地铁暗挖区间以极小间距下穿高铁盾构隧道施工支护技术研究

叶成诚

（中铁上海工程局集团有限公司）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通事业迅猛发展，越来越多的轨道建设需要穿越既有运营线、桥梁、铁路隧道等。因此，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展开了大量研究。张成平等[1]探讨了施工前对既有地铁轨道和隧道结构合理加固措施。冯山群等[2]计算分析了开挖过程中临近建筑结构内力及变形的变化情况。戚宇涵等[3]通过数值模拟与监测数据对比分析，对开挖过程对轨道的影响，进行了分析研究。高朗[4]研究了“CRD法+直墙暗挖”下穿既有车站的可行性。张社荣等[5]对新建隧道下穿既有营运车站的施工方案进行比选，结合监测结果，验证了当前施工方案的适用性。杨会军等[6]针对近距离穿越既有线工程问题，分析了开挖支护施工对既有线的影响。张振营等[7]认为地层初期支护的施作时机和支护刚度的合理确定是地层变形控制的关键。

Burland J.B 和 Lunardi P 以及 Chang S.B等[8-10]相继对新建隧道通过不同施工方法下穿既有线的影响进行了研究。

笔者针对极小间距穿越工程，对比深孔注浆与管棚+深孔注浆的复合预支护方案对地层变形、地表沉降、盾构管片变形的影响，以北京某地铁区间“极小间距”下穿大直径高铁在建盾构隧道工程为案例，对其进行数值计算分析，结合监测结果，验证复合预支护方案的合理可行性。其结果能够为后续轨道交通建设类似工程施工提供参考。

2 工程概况

北京某地铁线位于北京北三环，线路主要沿北三环西路下方敷设，区间为双线单洞隧道，人工开挖，位于卵石层，当前地下水位位于区间结构底板上3.8m，施工前已将水位降至结构底板下1m的位置。区间隧道在施工过程中需要下穿正在新建的京张高铁大断面盾构隧道（见图1），其隧道盾构开挖直径12.64m，两条隧道之间垂直净间距仅为1.625m。

图1 地铁隧道和高铁隧道相对位置图

图2 地铁区间极小间距下穿高铁盾构隧道三维建模图

表1 围岩物理力学指标

表2 支护结构力学计算参数

3 施工方案比选

本案例参考国内外类似工程经验，并综合专家意见，确定了地铁暗挖隧道下穿京张高铁盾构隧道的两种初步施工方案，即深孔注浆和管棚+深孔注浆。

3.1 数值仿真

3.1.1 数值模型

采用限元数值软件FLAC3D有对地铁隧道施工支护过程进行数值模拟，考虑到边界效应影响，模型边界取3倍以上洞直径，上部边界取至地表，数值模型如图2所示，模型几何尺寸长、宽、高，分别为80m、80m和50m。管片接缝利用等效刚度折减法实现。

3.1.2 计算参数

地铁区间围岩及填土采用Mohr-Coulomb模型，其具体物理力学指标见表1。初支、二衬及管片采用弹性模型，深孔注浆效果通过提高围岩变形模型和黏聚力等值实现，参数取值见表2。

3.2 计算结果及分析

两种支护方案的地层变形、沿地铁方向及高铁方向的地表沉降、高铁盾构管片沿环向变形如图3～图5所示，对比深孔注浆支护，复合预支护的拱顶变形变形降低了26.2%，仅为14.4 mm；地表沉降均相对减少30%，仅为8.6mm及8.9mm；管片最大变形减少23.8%，仅为6.7 mm。

图3 地铁双隧道区间拱顶截面地层变形

图4 沿地铁区间方向地表沉降曲线

图5 盾构管片纵向变形曲

表3 两种方案的特点对比

3.3 方案对比结果

两种方案的特点如表3所示。其中，复合支护方案防塌效果明显，能够有效地确保两条隧道在施工期和运营期的安全，因此本例地铁暗挖隧道采用复合支护方案。

4 施工过程

4.1 开挖方法

本案例的开挖方法为台阶法+临时仰拱法，其纵向施工工序如图6所示，将隧道分为两部分开挖。首先，在超前小导管预注浆加固地层，其次，开挖上台阶，开挖进尺为一榀格栅间距，并及时进行初期支护+临时仰拱，最后，待上台阶开挖至10m～15m后进行下台阶的初期支护开挖。上下台阶错开长度保持在10m～15m，开挖后需及时进行封闭。

