地铁区间极小间距下穿高铁盾构隧道施工方法分析

曹瑞琅，赵宇飞，寇卫国，陆海锋，张雪东

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100048；2.中铁上海工程局集团 第一工程有限公司， 上海 200436)

城市地铁修筑时，不可避免的存在新建地铁工程与其他结构(既有线、桥桩、建筑基础以及地下管线等)相互影响[1]，近距离甚至“极小间距”穿越工程问题凸显，一般作为工程重点风险源特殊对待，其设计和施工难度极大。

国内外学者对城市地铁修建引起地层变形规律和施工控制技术的研究已取得较为丰富的成果[2-5]。近些年，随着下穿工程和侧穿工程不断出现，对城市地铁修建对已有结构影响方面研究有了新趋势。张成平等[6]以北京地铁5号线崇文门暗挖车站下穿既有地铁隧道施工为背景，探讨施工前对既有地铁轨道和隧道结构合理加固措施。张士强等[7]开展昆明地铁盾构下穿火车站沉降控制施工参数研究。A Leitner等[8]针对维也纳新建高速公路隧道下穿U2/U5地铁区间工程开展研究，分析淤泥河黏土地层的地层变形时间空间分布规律。北京地铁12号线大-蓟暗挖区间极小间距下穿京张高铁隧道，两者最小距离仅1.62 m，在卵石透水地质条件下，如此小间距地铁下穿高铁盾构隧道情况在国内外工程中极为少见，且与一般工程相比，为控制地铁施工对上方盾构管片不均匀沉降影响[9]，地层变形控制标准更为严格。

研究隧道施工方法对下穿工程稳定性影响至关重要，以地铁12号线极小间距下穿京张高铁盾构为工程背景，针对各种施工方法实施中地层变形规律、地表沉降规律、盾构管片变形规律以及支护结构受力特征等关键问题开展研究，为下穿工程施工方法选取提供依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

北京地铁12号线正线全长为29.35 km，全部为地下线，共设21座车站，其中换乘站14座。大钟寺站—蓟门桥站区间起点位于大钟寺站，区间线路沿北三环西路路中敷设，终点位于蓟门桥区的蓟门桥站，区间长度847.298 m，线间距15.0 m～17.2 m。大钟寺站及蓟门桥站均为暗挖法施工车站，区间线路纵断采用“人”字坡，拟采用矿山法施工，区间埋深约34 m。

在里程左SSK108+005—左SSK108+038之间，地铁暗挖区间极小间距下穿京张高铁隧道，即区间结构垂直下穿盾构隧道，见图1。高铁盾构直径12.2 m，地铁区间直径6.2 m，两者距离仅1.62 m，在卵石透水地质条件下，控制地层变形非常关键，必须选择合理的施工方法，降低地铁区间施工对上方高铁盾构管片及轨道的影响。

图1地铁区间极小间距下穿高铁盾构示意图

1.2 施工方案比选

为控制隧道围岩变形，对隧道拱顶及边墙进行深孔注浆，并在隧道边墙与水平线30°角度处施加锁脚锚管。施工遵循“短台阶、短循环、快封闭、勤量测和强支护”的原则[10]，如图2所示，考虑的施工方法有：

(1) 台阶法：采用上下台阶法施工，上部台阶预留核心土，各台阶步距为3.0 m。

(2) 临时仰拱台阶法：在台阶法的基础上，上台阶施工完毕后，施加临时仰拱。

(3) 交叉中隔壁法(CRD)：把隧道分为4个独立的小洞室分部施工，交叉中隔壁法，随挖随撑。

(4) 中隔壁法(CD法)：将隧道分为左右两大部分进行开挖，隧道两侧采用台阶法自上而下分层开挖，中间设置中隔壁以增加支护刚度。

图2地铁区间施工方法

2 数值建模与计算方案

2.1 数值建模

考虑到边界效应影响，数值计算模型边界取3倍以上洞直径，上部边界取至地表[11]，如图3所示，模型几何尺寸长、宽、高分别为80 m、80 m和50 m。围岩和支护采用实体单元模拟，锁脚锚管采用锚杆单元(Cable)模拟，在地铁区间和高铁盾构隧道交叉部位增加了网格密度以提高计算精度。

