针对广深港高铁某隧道在富水软弱地层中下穿地下洞室群时，提出了采用PBCRD工法(Pile-Beam-Center Cross Diaphragm)(先墙后拱交叉双隔壁法)施工。根据分析结果，对支护参数进行了优化并提出了施工对策。

1 工程概况与计算模型

1.1 工程概况

广深港客运专线下穿深圳地铁1号线的暗埋隧道位于福田车站南端，该段隧道下穿福华路地下商业街和深圳地铁1号线会展中心—购物公园区间隧道结构，全长82.3 m。

隧道场地内自上而下分布以下地层。

(1)素填土：砖红色，稍湿，松散，主要由粉质黏土堆填而成，含少量碎块。

(2)淤泥质细砂：灰黑色，黑色，饱和，稍密，分选性较好，成分主要为石英，含有机质及黏性土，岩芯呈筒状。

(3)淤泥：灰黑色，黑色，软塑，有机质含量较高，土质黏滑，手抓岩芯起印模深，具臭味。

(4)粗砂：灰黄色，棕红色，饱和，稍密，成分以石英为主，含少量黏性土，分选性一般。

(5)粉质黏土：硬塑，由花岗岩风化残积而成，原岩结构尚可辨认，遇水易崩解，含约25%石英砾。

(6)花岗岩全风化带：褐红、棕红、棕黄色，除石英外，其余矿物均已风化成高岭土，岩芯呈土状或土夹砾砂状，土质坚硬，浸水易崩解，为Ⅲ级硬土。

(7)花岗岩强风化带：褐黄色，强风化，岩芯呈碎块状，主要矿物成份为长石、石英，裂隙发育。

(8)花岗岩弱风化带：肉红色，弱风化，中粗粒花岗结构，块状构造，主要矿物成份为长石、石英，节理裂隙发育，岩芯呈柱状。

拟建隧道场地位于深圳市南部沿海地带，为海积平原，现均被人工改造。场地南部海积平原，地表水较发育，地表径流密布，含水层分布广、厚度大且连续稳定，地下水与地表水的水力联系密切，互为补排关系明显。

图1 新建隧道周围环境示意

客运专线隧道下穿地铁1号线暗埋段隧道、福华路地下商业街、深圳地铁1号线区间隧道。地表为益田路与福华路相交的十字路口，交通繁忙；地下一层为福华路地下商业街(有桩基础)；地下二层为深圳地铁1号线区间隧道(矩形断面6.1 m×6.76 m，双孔单线结构)；地下三层为新建暗挖隧道结构。新建隧道周边环境示意如图1所示。新建隧道为客运专线单孔双线隧道，采用PBA法和CRD法相结合的PBCRD工法修建隧道。隧道超前支护主要采用拱部水平旋喷桩、侧面注浆和拱部长管棚；隧道临时支护主要采用钢架和喷射混凝土；隧道初期支护主要采用“型钢拱架+钢筋网+喷射混凝土”；隧道二次衬砌为双层钢筋混凝土衬砌。本隧道设计的两个控制性因素为地铁区间隧道的沉降变形控制和地下商业街的桩基托换。隧道横断面如图2所示。

图2 高铁隧道断面及支护结构(单位：cm)

1.2 计算模型

利用MIDAS-GTS建立数值计算模型，建立的三维计算模型宽150 m，高60 m，纵向长62.4 m，共有369 412个单元，考虑渗流计算，模型边界取最大开挖尺寸的4倍，模型如图3所示。

图4 施工工序示意

图3 数值计算模型

其中，(1)模型的顶面为地表，地下一层为地下商业街，地下商业街内有支撑柱，地下商业街的桩基从地铁附近穿过，进入到新建隧道范围内。(2)地下二层为运营的深圳地铁1号线区间隧道(矩形断面6.1 m×6.76 m，双孔单线结构)，既有地铁与新建隧道十字垂直交叉。(3)地下三层为新建的暗挖隧道结构，采用PBCRD工法施工。导洞内施工围护桩，围护桩避开地下商业街桩。导洞采用台阶法施工，导洞只有一层初期支护。正洞采用CRD法施工，正洞设有临时支撑、初期支护与两层二次衬砌，第二层二衬作为安全储备，此处没有模拟。

施工共有14步：(1)开挖并施作两导洞上台阶的初期支护；(2)开挖并施作两导洞下台阶的初期支护；(3)施工导洞内的围护桩；(4)施工导洞内的旋喷墙；(5)浇筑导洞内的冠梁；(6)浇筑导洞回填；(7)开挖正洞左上1部并闭合初期支护与临衬；(8)开挖正洞右上2部并闭合初期支护与临衬；(9)浇筑左上1部与右上2部的第一层二衬；(10)开挖正洞左下3部并闭合初期支护与临衬；(11)开挖正洞右下4部并闭合初期支护与临衬；(12)浇筑左下3部与右下4部的第一层二衬；(13)处理侵入的地下商业街桩；(14)拆掉正洞临时支撑。工序如图4所示。

