杭州市九溪线输水通道施工对邻近既有隧道影响分析

彭万平,甘鹏路

（1.中铁一局集团有限公司，陕西西安710054；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

近年来，在地下工程施工中经常遇到新建通道上穿既有隧道的情况，上部开挖会对土层造成扰动，进而引起下部既有隧道的位移变化，对公共安全造成较大影响[1-3]。国内诸多学者对该问题进行了相关研究，贺美德、张成平等[4-5]以北京市地下人行通道近距离上穿地铁10号线盾构隧道工程为背景，分析了大断面通道上穿盾构隧道的变形情况。汪洋等[6]以广州地铁3号线大塘—沥滘区间盾构隧道工程为背景，通过室内模型试验和三维有限元数值计算相结合的手段，得出了盾构隧道正交下穿施工对既有隧道的变形及内力影响规律。温锁林[7]以上海东西通道跨越地铁二号线工程为背景，研究了地铁上方基坑明挖的施工控制技术。刘树佳等[8]基于上海地铁11号线与既有地铁4号线多线叠交的复杂工况，采用数值模拟和实际监测为多线叠交盾构施工微扰动的控制技术提供了一定理论基础。

本文以杭州市第二水源输水通道（九溪线）上穿既有紫之隧道为背景，其中九溪线在该区段与紫之隧道斜交，考虑到工程特殊性，施工方法采取放坡开挖。利用三维有限差分软件，对九溪线基坑开挖过程进行了动态模拟，分析了既有隧道及箱涵位移变化规律，为该类地下工程设计施工提供参考。

1 工程概况

1.1 近接隧道相互位置关系

杭州市第二水源输水通道（九溪线）主要选址之浦路、之江路沿线，新建输水管道长约1355m。本次分析选取九溪线DG02-DG03段，该区段位于西湖区之江路与梅灵南路交叉口北侧，输水管2次上跨紫之隧道。拟建输水管道为DN3200钢管，壁厚32mm，受既有紫之隧道限制，输水管道采用明挖法施工。管道管底最小标高为2.3m，该断面内东、西线隧道拱顶标高分别为-8.1m和-8.5m，隧道顶距离开挖基坑底面为10.1m。九溪线与紫之隧道交叉角度约35°。既有引水箱涵位于九溪线南侧，结构内壁与管道中心距离为8.85m。既有箱涵顶板标高5.3m。平面相对位置关系如图1所示。

1.2 工程地质条件及施工方案

九溪线输水管道与既有紫之隧道交叉处，地层从上往下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、碎石土和全风化泥质粉砂岩。九溪线DG02-DG03与紫之隧道交叉段施工方法为两台阶1∶1.5放坡开挖。工程场地周边地面绝对高程约8.70m（以下均以绝对高程表示），第一次开挖后标高5.3m，输水管道管底标高2.30m。基坑实际开挖深度6.7～7.0m。开挖完成后安装管线，之后以回填土分步回填，如图2所示。

图1 九溪线DG02-DG03与紫之隧道平面位置关系图

图2 放坡开挖示意图

2 数值计算

采用FLAC3D软件对本工程进行数值计算，模型假定岩土体为均质、各向同性材料，并符合Mohr-Cou⁃lomb屈服准则。模型边界范围考虑5倍洞径，沿九溪线纵向（Y方向）取180m，与九溪线垂直方向（X方向）取60m，土层厚度（Z方向）取60m。紫之隧道模型与九溪线竖向投影斜交，交叉角度35°。数值模型如图3所示。模型的边界条件：前后左右面受水平约束，下边界受竖向约束，上边界（地表）为自由边界。整体模型加自重应力场g=9.8m/s2。根据九溪线施工步序，模型施工计算步骤根据各建设内容的先后顺序进行，具体详见表1。依据地质资料和工程设计施工图，地层物理力学参数以及上部九溪线和下部既有紫之隧道的结构力学参数取值见表2和表3。

图3 上下交叉三维模型

表1 施工计算步序

3 计算结果分析

3.1 紫之隧道位移分析

紫之隧道二次衬砌竖向位移云图如图4所示，图中左侧为西线，右侧为东线。通过分析九溪线基坑开挖、回填等各个施工步序中紫之隧道二次衬砌的拱顶与仰拱竖向位移情况可知：

（1）在基坑开挖过程中，沿紫之隧道纵向的二次衬砌竖向位移由交叉处向两端逐渐减小，呈抛物线分布；

（2）在基坑回填过程中，沿紫之隧道纵向的二次衬砌竖向位移回落。从开挖到回填整个过程中二衬的位移变化较小；

（3）在各施工步序中，最大位移出现在基坑开挖完毕阶段，位置为九溪线与紫之隧道交叉处的断面，东线隧道二次衬砌拱顶最大上浮量为3.02mm，仰拱最大上浮量为2.56mm。西线隧道二次衬砌拱顶最大上浮量为2.98mm，仰拱最大上浮量为2.54mm。

