暗挖隧道近距下穿既有区间隧道施工方案对比研究

王志强， 孙明磊， 刘志春， 王 妍

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.中铁十六局集团有限公司，北京 122000)

近年来，随着城市地铁建设规模越来越大，新建隧道下穿既有隧道的情况越来越多，由于下穿施工需要保证上方既有隧道正常运营，这就对既有隧道变形控制提出了较高的要求。目前下穿施工常见开挖方法有CRD法、柱洞法、侧壁导洞法，辅助措施有深孔注浆加固、顶升法、管棚支护法等，其目的在于减小开挖范围内土体扰动和地层损失，加固既有结构[1-3]。

本文以北京地铁17号线下穿既有6号线东大桥站工程为依托，通过数值模拟，对比分析不同施工方案下穿施工时既有隧道、新建隧道结构受力及变形规律，为现场施工方案的选择提供技术支撑。

1 工程概况

1.1 工程概况

17号线东大桥站与既有6号线东大桥站呈“T”型通道换乘。新建17号线东大桥站车站为岛式车站，车站标准段为暗挖双层双柱三跨结构。中间下穿既有6号线区间隧道为暗挖单层单洞结构(长36.5 m)，北端为暗挖双层三柱四跨结构(长49.7 m)。双层段结构顶覆土约15.2 m，底板埋深约33.6 m，新建隧道顶部距6号线底部距离2.2 m，工程环境风险等级为特级。新建隧道与既有隧道位置关系见图1。

既有6号线东大桥站为已运营车站。该站位于朝阳北路与东大桥路交叉口，沿朝阳北路东西向布置，西端为两层暗挖，东端暗挖单层，岛式站台，站台宽度13 m，车站全长255 m。既有6号线朝东区间为单洞单线暗挖隧道，复合式衬砌结构，下穿段区间覆土15.4 m，结构初支厚度0.25 m，二衬厚度0.30 m。

1.2 工程地质

图1 分离式单洞隧道下穿既有区间隧道(单位：m)

1.3 方案比较

两种开挖方案(见图2):新建隧道为平顶直墙+管棚支护(方案一)和新建隧道为拱顶直墙(方案二)，两方案均采用超前注浆技术来加固隧道开挖范围的土体，防止出现土方塌陷对既有地铁运营造成影响。隧道挖掘过程采用CRD法施工，施工中保持足够的施工间距，挖掘后及时支护封闭成环。

图2 开挖方案

2 建立计算模型

依据工程背景建立新建隧道下穿既有隧道的三维模型，分析管棚新建隧道对既有隧道的影响,模型尺寸为长90 m、宽50 m、高50 m。新建隧道先开挖左洞，待左洞贯通后开挖右洞，每条隧道分为六部分边开挖边支护，新建隧道左右边墙外侧2 m和底板下方1 m范围内注浆加固。隧道初支采用30 cm厚的C35喷射混凝土，采用板单元进行模拟。土体采用实体单元模拟，管棚结构按照刚度等效原则采用板单元模拟[4]，材料参数见表1。

表1 相关材料参数

3 既有结构和新建结构变形受力分析

新建隧道下穿既有隧道平面位置如图3所示。选择新建隧道左洞上方既有隧道1的横断面，对比分析既有结构竖向位移和主应力在隧道断面的分布特征，同时对比沿既有隧道仰拱中心线的竖向位移和主应力变化特征。

图3 平面位置关系

3.1 既有结构分析

3.1.1 变形分析

为确保上方既有地铁隧道正常使用，应对既有隧道的位移进行分析。既有隧道监测横断面发生沉降，其由仰拱至拱顶既有隧道结构沉降逐渐减小。从图4可知,方案一既有隧道仰拱竖向沉降曲线呈W型分布，沉降最大值为1.8 mm;方案二既有隧道仰拱竖向沉降曲线呈V型分布，沉降最大值为2.1 mm。从控制沉降的效果来看，采用方案一时既有隧道沉降最大值为方案二的85%，且方案一沉降曲线小于方案二。以上结果表明采用管棚支护可以减小下穿施工时上方既有结构沉降，最终沉降值在3.0 mm控制范围内，可以保证既有隧道正常使用。

