深埋矿山法地铁隧道下穿既有铁路隧道影响研究

陈志勇

(健研检测集团有限公司 福建厦门 361100)

0 引言

地铁隧道在越来越多的城市中建设，给市民带来方便，同时具有缓解城市交通压力，但新建地铁隧道难免存在下穿既有铁路、隧道、公路等情况。在新建地铁隧道下穿既有铁路隧道时，必然扰动周边岩土层，使应力重新分布，导致岩土体运动，产生隧道拱顶下沉、净空收敛、地表不均匀沉降等。既有铁路隧道亦产生变形、收敛、轨道面沉降等，当结构不均匀变形到达临界强度时，隧道结构就会出现开裂破坏，严重的甚至出现塌陷，从而影响铁路的正常运营。

新建地铁隧道下穿既有隧道会产生一系列变形，众多学者研究浅埋隧道下穿既有隧道相互间变形规律。沈刚[1]利用MIDAS研究深圳地铁新建盾构隧道垂直下穿既有隧道相互影响机理；郭建宁等[2]利用三维有限元数值分析方法研究宁波地铁隧道斜交下穿公路隧道对既有公路框架隧道的影响；梁建波[3]通过实测数据与有限元模拟分析广州新建盾构区间下穿既有线沉降影响。江华等[4]采用数值模拟和现场实测相结合的方法分析北京新建盾构区间隧道下穿既有结构工程诱发的车站结构变形等。然而，目前国内对深埋隧道研究较少，虽然比起浅埋隧道影响较小，但在围岩强度低、土质不好等情况下仍然会诱发较大变形。

本文通过数值模拟与现场实测相结合方法，以厦门某矿山法深埋隧道下穿既有铁路隧道位研究背景，分析隧道开挖对上部铁路隧道的变形情况以及新建地铁隧道的变形规律，期为指导施工提供依据，优化设计参数，保证隧道开挖过程相互之间的安全稳定。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

厦门某矿山法地铁隧道下穿既有铁路隧道，与既有铁路隧道的交角为28°，区间隧道左右线结构顶距既有铁路隧道结构底的距离约为38m。区间矿山法隧道钻孔揭露岩层从上而下依次为：素填土、散体壮强风化花岗岩、碎裂强风化花岗岩和中风化花岗岩。隧道主要穿越地层为中风化花岗岩。根据地勘资料和工程岩体分级标准，研究范围内的区间隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩。隧道上部地表无其他建构筑物。

1.2 深埋隧道界定及监测项目确定

研究范围内区间隧道埋深约为34m～81m，隧道开挖直径约7m，《城市轨道交通工程监测技术规范》[5]对隧道埋深大于3倍的开挖直径，划分为深埋隧道。不适用于采用地表沉降曲线Peck计算公式预测的方式对浅埋隧道划分，建议对于影响区域的划分参照接近度概念。因此，结合隧道埋深及周边环境和相关地区监测经验，依据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》[6]对轨道交通地下工程影响范围环境设施的相互邻近程度及相互位置关系，推定该区间隧道地表“不接近”，属于一般影响区外；其次，《铁路隧道监控量测技术规程》[7]对隧道埋深大于3倍隧道直径，地表沉降可不必测。综上，本次新建隧道监测项目仅考虑隧道净空收敛、拱顶沉降，未设置地表沉降监测，既有铁路隧道结构沉降由相关自动化单位提供监测布点图及数据。

2 数值模拟及分析

2.1 岩土体物理力学参数

计算模型中涉及的岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2.2 模型建立

根据设计及工程地质资料，模型坐标原点位于模型底面，考虑地铁隧道开挖影响范围为(3～5)D，取x=y=100m，z方向高度根据实际地形取z=(57～112m)。根据区域实际情况，存在1条既有隧道，中风化花岗岩层按岩体强度等级分为Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩，各级围岩按隧道掘进方向长度分别为25m、45m和30m；地铁隧道与既有铁线隧道空间位置关系如图1所示。

图1 地铁隧道与既有铁线隧道空间位置关系

2.3 隧道开挖对既有铁路隧道结构沉降的影响分析

新建地铁隧道依次穿越Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩，在新建隧道右线、左线与既有铁路隧道斜交部位围岩等级分别为Ⅳ级(邻近Ⅳ、Ⅲ级围岩交界面)、Ⅲ级(邻近Ⅲ、Ⅱ级围岩交界面)(下称(右交、左交))。从图2(a)模拟隧道开挖过程既有铁路结构底板变形情况分析可知：