图3地铁区间极小间距下穿高铁盾构三维建模图

图4给出了数值计算模型网格图，网格节点数为23.5万个，网格单元数为55.1万个。高铁盾构管片接缝采用等效刚度法模拟。

2.2 模型参数

地铁区间围岩主要是卵石-圆砾层，厚约23 m，高铁盾构隧道上方主要是黏土和杂填土，上方是卵石-圆砾层，围岩采用服从Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性模型，物理力学指标见表1，在FLAC3D中采用Fish语言按照分层赋予网格参数。深孔注浆效果通过提高围岩变形模型和黏聚力等值实现。

图4 数值计算模型(临时仰拱台阶法)网格图

初支、二衬及管片采用服从弹性模型的实体单元模拟，参数取值见表2，管片接缝利用等效刚度折减法[12]实现。隧道临时支撑(I22a型钢)采用Shell结构单元模拟[13]，锁脚锚管(DN25中空钢管)用Cable杆件单元模拟[14]。

表2 支护结构力学计算参数

3 计算结果分析

3.1 地层变形规律

隧道施工开挖后，由于卸荷作用，围岩沿着隧道洞壁向内产生挤压位移，在应力场重分布过程中逐渐引起附近地层发生变形。

高铁盾构隧道中心截面地层变形规律如图5所示，在地铁双区间隧道开挖后，拱顶和仰拱附近围岩变形最大，台阶法施工拱顶变形量为25.3 mm，与之相比，临时仰拱台阶法降低22.3%、CRD法降低45.0%、CD法降低25.4%。由此可见，CRD法设置水平和竖向中隔壁后，围岩变形得到控制；临时仰拱台阶法和CD法分别通过设置水平仰拱和竖向中隔壁后，围岩变形控制效果比较接近，二者最大变形仅相差0.6 mm。四种施工方案下拱顶附近围岩变形均会比仰拱小，例如，临时仰拱台阶法施工方案拱顶变形为19.5 mm，而仰拱变形达42.2 mm，这主要归因于拱顶270°范围内进行深孔注浆，约束了隧道中上部围岩变形。

图6给出了地铁双隧道区间中心截面地层变形云图，高铁盾构隧道附近围岩变形明显会降低，台阶法施工时盾构管片附近最大变形为10.6 mm，而地铁双隧道区间中心截面其他部位整体变形处于20.0 mm～25.2 mm，变形减少的主因是盾构隧道管片支护后整体刚度大于原始土层，阻隔了部分施工变形由下方地铁区间向上传递，使得高铁盾构隧道附近地层变形会比地表变形还要小。地铁双区间隧道拱顶截面地层变形见图7，由于受到左、右区间隧道施工围岩变形叠加效应影响，两个区间中心截面处的整体变形要大于隧道拱顶截面，因此施工中更应注重此断面变形，而不仅要关注隧道拱顶变形。

图5 高铁盾构隧道中心截面地层变形云图

图6 地铁双隧道区间中心截面地层变形云图

图7地铁双隧道区间拱顶截面地层变形云图

3.2 地表沉降规律

不同施工方法沿地铁区间隧道方向地表沉降曲线见图8，台阶法施工引起地表变形量为最大，达到18.5 mm，施工引起的地表沉降越靠近高铁盾构隧道会越小，超过高铁盾构隧道中心截面距离30 m以外时变形基本趋于一致。

