初支联拱二衬独立暗挖隧道穿越既有线风险控制措施研究

孙希波 孙立柱

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司 100068；2. 城市轨道交通全自动运行系统与安全监控北京市重点实验室 100068；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082)

引言

随着轨道交通建设不断推进，轨道交通线网不断加密，新建线路穿越既有运行线路的工程越来越多，新建线路施工能否保证既有运行线路安全成为了轨道交通建设的主要风险源[1-4]。

北京地铁16号线工程创造性地采用了初支联拱二衬独立式暗挖地铁区间，降低了暗挖地下区间施工风险，加快了施工速度[5]。随后在北京地铁7号线东延工程出入段线区间施工中也采用了这种隧道断面形式。这种新型暗挖隧道尚无大规模应用，针对该隧道结构的研究较少，而采用初支联拱二衬独立暗挖隧道穿越既有线施工尚无工程案例。

本文以北京地铁7号线东延工程出入段线区间穿越既有八通线土桥车辆段试车线及调头线为工程背景，提出了初支联拱二衬独立暗挖隧道穿越既有线风险保护措施，并对开挖过程进行数值模拟分析，结合施工监控量测，最终在保证八通线正常运营的前提下，顺利完成了穿越施工。

1 工程概况

北京地铁7号线东延工程出入段线区间采用矿山法施工，根据线间距变化分别采用单洞马蹄形断面和初支联拱二衬独立断面。区间隧道下穿八通线土桥车辆段调头线、试车线及易燃品库，调头线及试车线均为地面线，碎石道床，易燃品库为单层条形基础建筑。下穿段隧道为初支联拱二衬独立断面，隧道结构外皮距既有线轨道水平距离约0.66m～20.00m，距既有线轨道垂直距离9.00m～11.20m。见图1。

图1 区间与既有车辆段平面关系Fig.1 Profile relationship between section and existing depot

隧道结构所在土层主要为粘质粉土⑤1层，细砂⑤层、粉砂⑤3层、粉质粘土⑥层，底板位于细砂⑤层、粉质粘土⑥层。见图2。工程场地主要有四层地下水，分别为上层滞水(一)、潜水(二)、承压水(一)及承压水(二)，区间隧道大部分位于潜水(二)水位以下，局部隧道底部进入承压水(一)，区间下穿既有线范围施工期间进行降水，进入既有线围墙范围降水井无施工条件，采用注浆堵水，围墙外采用降水。

图2 区间与既有车辆段剖面关系Fig.2 Profile relationship between section and existing depot

2 隧道结构设计参数

受线路即将进入车辆段条件的限制，线路需要以双联拱隧道的断面形式穿越土桥车辆段。区间双联拱隧道多采用中洞法施工，中洞法施工的双联拱隧道施工工期长、工序较多、繁琐，施工中力学转换复杂，中隔墙混凝土容易开裂及顶部漏水等问题也难以解决。在施工中常用的双连拱断面有三种，分别是对称式、等跨不等高式、初支连拱二衬独立式，这三种断面各有优缺点，基于下穿车辆段对变形要求较为严格，因此需要重点研究双联拱方案，以采用最优的方案。

表1 双联拱断面比选Tab.1 Cross section comparison of double arch

根据表1的分析，对称式工期较长，不满足本工程需要，等跨不等高式工期可以，但费用略贵，且受力不对称，结合本工程特点及工期原因，推荐采用初支联拱二衬独立断面，受力较好，工期及费用均比较合适。

区间下穿既有线范围采用初支联拱二衬独立断面，开挖跨度11.9m×6.62m，具体设计参数见表2。

表2 隧道设计参数Tab.2 Parameters of tunnel design

3 隧道施工步序

根据隧道结构特点及下穿既有车辆段保护要求，本段隧道开挖分为4个区域(图3)。

燃油蒸汽发生器控制器功能为：① 燃烧器启动时不点火。油泵工作后点火失败时，为防止锅炉内的积油现象，判断点火与否后，如不点火停止燃烧器的工作。② 再点火。运行中因点火火焰不能感知时，从判断不点火开始预吹扫后重新启动点火变压器并再点火。③ 安全卡断。燃烧器启动油泵工作前感知火焰时，停止燃烧器工作的同时点亮点检灯并报警。④ 运行中点火。在燃烧器运行中点火时，启动再点火功能正常时继续运行，再点火失败时，停止燃烧器运行安全卡断装置启动。⑤ 其他情况点火。运行当中发生低水位时，首先停止油泵，安全卡断装置启动。