(1)在Ⅳ围岩区间，即新建地铁隧道右线与既有铁路隧道斜交这一区间，采用台阶法施工。台阶法施工有利于开挖面的稳定，尤其是上部开挖支护后，可以通过初支限制围岩的变形。从图2(b)可以看出，在该区间既有铁路隧道结构沉降从0.85mm增加至1.15mm，在斜交处达到最大，说明在Ⅳ围岩地质条件下地铁隧道开挖对既有铁路隧道产生一定沉降量。

(2)在新建隧道右线、左线与既有铁路隧道斜交之间的区间隧道围岩等级为Ⅲ级，为了降低隧道开挖对既有铁路隧道的影响，在下穿既有铁路隧道部位前后30m范围采用台阶法，其他部分为全断面开挖，从数值模拟的结果可知，Ⅲ级围岩条件下，既有铁路结构沉降趋于线性减少，从1.15mm降至0.60mm，说明围岩强度越高，隧道开挖对既有铁路沉降影响降低。

(a)

A—新建地铁隧道右线与既有铁路隧道相交处B—新建地铁隧道左线与既有铁路隧道相交处(b)图2 新建隧道开挖开挖过程中既有铁路隧道底板结构沉降变形情况

(3)在Ⅱ级围岩区间，即左线与既有铁路隧道斜交至最后部位，围岩强度较好，采用全断面开挖方式，沉降量从0.65mm降至0.50mm，既有铁路隧道受影响越来越小，一方面围岩强度越来越好，另一方面隧道开挖面与既有铁路隧道距离越远。

(4)在隧道开挖过程，既有铁路隧道沉降位移云图均匀，并没有表现出不规则、突变情况。并且在Ⅳ围岩强度，沉降最大为1.15mm。假定对既有铁路结构沉降超过1.00mm为新建地铁隧道对既有铁路隧道的影响范围，那么，影响范围为新建隧道右线与既有铁路隧道斜交处前后15m左右，即30m左右对既有铁路隧道影响范围。

2.4 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩净空收敛变形分析

在数值模拟中取Ⅳ级围岩、Ⅳ级(右交)、Ⅲ级(左交)、Ⅱ级围岩，4个断面来综合分析新建地铁隧道开挖的变形规律。

从图3的4个侧墙位移云图可以看出，4个断面位移云图最大位移分别为1.0mm、0.8mm、0.4mm、0.3mm，对应的收敛位移值为2.0mm、1.6mm、0.7mm、0.5mm。新建隧道开挖对净空收敛变形较小，围岩性质越好，变形越小。新建隧道净空收敛大小与围岩强度等级有关，强度越高变形越小。

(a) (b)

(c) (d)图3 Ⅳ级围岩、Ⅳ级围岩(右交)、Ⅲ级围岩(左交)、Ⅱ级围岩侧墙位移云图

2.5 新建隧道在Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ级围岩拱顶沉降变形分析

(a) (b)

(c) (d)图4 Ⅳ级围岩、Ⅳ级围岩(右交)、Ⅲ级围岩(左交)、Ⅱ级围岩拱顶沉降位移云图

同分析隧道净空收敛一样，取相同部位的4个断面(图4)来分析新建地铁隧道下穿既有铁路隧道的沉降变形规律。从图4可知，不同围岩等级下新建隧道拱顶沉降最大位移为4.7mm、3.9mm、2.5mm、1.6mm，方向向下。新建地铁隧道左右线拱顶沉降，在Ⅳ级围岩下沉降量最大，Ⅱ级围岩下沉降量最小，拱顶沉降变形规律同侧墙变形规律：随着围岩强度的提高，隧道拱顶沉降变形越小，如表2所示。

表2 不同围岩等级下各监测项累计变形最大值

3 现场监测数据分析

地铁隧道施工监测运用于隧道开挖全过程，监测数据直接反馈隧道在初期支护下的变形大小，及时掌握施工过程出现的各种突变情况，以便确定和优化下一步施工参数，从而指导现场施工，对预防可能出现的事故具有重要指导意义。