1.3 计算参数

根据地质勘察与设计资料得到计算所需围岩及支护结构力学参数如表1、表2所示。桩、隧道初期支护和二次衬砌采用弹性模型，围岩采用Mohr-Coulomb模型模拟。

表1 围岩力学参数

表2 支护结构力学参数

2 计算结果分析

2.1 位移结果

2.1.1 地铁地板变形结果

高铁隧道的修建应保护已运营的地铁隧道。根据数值模拟计算得到地铁底板沉降如图5、图6所示。图5为关键施工环节下的地铁底板沉降分布云图。图6为地铁底板纵向中心线的沉降槽随施工推进的变化曲线。

2.1.2 地下商业街桩基变形结果

图7为紧邻既有地铁的地下商业街桩顶沉降变化曲线。由图7可知，地下商业街左侧桩桩顶的最大沉降为5.5 mm，中间桩桩顶的最大沉降为4.7 mm，右侧桩桩顶的最大沉降为7 mm，桩顶沉降在可控范围内；设计规定地下商业街相邻桩基的沉降差应小于0.0012L(L为相邻桩基的中心距)，地下商业街相邻桩的最大沉降差为3.7 mm，地下商业街相邻桩基的沉降差也符合要求。

图5 地铁底板沉降分布(单位：mm)

图6 地铁底板纵向中心线沉降随施工推进的变化曲线

图7 桩顶随施工竖向位移曲线

2.1.3 正洞拱顶竖向变形结果

图8为正洞拱部竖向位移情况。

由图8(a)可知，正洞初期支护竖向位移沉降两端小中间大。由图8(b)可知，对于与既有地铁纵向对称面对应的正洞横截面，左上初期支护拱顶的最大沉降为5 mm，右上初期支护拱顶的最大沉降为4.3 mm，均小于设计规定，符合要求。

2.2 结构应力结果

2.2.1 正洞初期支护与临时支撑的应力

正洞的每一分部开挖后，支护及时封闭成环。图9为正洞初期支护与临时支撑的最小主应力分布情况(纵向长度对应地铁及两侧各4.8 m)。

图8 正洞拱部初期支护竖向位移

图9 正洞初期支护与临时支撑的最小主应力云图(单位：kPa)

由图9可知：(1)正洞左上1部在初期支护临衬闭合后，初期支护与临时支撑的最大压应力为16.7 MPa；在正洞右上2部的初期支护与临时支撑闭合后，初期支护与临时支撑的最大压应力为16.9 MPa；在正洞左下3部的初期支护与临时支撑闭合后，初期支护与临时支撑的最大压应力为18.4 MPa；在正洞右下4部的初期支护与临时支撑闭合后，绝大部分区域的压应力小于19 MPa，最大压应力为33.5 MPa，但所占比例相当小；在施作第一层二衬后，正洞初期支护与临时支撑的受力性状将明显改善，判断能否拆掉临时支撑需根据第一层二衬的受力情况。总体而言，正洞初期支护与临时支撑安全。(2)在闭合正洞右下4部的初期支护与临时支撑、拆掉正洞临时支撑这两个环节，最大压应力均发生在侵入的地下商业街桩与初期支护底板的相交处，施工时应采取措施降低此处的应力集中。(3)除了侵入的地下商业街桩与正洞初期支护相交处容易引起应力集中外，初期支护、临时支撑与导洞、围护桩的相交处，初期支护与临时支撑的相交处，水平临时支撑与竖向临时支撑的相交处等结构的交接部位也容易发生应力集中，设计时可在这些部位设计圆角过渡。(4)对于正洞的临时支撑，当封闭后，水平临时支撑的最大压应力为8.5 MPa，竖向临时支撑的最大压应力为17.8 MPa，当考虑到临时施工荷载，应加强竖向临时支撑的监测。