图3 隧道开挖分区示意Fig.3 Schematic diagram of tunnel excavation partition

具体施工步序如下：

(1)拱部深孔注浆，采用台阶法开挖1号洞室，打设锁脚锚杆，及时架设格栅钢架。

(2)1号洞室超前5m～7m，开挖2号洞室，封闭初期支护钢架并进行背后注浆。

(3)1、2号洞室贯通后，开挖3号洞室，封闭初期支护钢架并进行背后注浆。

(4)3号洞室超前5m～7m，开挖4号洞室，封闭初期支护钢架并进行背后注浆。

(5)初支贯通后，施做左右洞室仰拱防水层及二次衬砌结构。

(6)根据监控量测数据拆除1号洞室临时仰拱，拆除长度不大于6m，施做左线隧道侧墙及顶拱的防水层和二次结构。

(7)左右线错开10m～15m，根据监控量测数据拆除2号洞室临时仰拱，拆除长度不大于6m，施做右线隧道侧墙及顶拱的防水层和二次结构。

4 区间下穿既有线风险控制措施

区间隧道初支外皮与试车线水平净距仅0.66m，距调头线水平净距12.8m，垂直净距9.00m～11.20m，不足一倍开挖洞径，为一级环境风险工程。结合工期，区间隧道采用新型初支联拱二衬独立断面，工程经验较少，穿越既有线尚属首次，为保证八通线土桥车辆段正常运营，需保证轨道沉降满足控制指标要求。因此，本工程主要采取了以下风险控制措施(图4)：

图4 风险控制措施示意Fig.4 Schematic diagram of risk control measures

(1)穿越段采用拱部注浆加固土层措施，加固范围为结构初支外2m，应保证注浆体连续均匀。隧道邻近段前10m应作为试验段，根据注浆效果及监测结果调整注浆工艺及参数。深孔注浆采用后退式注浆工艺，注浆压力0.8MPa～1.0MPa，扩散半径0.75m。浆液采用水泥-水玻璃双液浆。

(2)控制隧道开挖步距0.5m，开挖后及时架设格栅钢架，格栅间距0.5m，喷射初支混凝土；上台阶的脚部设锁脚锚杆，采取两根并排。

(3)加强初支背后注浆，注浆分两次进行：第一次距开挖面3m，为低压注浆，浆液从掌子面冒出时即结束；第二次距开挖面8m，为饱压注浆，注浆压力0.5MPa，必要时进行再次补浆。

5 施工变形预测

5.1 土层及结构模型

本文采用MIDAS-GTS岩土工程数值分析软件，建立三维数值分析模型模拟区间隧道下穿施工全过程。模型长度135m，宽度72m，高度36m。土层采用Mohr-Coulomb模型，该段地层构造及土层参数如表3所示。

表3 土层材料参数Tab.3 Parameters of the soil layers

隧道初支及二次衬砌结构采用弹性模型，土层及隧道结构模型如图5所示。

图5 土层及隧道模型Fig.5 The soil layer and the tunnel model

5.2 计算结果分析

因车辆段试车线及调头线均为地面线，本文以地表沉降代表车辆段线路沉降。根据数值分析结果(图6、图7)，1号洞室开挖后地表沉降最大为0.6mm，2号洞室开挖后地表沉降最大为0.7mm，3号洞室开挖后地表沉降最大为2.3mm，4号洞室开挖后地表沉降最大为2.7mm。可见隧道左线施工(即1、2号洞室开挖)对既有线影响很小，沉降仅为0.7mm，3号洞室开挖后，由于群洞效应影响，沉降迅速增大，但由于采取了地层加固措施，最终总沉降量2.7mm仍较小，满足既有线运营的要求。

图6 开挖后竖向位移云图(单位：mm)Fig.6 Nephogram of vertical displacement after excavation of tunnel (unit：mm)

图7 竖向变形曲线Fig.7 Vertical deformation curves

5.3 既有车辆段试车线及调头线变形控制指标

根据北京交通大学编制的《出入段线邻近土桥车辆段试车线及调头线安全性影响评估报告》及隧道开挖数值模拟分析，并参考类似工程经验，在综合考虑预测变形及既有结构允许变形基础上，确定了既有车辆段试车线及调头线变形控制指标，见表4。

表4 既有车辆段变形控制指标Tab.4 Deformation control index of existing depot

6 施工监测数据分析

对既有车辆段试车线及调头线道床结构竖向变形、沉降速率进行监测。由监测结果(图8)可知，整个隧道开挖过程中，道床最大沉降4.25mm，通过注浆抬升后最终沉降3.79mm，与预测值2.7mm有一定差距，分析原因是由于现场因场地限制，邻近既有车辆段一侧降水井无法实施，现场采用深孔注浆堵水，存在一定的水土流失现象，但总沉降值仍满足沉降控制指标要求，车辆段正常运营。沉降达4.25mm后，施工现场组织了多次补注浆并加强深孔注浆加固，沉降值有所回升，可见注浆措施可有效控制既有结构沉降。

图8 道床结构沉降历时曲线Fig.8 Duration curve of ballast structure settlement

7 结论与建议

1.初支联拱二衬独立暗挖隧道首次应用在穿越既有线工程，通过注浆、优化施工步序等辅助工程措施，能保证既有线安全及正常运营。

2.初支联拱二衬独立暗挖隧道单侧洞室开挖

对土层扰动很小，另一侧洞室开挖后沉降增长较快，施工过程中应特别注意两侧洞室初支顶部节点预留定位准确，避免另一侧洞室开挖产生较大地层损失。

3.根据现场施工监测量控数据，施工完成后既有线各项变形指标均满足要求，验证了风险控制措施的可行性及有效性，为今后初支联拱二衬独立暗挖工法更广泛应用提供了有力的技术支持，也对今后类似穿越既有线工程具有借鉴意义。