图6 纵向施工工序图

4.2 管棚+深孔注浆预支护

4.2.1 管棚施工

超前管棚加固（见图7）为隧道拱顶100°打设DN180大管棚支护，京张高铁隧道前后各10m，管棚总长32.2m。为减少管棚施工过程中自身沉降，管棚采用自进式管棚，侧面焊接锁扣将施工钢管链接在一起，形成整体支护。管棚采用壁厚12mm的DN180热轧无缝钢花管，外插角为0°～1°，环向间距400mm。管棚施工采用螺旋出土顶管施工，边出土边顶进，在工作钢管中穿入钻头以及螺旋钻杆，安装到顶管机上并连接好，通过液压泵站使顶管机动力头旋转，同时配以顶管机的油缸将工作钢管徐徐顶入土体，做为内管的螺旋钻杆随着旋转，通过螺旋叶片带出土屑。

4.2.2 深孔注浆施工

深孔注浆施工过程如图8所示，隧道开挖轮廓线外2.5m以及掌子面全断面范围内均进行洞内深孔注浆，注浆压力控制在0.2MPa～0.8MPa。注浆浆液采用水泥-水玻璃双浆液，注浆加固体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa，单孔浆液扩散半径约0.5 m。注浆管采用后退式（WSS）注浆施工，分节钻孔，钻杆直径42mm，每节长度为2.0m，两节之间采用双孔专用接头和专用钻头钻孔。每段注浆长度10m～12m(根据现场实际情况对注浆段落长度进行调整)，前后两序注浆段落搭接长度为2m。

图7 区间下穿京张隧道措施剖面图

图8 深孔注浆工艺流程图

4.2.3 监控量测

为确保施工期间在建京张隧道的安全及正常使用，通过地表沉降、洞内收敛、拱顶沉降监测、京张盾构竖向变形自动化等施工监控量测及时掌握在建京张隧道的动态进行分析、预测和反馈信息，以指导施工，必要时修改设计，确保工期和施工安全。

1）地表沉降观测

在隧道开挖前布设点位，地表沉降观测点与隧道内测点布置在同一断面里程。

2）洞内监控量测

在京张前后各10m范围内布置监测点，测点断面间距每5m一个，每天进行监测、及时反馈数据并整理分析，指导现场施工。

3）京张隧道竖向变形自动化监测

监测网按测线形式在隧道结构左右两侧布置，基准点在受施工影响外的区域设点。测点间距为隧道道结构沉降测点的两倍。

5 施工效果

地铁暗挖隧道通过在施工中，严格按照既定的施工方案并强化施工过程中的监控量测，最终京张高铁盾构竖向沉降变形平均为1.555mm，确保了隧道施工的安全质量。

6 结语

以北京某地铁区间极小间距下穿京张高铁盾构隧道为工程背景，对深孔注浆与复合支护方案的支护效果，为风险工程段施工方法选取提供科学依据。研究结果表明：

①现有隧道下穿施工方案实施，对控制高铁建盾构隧道变形效果较好，满足结构的控制要求。

②相对传统的深孔注浆预支护方式，复合预支护方案可以控制围岩的变形量，复合预支护方案可以降低围岩变形26%左右，提高其上方刚度，地表沉降量减少了30.4%左右，仅为8.9 mm左右，提高地铁上方围岩的刚度，减少管片变形，最大径向变形减少了23.8%左右，最大径向变形为6.8 mm。

③地铁隧道开挖施工后，监测结果与计算结果的变形规律基本一致，最终，京张高铁盾构竖向沉降变形为平均1.555mm，可见对高铁盾构隧道的下穿施工方案是可靠的，且对于以极小间距下穿大直径高铁在建盾构隧道工程，复合预支护方案可大幅度控制盾构隧道的变形。