3.1 现场主要监测布设情况

根据工程地质情况，对新建地铁隧道下穿既有铁路隧道部位左、右线各布设8个监测断面，在Ⅳ围岩以及下穿既有铁路隧道位置布设2对收敛线，1个拱顶沉降监测点，布设间距为10m/断面；其他围岩条件下布设1条收敛线和1个拱顶沉降监测点，布设间距为15m/断面。

在新建地铁隧道右线与既有铁路隧道斜交前10m，左线与既有铁路隧道斜交后10m，共布设6个监测断面，每个监测断面在上部既有铁路衬砌结构的拱脚处左右侧各布设一个监测点，共计布设12个沉降监测点。布设情况如图5所示。

图5 新建地铁隧道下穿既有铁路隧道监测点平面图

3.2 既有铁路隧道结构沉降分析

由于既有铁路隧道受铁路管控，从相关自动化监测单位获取数据并汇总如图6所示。从图6可知，既有铁路隧道结构沉降先增大后减少，在新建地铁隧道右线与既有铁路隧道斜交处沉降最大，最大沉降量为1.3mm；在Ⅱ级围岩也就是在第六个监测断面既有铁路隧道沉降最小，沉降量为0.4mm；在新建隧道开挖初期，既有隧道结构沉降量大于开挖后期，表现出围岩强度越高、沉降越小。现场实测数据与模拟数据及变化趋势一致，验证了模拟的可靠性与准确性。

图6 既有铁路隧道结构沉降累计值

3.3 新建地铁隧道拱顶沉降变形分析

(a)

(b)图7 新建地铁隧道左线、右线拱顶沉降累计变化值曲线图

图7数据总结如表3所示。由表3可见，隧道拱顶沉降累计最大值为6.2mm，右、左线下穿斜交既有铁路隧道收敛最大值分别为：5.7mm、3.2mm，随着围岩强度的提高，变形越小。现场实测数据变化趋势与数值模拟吻合。由于受施工现场初期支护滞后、注浆滞后等施工因素影响，监测值略大于模拟数据属于正常情况。在隧道开挖后期，受初期支护结构作用，围岩处于应力平衡状态，围岩稳定。

表3 现场实测下新建地铁隧道拱顶沉降变形最大值

3.4 新建地铁隧道净空收敛变形分析

图8数据总结如表4所示。由表4可见，新建地铁隧道在Ⅳ级围岩收敛最大，最大值为4.81mm；右、左线下穿斜交既有铁路隧道收敛最大值分别为：3.66mm、2.79mm。新建隧道变形表现出围岩强度越高，变形越小。隧道净空收敛的变形趋势与数值模拟相似，受现场爆破振动、支护滞后、开挖步距偏差、监测仪器的误差等，监测值略大于模拟值属于正常情况。隧道收敛在开挖初期的1～2月基本完成隧道的收敛变形，在监测后期，收敛趋于稳定。

(a)

(b)图8 新建地铁隧道左线、右线净空收敛累计值变化曲线

表4 现场实测下新建地铁隧道净空收敛变形最大值

4 结论

为研究新建深埋地铁隧道下穿既有铁路隧道对既有铁路结构沉降的影响，以及下穿过程中新建地铁隧道拱顶沉降、净空收敛的变化规律，通过对深埋地铁隧道开挖过程数值模拟及现场监测数据对比分析，总结如下：

(1)从模拟数据可知既有铁路隧道结构最大沉降量为1.15mm，并且在下穿部位都未出现突变等变化较大的情况，同时模拟数据与现场实测高度吻合，而《城市轨道交通工程监测技术规范》[5]对隧道结构沉降变形控制值为3mm～10mm。因此，在Ⅱ级～Ⅳ级围岩下深埋隧道开挖对既有铁路隧道的影响较小。

(2)现场监测结果与模拟结果反应出来的变形规律吻合，并且都表现为围岩强度越高，变形越小。受现场初期支护滞后、不可避免地存在注浆空洞缺陷、监测仪器误差等，围岩强度等级越低现场监测数据变形略大于模拟数据，从而验证了模拟结果的准确性。

(3)结合模拟数据与现场监测数据，Ⅳ级围岩下的位移值约为Ⅲ围岩变形值的2倍，因此，在深埋隧道施工中重点关注较低强度围岩的安全稳定，其次关注上部既有铁路隧道等周边环境的影响。