新建地铁隧道下穿既有洞室的施工安全控制

宋林俐

（重庆市设计院有限公司，重庆 400015）

0 引言

近些年，重庆主城区开始大量建设地铁，设计施工过程中经常遇到近接其它建（构）筑物的问题[1]，此类情况在早期开展地铁建设的沿海城市已较为普遍。 但是，重庆主城区地质条件与沿海城市完全不同，重庆主城区主要为砂泥岩地层，岩体完整性较好，隧道开挖过程中的围岩变形相对较小。 因此，如完全照搬其它城市的设计与施工经验[2-4]，一方面施工安全的控制效果可能较差，另一方面将导致极大的工程投资浪费[5]。

本文以下穿既有洞室的重庆市地铁五号线某段区间隧道为案例，讨论其施工安全控制的分析方法，总结工程建设既安全又经济的施工方案。

1 工程概况

重庆市地铁五号线区间隧道正交下穿既有电力隧道，分左右双线，隧道限界为5.2m。电力隧道采用复合式衬砌结构，为圆拱直墙结构形式， 净宽2.4m， 净高2.3m。 区间隧道轨面设计高程为221.565m，与电力隧道结构净距最小为3.5m。

该区域为构造剥蚀丘陵地貌，沿线上覆土层厚3.3～12.1m，主要为素填土及粉质黏土，下伏侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩夹薄层状的砂岩，砂岩多以薄层状或透镜体形式出露，地下水量较小。岩土体物理力学参数如表1 所示。

表1 岩土体物理力学参数

2 地铁隧道开挖塑性区半径计算

在重力场作用下，σH=σV。 根据摩尔-库伦强度屈服准则，地铁隧道围岩塑性区范围内的应力σr和σθ满足下式[6-7]：

同时满足下列平衡条件：

由此可得：

在此基础上可推导出围岩塑性区内的应力。

式中：c——围岩的粘聚力；Φ——围岩的内摩擦角；a——开挖洞室半径；σa——洞室开挖面上的压力。

对于塑性区边界上的任一点，同时满足下列条件：

由此确定塑性圈半径为：

式中：R——塑性圈半径；Φ——围岩的内摩擦角；a——开挖洞室半径；σ0——岩体初始应力。

由此计算地铁隧道开挖引起的塑性圈半径R=3.19m，与二者结构净距3.5m 相比，地铁隧道施工风险较大，为了减小施工对电力隧道的影响，开挖前需采用超前预注浆对其拱部围岩进行加固处理。

3 地铁隧道施工影响范围分析

因为电力隧道是已建隧道，地铁隧道施工过程中，有必要估计其影响范围，以提前对该范围内的电力隧道加强观测。 现采用有限元数值计算方法，模拟地铁隧道施工过程，通过分析计算结果以确定施工影响范围[8-11]。

3.1 计算模型

因为电力隧道和地铁区间隧道为空间交叠的位置关系，为准确反应地铁隧道施工对电力隧道的影响， 故采用三维数值计算模型。考虑边界效应影响，模型宽度取值为100m， 高度取值67m，长度取值130m。水平边界上采用横向位移约束， 底部边界采用竖向位移约束，上边界为自由边界。计算模型如图1 所示。

图1 三维计算模型

有限元三维计算模型为离散后的三维网格计算模型。 建模过程主要考虑地质因素， 并进行了合理简化。 一是因岩层强风化层较薄，因此将其视为填土层；二是岩层中风化岩层包括泥岩、 泥质砂岩和砂岩等，其中，中风化泥岩的参数最弱，为降低建模难度，各中风化岩层统一按泥岩力学参数进行取值。 因此，简化后的模型岩土层分为两层，第一层是填土层，厚度为6.5m，第二层是中风化泥岩层，厚度为60.5m。

