地铁隧道与城际隧道小净距并行影响分析及变形控制技术

潘 茜，劳晓春，游 杰

（1、佛山轨道交通设计研究院有限公司 广东佛山528315；2、佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东佛山528000）

0 引言

随着城市的发展，出现越来越多城市轨道交通隧道与城际铁路隧道交叉或并行的情况，而对城际铁路与城市轨道交通并行隧道的变形控制亟待研究，对增加隔离桩措施能否控制变形见解不一［1-7］。本文以广佛线二期工程某区间隧道与广佛环/广佛江珠城际隧道并行段为工程背景，通过计算模拟，并与实测数据进行验证，对两条隧道的变形影响进行分析，以试图对控制规律进行探讨。

1 理论依据

随着计算机技术的日趋成熟，通过有限元软件对隧道及周边土体的应力、应变情况进行分析，根据计算结果的变化规律，可以有效地指导现场施工。采用的主要理论如下：

1.1 线弹性分析平衡基本方程式

式中：K为体积模量；μ为体积变形率；p为力矢。

岩土材料的体积变形率：

1.2 土层采用摩尔-库伦模型

式中：σ1为第一主应力；σ3为第三主应力。

2 工程实例

2.1 工程概况

广佛线二期某区间隧道与城际隧道（广佛环、广佛江珠线）共同沿某道路敷设，两工程隧道之间的最小净距为3.7 m。该区间为盾构区间，右线长1 211.918 m，左线长1 205.200 m。某道路路规划路宽为50 m，已实现规划，目前道路车辆较少。

地铁盾构隧道采用管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，环宽为1.5 m 的钢筋混凝土管片，采用错缝拼装，隧道埋深为10～20 m。

城际隧道为广佛环和广佛江珠两线并行城际隧道，均采用明挖法施工。基坑最大宽度41.7 m，基坑深度为19 m。围护结构采用1 m 厚地下连续墙，支撑采用钢筋混凝土横撑（水平间距6 m）方案。地铁隧道与城际隧道并行段总平面与横剖面如图1所示。

图1 地铁隧道与城际隧道并行段总平面及横剖面Fig.1 Master Plan and Profile of the Parallel Section of Metro Tunnel and Intercity Tunnel

根据现场施工进度情况，广佛线二期隧道已先期实施，城际隧道明挖结构未进行开挖，由于后期实施的明挖隧道开挖体量大，水平最小净距为3.7 m，且基坑深于盾构隧道底部埋深，故后期城际隧道的施工对地铁隧道产生较大的变形影响。

2.2 工程地质条件

地下水位埋深约为0～2 m，两线隧道结构所处地层均处于饱和状态。

岩土参数建议值如表1所示。

表1 岩土参数建议Tab.1 Geotechnical Recommendation

3 计算分析

3.1 计算模型

结构计算采用有限元软件MIDAS/GTS。城际隧道和连续墙采用plane 单元，土体采用修正摩尔-库伦模型进行模拟（见图2）。结构模型范围取隧道外侧左右两侧各40 m，下至隧道稳定持力地层。主要分析盾构隧道完成后，城际隧道基坑分步开挖对盾构隧道的结构变形及地表沉降等的影响（见表2、图3）。

图2 计算模型Fig.2 Computational Model

图3 连续墙、隔离桩和城际隧道的空间关系Fig.3 The Spatial Relationship of the Continuous Wall，the Separation Pile and the Intercity Tunnel

3.2 分析方法

由于城际隧道结构距离盾构隧道较近，通过加固前后的结构变形及地表沉降进行对比，分析采取加固后的措施对两条隧道结构产生的有利影响。加固措施为考虑在围护结构与盾构隧道之间增加隔离桩，隔离桩直径1 m、间距1.2 m，隔离桩与地下连续墙的距离为1.0 m，与盾构隧道的净距为1.7～4.0 m。城际隧道的基坑模拟采用3 道混凝土支撑，分层开挖对盾构隧道的影响。

表2 分析施工步骤Tab.2 Analyze of the Construction Steps

3.3 计算结果及分析

通过三维软件计算得到2种不同工况下的计算云图，其中图4 为盾构隧道的水平和竖向位移云图，图5为城际隧道围护结构的水平及位移云图，图6 为围护结构水平位移云图，图7 为围护结构水平位移变化曲线，图8为地表沉降云图，图9为地表沉降曲线。

由图4～图8可知：

⑴两隧道之间土体内无隔离桩时，盾构隧道的水平位移为18.8 mm，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求，地铁隧道水平位移的控制值为20.0 mm，理论计算值已达到规范控制值的94%，并远超预警值10 mm 的要求，因此应采取相应的保护措施以确保地铁隧道的安全。

图4 工况7隧道水平及竖向位移云图Fig.4 Working Condition 7 Tunnel Horizontal and Vertical Displacement Cloud Map