图4 既有隧道沉降

3.1.2 受力分析

由图5～图6发现：两方案在既有隧道横断面上仰拱中部最小主应力的最大值分别5.7 MPa和8.4 MPa，由底板到两侧拱肩结构的应力逐渐减小;最小值分别为2.5 MPa和3.1 MPa，拱肩至拱顶应力再次增大。两方案中最大主应力最大值分别为1.6 MPa和3.4 MPa,均出现在仰拱中部。通过分析既有隧道的最大、最小主应力，最大值均出现在仰拱位置，其中方案一的主应力均小于方案二,且方案一主应力均在允许范围内。

图5 最小主应力横断面分布

图6 最大主应力横断面分布

由图7～图8发现：方案一中既有隧道仰拱的最小主应力在5.7～7.7 MPa变化，最大主应力在0.7～2.1 MPa变化。方案二仰拱的最小主应力在7.9～8.9 MPa变化，最大主应力在3.4～4.1 MPa变化，超过了混凝土抗拉强度。方案一既有隧道仰拱的最大、最小主应力始终小于方案二，故采用方案一时既有结构产生的应力更小，结构更安全。

图7 既有隧道仰拱最小主应力纵向分布

图8 既有隧道仰拱最大主应力纵向分布

3.2 新建结构分析

选择新建隧道左洞的横断面为监测断面(见图3)，对比分析新建结构竖向位移和主应力在隧道断面的分布特征，同时研究沿新建隧道顶部结构的竖向位移和主应力变化特征。

3.2.1 变形分析

新建隧道横断面上顶板沉降最大值分别为3.7 mm和3.0 mm，底板隆起分别为4.0 mm和4.2 mm。由图9可知,方案一拱顶沉降在1.5～1.9 mm变化，而方案二拱顶沉降在0.8～1.3 mm变化，方案一新建隧道顶部沉降值大于方案二，原因是拱形结构是更好的受力结构，产生的沉降更小。

图9 新建隧道拱顶沉降分布图

3.2.2 受力分析

由图10和图11可知，方案一拱顶最小主应力在4.3～5.7 MPa变化，最大主应力在1.6 ～2.2 MPa变化;而方案二拱顶最小主应力7.2～15.1MPa变化，最大主应力在3.1～12.8 MPa变化，方案一在新建隧道拱顶的最大、最小主应力始终小于方案二。通过拱顶主应力分布发现，方案一主应力分布较方案二更加均匀，而方案二在隧道两端均出现应力增大，且其最大应力超过了混凝土抗拉强度，混凝土结构将产生拉裂现象。

图10 新建隧道拱顶最小主应力分布

图11 新建隧道拱顶最大主应力分布

4 施工过程分析

选择既有隧道仰拱一处作为监测点(见图3)，研究该位置在施工过程中的位移和应力变化。

由图12发现，既有隧道仰拱监测点在施工过程中沉降发生两次快速增大，分析出现这种变化的原因:第1次是新建隧道左洞掌子面通过监测点下方，第2次为右洞掌子面在监测点旁边通过，且方案一沉降值在掌子面通过监测点后始终小于方案二。由图13和图14发现，监测点在施工过程中产生的主应力变化趋势大致相同，方案一最小主应力在5.4～7.0 MPa随施工步变化，最大主应力在1.1～2.5 MPa随施工步变化;方案二最小主应力在7.9～8.6 MPa随施工步变化，最大主应力在3.0～3.9 MPa随施工步变化，监测点主应力变化方案一始终小于方案二。

图12 既有隧道底板竖向位移变化 图13 既有隧道底板最小主应力变化 图14 既有隧道底板最大主应力变化

5 结论

(1)通过比较既有隧道的沉降和主应力可知，方案一中既有隧道的沉降是方案二的85%，最小主应力和最大主应力分别是方案二的68%和47%，表明方案一在控制既有结构沉降和结构产生的应力方面优于方案二。

(2)通过比较新建结构的竖向位移和主应力可知，方案一的顶部沉降和底板隆起是方案二的120%、95%，方案一最小主应力和最大主应力分别是方案二的43%和30%。表明在新建隧道顶部沉降控制效果上方案一不如方案二，但方案一在控制新建结构底部隆起和产生的主应力方面优于方案二。

(3)通过比较既有结构上监测点在施工过程中的位移和受力变化可知，方案一中的沉降、主应力变化始终小于方案二。表明采用方案一时施工过程对既有结构产生的影响更小，结构更加安全。

综合以上分析，工程采用方案一更加合理。