地铁隧道施工过程中对围岩采用了超前注浆措施，对加固后的围岩力学指标作如下处理：弹性模量、塑性指标在原参数值基础上提高30%，围岩重度提高10%，泊松比取0.3。

3.2 电力隧道围岩变形

图2 为地铁保护区内电力隧道和地铁隧道开挖后围岩位移云图。

图2 围岩位移分布云图（m）

为了观察电力隧道施工对地铁隧道开挖后围岩变形的影响，现取交叠段地铁隧道洞周关键点（拱顶、仰拱和左右边墙）处围岩位移计算结果，以地铁隧道受影响范围外某处围岩位移为基准点，绘制成围岩相对位移曲线，如图3 所示。 其中，拱顶、仰拱处围岩位移为竖向，边墙处围岩位移为水平向。 图中横坐标为地铁隧道纵向距离，“0”值对应电力隧道与地铁隧道衬砌中线相交处，纵坐标为围岩相对位移值。由图3可知， 在两个隧道相交处， 地铁隧道拱顶和仰拱处围岩相对位移最大， 而越偏离相交点， 其相对位移值越小。 在两个隧道相交处10m 范 围 内，地铁隧道左右边墙相对位移值均较大。

总的来看，电力隧道施工对地铁隧道拱顶处围岩变形影响最大， 从影响范围来看， 对围岩变形影响范围约为20m。

图3 地铁隧道洞周围岩相对位移曲线

3.3 既有隧道结构位移

为了便于观察沿电力隧道纵向衬砌的附加位移变化规律，现提取相关节点位移值， 绘制成曲线，如图4 所示。图中横坐标为电力隧道沿纵向距离， 纵坐标为地铁隧道开挖引起的电力隧道衬砌总位移值。 图中所示地铁左右线分别对应为电力隧道与地铁隧道左右线相交位置。

图4 电力隧道衬砌总位移曲线

从图4 可以看出，地铁隧道开挖后，电力隧道拱顶引起的附加位移最大值约为0.7mm，位于地铁左右线之间的段落；电力隧道左右边墙的附加位移变化趋势基本相同，最大附加位移值约为0.7mm，同样位于地铁左右线之间的段落。地铁隧道开挖对电力隧道衬砌位移的影响范围约为40m（沿电力隧道纵向）。

3.4 注浆长度影响

取纵向注浆长度分别为6m、12m、15m、18m、21m 五 种 工 况 进行计算，分析地铁隧道开挖引起的电力隧道衬砌附加位移、主应力和地铁隧道围岩位移变化趋势。

图5、 图6 分别为电力隧道衬砌位移和主应力峰值的变化曲线。 由图可知，随着注浆长度的增大，其峰值位移减小，但在注浆长度达到12m 后，位移变化趋于收敛；衬砌第一主应力峰值则变化不明显；第三主应力在注浆长度由6m 变化到12m 时下降很快， 而后随着注浆长度增加，主应力峰值下降幅度减小。

图5 电力隧道衬砌位移峰值变化曲线

图6 电力隧道衬砌主应力峰值变化曲线

图7 电力隧道正下方地铁隧道围岩位移变化曲线

图7 为电力隧道正下方地铁隧道典型断面关键点的围岩位移变化曲线。 从图中可以看出，随着注浆长度增加，隧道拱顶处位移沉降量逐渐减小，当注浆长度大于12m 后，减小趋势趋于收敛；仰拱处竖向位移基本呈线性减小；边墙水平收敛值在注浆长度由6m 变化到12m 时快速减小，后随着注浆长度增加变化趋于平缓。

4 结论

（1） 新建地铁隧道下穿既有洞室，当二者净距接近或小于新建隧道开挖的围岩塑性区时，应采取相应工程措施，具体可进行超前注浆加固，它能有效控制围岩变形，增强施工安全性。

（2） 既有洞室的存在对地铁隧道开挖过程中的围岩变形有一定影响，越靠近洞室，其地铁隧道围岩变形值越大，由上述工程案例分析可知， 影响范围约为相交断面处前后共20m 段落，即地铁隧道开挖宽度的3～4 倍。

（3） 下穿地铁隧道开挖可导致上方电力隧道结构发生变形，越靠近地铁隧道，其变形值越大，由上述工程案例分析可知，电力隧道结构变形影响范围约为相交断面处前后共40m 段落，地铁隧道施工过程中，应加强观测。

（4） 由上述工程案例分析可知，地铁隧道超前注浆长度由6m变化到12m， 其围岩变形及对电力隧道的影响程度均快速减小，后随着注浆长度继续增大，其加固效果不明显。 因此，与上述工程案例相似条件下， 下穿隧道注浆长度取2～2.5 倍洞径较为合理。