2.2.2 第一层二衬的应力

图10为正洞第一层二衬的最小主应力分布情况(纵向长度对应地铁及两侧各4.8 m)。

由图10可知：(1)第一层二衬的最大压应力逐渐增大，最终的最大压应力为9.4 MPa，小于混凝土的抗压强度设计值，结构安全；(2)导洞部位第一层二衬混凝土浇筑完后，开挖3部使第一层二衬的最大压应力由0.2 MPa增大到3.3 MPa，应力显著增加，因此建议导洞以上的第一层二衬混凝土浇筑完后，等到拱部第一层二衬达到设计强度后，再开始开挖正洞下部；(3)在处理侵入的地下商业街桩前后，第一层二衬的最大压应力均发生在侵入的地下商业街中间桩与第一层二衬上拱部的交界处，截断地下商业街的桩使第一层二衬的最大压应力由3.4 MPa增大到7.5 MPa，处理大直径的侵入桩显著增大了第一层二衬的最大压应力，易引发安全事故。

2.2.3 地下商业街桩基底端在新建隧道拱顶上

当地下商业街桩基贯穿新建隧道导洞与正洞，这在一定程度上相当于“超前支护”，对于新建隧道的开挖是有利的。若地下商业街桩基底端恰好在新建隧道正洞与导洞拱顶，意味着开挖隧道后桩基就悬空，此时为最不利工况，如图11所示。

图10 正洞第一层二衬的最小主应力云图(单位：kPa)

由图12可知：地铁底板最大沉降为11.4 mm，地下商业街桩顶的最大沉降差为2.3 mm，靠近地铁前侧的地下商业街桩的最大轴力为1 967 kN，最大弯矩为522 kN·m。在此最不利情况下，结构的受力与变形仍在可控范围内。图12为靠近地铁前侧的地下商业街桩位移与内力云图。

图11 桩基底端于隧道拱顶工况

图12 靠近地铁前侧的地下商业街桩位移与内力云图

3 现场监测

监测范围为客运专线隧道3倍的隧道断面直径，断面间距为客运专线隧道的半径。上、下行线各设11个断面，隧道中线2倍直径范围内，断面间距为5 m，2倍直径之外为10 m，监测断面布置如图13所示。以S04-S7点为例，竖向位移监测结果如图14所示。

图13 监测断面布置

图14 竖向位移监测曲线

将沉降监测结果与数值模拟结果对比可知，监测结果与数值计算结果在数值上属于同一数量级，数值差异不大，数值计算结果相对保守，本数值计算模型结果可为设计、施工提供参考。

4 施工对策

根据前文对结构安全性的分析，针对保护1号线地铁运营与地下商业街的实际需求，为保障地下洞群的安全，提出以下施工对策。

(1)在地下商业街桩基两侧的孔桩上设置水平锚杆(长5 m、竖向间距1 m)。

(2)应及时封闭掌子面和及时施工初期支护。

(3)当既有地下结构有桩基侵入新建隧道时，要制定详细的处理方案。对于大直径侵入桩，有可能完全侵入隧道，也可能部分侵入，要根据具体情况分析。侵入桩桩底土体开挖后，应及时用千斤顶临时支撑。当桩基侵入隧道导洞时，将冠梁主筋贯通植入桩基内，不进行凿除作业。当桩基侵入正洞时，要对桩基进行托换。桩基托换采用被动托换方式，将凿除后的桩基作用在隧道结构上。

5 结论

结合工程实际，通过数值模拟方法，分析了广深港客运专线某隧道下穿深圳地铁1号线与地下商业街采用PBCRD工法的施工安全性，得出以下结论。

(1)采用PBCRD法施工，地铁底板各点的沉降均逐渐加大，最大沉降为9.95 mm，没有超过设计规定的10 mm；地下商业街相邻桩的最大沉降差为3.7 mm，地下商业街相邻桩基的沉降差符合要求；初期支护拱顶的最大沉降为5 mm，小于设计规定，符合要求。

(2)对PBCRD法整个施工过程进行了模拟，计算分析了地铁结构、地下商业街桩基、导洞初期支护、围护桩、正洞初期支护、正洞临时支撑、正洞第一层二衬受力规律，掌握了新建隧道导洞与正洞、既有地铁隧道、地下商业街桩基相互作用的成因和发展变化规律。

(3)当地下商业街桩基底端就在新建隧道拱顶上时，地铁底板最大沉降为11.4 mm，地下商业街桩顶的最大沉降差为2.3 mm，靠近地铁前侧的地下商业街桩的最大轴力为1 967 kN，最大弯矩为522 kN·m。在此最不利情况下，结构的受力与变形都还在可控范围内。

(4)采用PBCRD法施工的结构整体性较强，受力转换过程较少，施工空间较大，导洞空间大，二次衬砌工序减少。同时，PBCRD法在保证施工安全的前提下，也能够保证近接建筑物的安全。

(5)为保障地下洞群的安全，提出了施工对策：采用高压水平旋喷桩改良地层；及时封闭掌子面，并及时施作初期支护；针对桩基侵入新建隧道的情况制定详细的处理方案。

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