图8沿地铁区间方向地表沉降曲线

由临时仰拱台阶法沿高铁盾构隧道方向地表沉降曲线图9可以看出，地表最大沉降位于地铁双区间隧道中心截面，越靠近中心施工引起变形叠加效应越明显，远离中心后叠加效应逐渐降低，在距地铁双区间中心截面20 m附近存在反弯点，随后地层变形主要受单线隧道施工影响。

图9临时仰拱台阶法沿高铁盾构方向地表沉降曲线

3.3 高铁盾构管片变形规律

受到应力重分布影响，地铁施工开挖会导致高铁盾构管片产生明显变形，图10是地铁双区间隧道中心截面不同施工方法盾构管片沿环向变形曲线。

四种施工方法管片均整体向下位移，离区间隧道较近的底部管片变形略大于其他部位，台阶法施工管片最大变形为11.2 mm，CRD法施工为6.8 mm，临时仰拱台阶法和CD法施工结果较接近，分别为8.8 mm和9.1 mm。对临时仰拱台阶法施工盾构管片沿环向变形(见图11和图12)分析，结果表明，管片最大变形在地铁区间拱顶上方，而不是两隧道中心截面，且管片在地铁双区间截面中心±15 m范围内变形均较大，量值在8 mm～9.5 mm之间，因此为减小变形，可着重对这30 m段管片局部加固。

图10不同施工方法盾构管片沿环向变形曲线

图11 临时仰拱台阶法施工盾构管片纵向变形曲线

图12临时仰拱台阶法施工盾构管片变形云图

3.4 地铁区间隧道支护结构受力

四种施工方式支护结构受力统计见表3，台阶法初支应力明显较大，其他方法在施加临时仰拱和中隔壁后等型钢后，减小了初支因弯矩产生的应力，型钢受力(见图13)在47.0 MPa～60.1 MPa。台阶法和临时仰拱台阶法，将锁脚锚管焊接于钢支撑上协调受力，能充分利用锚管锁脚作用，而CD法和CRD法的中隔壁分担了上部初支承受荷载，锁脚作用变弱。

表3 支护结构最大受力统计表

图13地铁双区间隧道钢支撑结构应力

3.5 施工方法比选分析

钟明文等[15]研究表明隧道施工产生的围岩塑性区主要集中在拱脚处，在拱脚附近需要加长锚杆的长度，可以保证隧道围岩的稳定性，本文数值计算结果反映了类似规律，在台阶法基础上设置临时仰拱和琐脚锚管后，不仅减小了初支因弯矩产生的应力，还能充分利用锚管的锁脚作用，能够较好的控制地层变形。台阶法拱顶变形量为25.3 mm，与之相比，临时仰拱台阶法变形量会降低22.3%，能控制围岩变形，保证隧道安全。而且，与CD法和CRD法相比[16]，临时仰拱台阶法施工更加灵活，能加快施工进度，降低造价。综合考虑，依托工程最终选用临时仰拱台阶法施工。

4 结 论

以地铁12号线极小间距下穿京张高铁盾构隧道为工程背景，针对台阶法、临时仰拱台阶法、CRD法以及CD法实施中地层变形、地表沉降规律以及盾构管片变形受力特征开展研究，结果表明：

(1) 地铁区间施工拱顶和仰拱围岩变形最大，台阶法拱顶变形量为25.3 mm，与之相比，临时仰拱台阶法降低22.3%、CRD法降低45.0%、CD法降低25.4%。

(2) 地表最大沉降位于地铁双区间隧道中心截面，越靠近中心地层变形叠加效应越明显，距离超过20 m的地层主要受单线隧道施工影响，且变形大幅降低。

(3) 地铁施工引起盾构管片最大变形在双区间中心截面±15 m范围内，为减小盾构隧道变形，可局部加固距地铁区间较近30 m段管片。

(4) 在台阶法基础上设置临时仰拱后，不仅减小了初支因弯矩产生的应力，还能充分利用锚管的锁脚作用，能够较好的控制地层变形，综合考虑，依托工程最终选用临时仰拱台阶法施工。