表2 围岩物理力学参数表

表3 支护结构物理力学参数表

3.2 紫之隧道应力分析

依据紫之隧道最大主应力计算结果，从开挖到回填完毕整个过程中紫之隧道最大主应力变化规律如下：

（1）在基坑开挖及回填的整个过程中，最大主应力量值较小，且集中在墙脚与拱腰；

（2）基坑开挖完毕后，最大拉力出现在东线墙脚，量值为1.59MPa，最大压力在西线拱腰，量值为0.68MPa；

（3）基坑回填完毕后，最大拉力出现在东线墙脚，量值为0.96MPa，最大压力在西线拱腰，量值为0.73MPa。

图4 紫之隧道二次衬砌竖向位移云图

3.3 紫之隧道安全性分析

通过研究分析，九溪线与紫之隧道交叉处隧道断面为最不利截面。由于篇幅原因，本文只分析了在上部基坑开挖完毕时，最不利截面的受力特征。既有隧道截面的控制点布置如下图5所示。

基坑开挖完成后，紫之隧道西、东线二次衬砌结构内力见表4。由表4分析可知：

（1）基坑开挖完成后，二次衬砌结构受力特征为受压。

表4 基坑开挖完成紫之隧道二衬内力表

图5 既有隧道截面控制点

（2）西线最不利位置为左边墙，东线最不利位置为右边墙。

（3）紫之隧道西线最大轴力位于左边墙处为-1428kN，最大弯矩位于拱顶处，量值为40.63kN·m，最小安全系数为10.2，位于左边墙处。东线最大轴力位于右边墙处，量值为-123kN，最大弯矩位于右边墙处，量值为-49.41kN·m，最小安全系数为11.4，位于右边墙处。

3.4 引水箱涵位移分析

侧边基坑开挖引起了既有引水箱涵的位移变化，分析引水箱涵结构的竖向位移变化情况可知：

（1）随着开挖进行，引水箱涵上浮位移增大；随着回填进行，上浮位移减小，总体竖向位移有减小趋势，回填完成后，箱涵靠开挖侧变为下沉；

（2）基坑开挖完毕时，顶板上浮位移最大，量值为5.1mm，靠基坑开挖侧侧墙上浮值为4.7mm；

（3）回填完毕时，靠近开挖侧的侧墙出现下沉，下沉最大值为2.17mm,远离开挖处的侧墙仍是上浮,上浮值为1.05mm。

分析引水箱涵结构的水平位移变化情况可知：

（1）随着开挖进行，引水箱涵水平位移增大，向着基坑开挖侧出现倾覆趋势；随着回填进行，水平位移有所减小；

（2）顶板水平位移最大，侧墙水平位移沿竖向向下逐渐减小；

（3）在开挖完毕时，顶板水平位移最大，量值为5.35mm，靠基坑开挖侧侧墙位移为4.29mm。

4 结论

针对九溪线斜交上穿既有隧道的工程状况，通过研究分析得出如下结论：

（1）上部输水管线基坑开挖施工时，下部既有紫之隧道位移均表现为上浮；

（2）在基坑开挖及回填的整个过程中，最大主应力量值较小，且集中在拱脚与拱腰处；

（3）基坑开挖完毕后，二次衬砌变形控制标准为受压控制，且安全系数较高，西线最不利位置为左边墙，东线最不利位置为右边墙；

（4）随着开挖进行，引水箱涵上浮及水平位移逐渐增大，顶板水平位移大于侧墙水平位移，侧墙水平位移沿竖向向下逐渐减小，出现倾覆趋势；随着回填进行，上浮及水平位移逐渐减小，总体位移有减小趋势，回填完成后，箱涵靠开挖侧变为下沉；

（5）基坑开挖完毕后，紫之隧道东线交叉处二次衬砌拱顶最大上浮位移为3.02mm，紫之隧道西线交叉处二次衬砌拱顶最大上浮2.98mm；

（6）基坑开挖完毕后，引水箱涵顶板最大上浮位移为5.1mm，最大水平位移为5.35mm；靠九溪线侧墙最大上浮位移为4.7mm，最大水平位移为4.29mm。

虽然既有隧道上浮位移值小于《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）[9]提供的预警值。但实际基坑开挖造成的影响受多方面因素控制。因此，在基坑开挖过程中应该加强交叉处隧道断面的监测，根据监测数据及时调整施工方案，以保证结构的安全性。