图5 隧道水平及竖向位移变化曲线Fig.5 The Curve of Tunnel Horizontal and Vertical Displacement

图6 工况7围护结构水平位移云图Fig.6 Condition 7 Horizontal Displacement Cloud Diagram of Enclosure Structure

图7 围护结构水平位移变化曲线Fig.7 Horizontal Displacement Curve of Envelope Structure

图8 工况7地表沉降云图Fig.8 Condition 7 Surface Settlement Cloud Map

图9 地表沉降曲线Fig.9 The Curve of Ground Settlement

⑵基于计算结果分析，通过设置隔离桩，隧道的水平位移由18.80 mm 变化为10.20 mm，位移量减少45.7%；隧道的竖向沉降由7.33 mm 变化为4.27 mm，沉降量减少41.7%；城际隧道围护结构的水平位移由29.31 mm 变化为22.07 mm，位移量减少24.7%；地表沉降由39.50 mm变化为27.18 mm，位移量减少31.2%。

设置隔离桩后，可对地铁隧道与城际隧道之间的土体形成有效约束，减少城际隧道施工对地铁隧道的土体扰动。虽对城际隧道围护结构的水平位移影响不大，但对控制地铁隧道的水平及竖向位移均有显著影响，地表沉降也有较大程度地降低。

⑶通过对施工工序的模拟计算分析，施工步骤5城际隧道开挖至基坑底部时，地铁隧道出现最不利情况，水平位移及竖向位移出现极大值。施工步骤4～施工步骤5 的过程中，即基坑从第3 道支撑到开挖基坑底部过程中，出现连续墙水平位移变化增幅极大值，应在施工工程中予以重视和控制。

⑷通过模拟计算和实测数据的对比分析，地铁隧道实测最大水平位移为9.0 mm，最大竖向位移为3.9 mm，最大地表沉降为30.5 mm，地下连续墙最大水平位移为23.2 mm。实测数据与模拟计算结果较为接近，说明本次三维计算模型、选取的计算参数基本合理。其中地表沉降数据较模拟计算至高出11%，分析主要原因为模拟计算并未模拟连续墙成槽过程中对地表沉降的影响，因此实测数据适当偏高。

⑸在城际隧道开挖的过程中，无隔离桩和有隔离桩两种工况下盾构隧道位移变化趋势基本相同，说明设置隔离桩不改变盾构隧道位移随城际隧道基坑开挖的变化趋势，并主要受基坑开挖深度的影响。

4 施工过程对地铁隧道的变形控制技术

明挖城际隧道与盾构隧道并行段距离较近，且并行段距离长，明挖隧道施工对已建地铁盾构隧道的变形及沉降影响较大。故采取针对且有效的变形控制技术对确保基坑和地铁隧道的安全尤为关键。

4.1 增设隔离桩加固措施

通过计算分析及实测数据表明，采用隔离桩加固措施能有效地控制地铁隧道的变形及沉降。

4.2 连续墙采用双轮铣成槽工艺［9-10］

由于隔离墙距离盾构隧道较近，如采用传统的冲锤成槽工艺，必然造成对盾构隧道的影响过大。因此该工程采取了双轮铣成槽的施工工艺，减小了对地铁盾构隧道周边土体的扰动，通过实测结果显示，该项工艺施工对地铁隧道的影响均控制在5 mm范围内。

4.3 采取有效措施控制明挖基坑超挖

邻近地铁范围的明挖隧道基坑支撑均采用混凝土支撑，通过代替原有钢支撑的做法，既加强了围护结构的支撑刚度，同时也规避了基坑超挖而引起的围护结构变形过大的影响。

4.4 有效控制明挖基坑的接头渗漏水

在基坑连续墙接头提出利用超声波透射法对地下连续墙接头进行检测。

地下连续墙施工时的先行幅和后继幅间的接缝处易成为围护结构防水的薄弱环节，尤其是采用工字钢接头，接头处易发生夹砂、夹泥的情况，容易导致基坑开挖过程中出现接头漏水、漏砂的情况。通过超声波透射法技术，可准确的检测出地下连续墙接头质量缺陷的位置，方便采取有针对性的预加固处理，免除了以往对有怀疑的接头均进行处理加固，节省了施工成本，规避地下连续墙接头漏水、漏砂的重大风险点，降低了深基坑施工的安全风险。通过该项技术，针对性地对接头进行预处理。规避了盾构隧道因失水造成的变形或沉降等风险。

5 结语

本次计算分析采用三维模型，计算结果较为接近实际变形值。考虑到本次计算结果已经接近地铁保护规范的控制要求，因此在采取针对性的保护措施前提下，城际隧道施工可以满足盾构隧道结构安全及变形要求。通过有限元的模拟计算，结合现场实测数据验证，在采取隔离措施的情况下，水平位移、竖向位移及地表沉降均有显著降低，并补充了隔离措施施工过程中的控制技术，为后续类似工程的建设提供了技术参考。