上穿既有隧道大直径管棚支护效果研究

何继华，姜 潇，张 宇，宋卓华，陶连金，吕金彪

（1.中铁二十三局集团第六工程有限公司，重庆 401121；2.北京工业大学，北京 100124；3.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045）

1 研究背景

城市地铁的大规模密集建设，势必会导致地铁线路出现交叉，而穿越既有线路常出现近距离交叉施工的情况[1]。

在近距离上穿既有隧道的情况下，控制对下方既有结构的影响，防止既有结构过大隆起，是穿越工程中的重中之重。其中，采用管棚支护减小地下工程施工对既有隧道的影响，是较常用的施工方法。

针对上穿工程，朱卫平等[2]运用弹性地基理论以及Peck公式，建立了盾构叠交隧道地层移动的数学模型。贺美德等[3]通过分析人行通道上穿地铁盾构隧道工程的实测数据，得出了覆跨比与夹土层厚度对变形的影响。张孟喜等[4]依托佛莞城际中盾构隧道上穿广州地铁7号线工程，通过现场监测与有限元方法分析了既有隧道的变形问题。张强[5]通过理论解析和数值方法，对城市中各种类型的上跨既有地铁隧道的开挖卸荷工程引起既有隧道竖向变形进行了分析，并在某工程中进行了验证。Yazdchi等[6]基于伦敦某工程，在不同的条件下计算了隧道立体交叉所引起的地面沉降位移，以及对附近结构位移的影响。

针对管棚支护，刘悦[7]将实测数据和有限元方法模拟相结合，分析了下穿既有线工程中采用大直径管棚支护的效果，研究了管棚合理参数。伍振志等[8]对管棚注浆在松软地层中的浅埋隧道工程的加固机理进行了研究，分析了管棚注浆的工程效果。王海涛[9]分别推导了深、浅埋隧道管棚受力荷载的计算公式，并基于Pasternak弹性地基梁理论，建立了管棚的力学分析模型。陈峥等[10]通过引入合理拱轴线，并考虑侧向土压力的影响，结合管棚间土拱破坏条件，给出了管棚合理间距的计算方法，并验证了计算方法的合理性。

通过对上述既有研究的分析可以看出，针对交叉穿越既有隧道过程中的力学分析已有较多研究，在下穿既有隧道工程中采用管棚工法控制既有线变形的工程也有较多案例。但是，在上穿既有隧道工程中采用大直径管棚控制既有结构隆起的相关案例十分少见，针对上穿工程中管棚控制既有线隆起的作用效果或作用机理的研究更为罕见。

本研究以北京地铁大兴机场线暗挖上穿既有盾构隧道的工程实例为背景，利用数值模拟与现场实测相结合的方法，研究在上穿工程中采用大直径管棚的效果和作用机理。

2 工程依托

2.1 实际工程概况

北京地铁大兴机场线是为配合北京大兴机场工程而建设的地铁线路，全长41.36 km。其中，磁各庄站—草桥站区间位于马草河东侧、镇国寺北街南侧的地块内，全长264.351 m。该段上跨既有10号线盾构区间，上跨段暗挖施工长60 m，暗挖区间断面为微拱直墙断面。施工采用洞桩法，最大开挖宽度14.8 m，最大开挖高度9.3 m，拱顶覆土约4 m，结构底距10号线隧道顶最小净距约0.85 m。

2.2 水文地质概况

施工范围内的地质情况如下：地面以下0.5～3.6 m为填土层，3.6～5.4 m为粉细砂层，5.4～16.1 m为砂卵石层。新建工程主要位于粉细砂地层中，既有线完全位于砂卵石地层。地下水主要为潜水，稳定水位深度24.8～25.9 m，主要接受侧向径流补给，以侧向径流和向下越流为主要排泄方式。

2.3 管棚布置形式

新机场线隧道超近距离上跨10号线既有结构，因此在大兴机场线暗挖区间上跨段施工中，隧道底部布置了大直径超前管棚，以控制既有隧道的隆起，如图1所示。

图1 相对位置(纵剖面)Figure 1 Schematic of relative position (longitudinal section)

管棚位于新机场线下方，10号线在既有盾构区间上方，具体位置见图2。管棚钢管外径402 mm，管厚16 mm，总长38.5 m。管棚钢管打入地层后，在钢管内填充水泥砂浆，以提高钢管的整体性与整体刚度。

图2 采用大直径管棚控制既有隧道隆起Figure 2 Control of existing tunnel uplift with large-diameter pipe shed

工程采用洞桩法进行施工，主要施工步序如下：

1) 深孔注浆加固上导洞拱部地层。从两竖井同时开挖①④导洞。

2) ①④导洞进洞10 m后施工②导洞，②导洞进洞10 m后施工③导洞。①④导洞通后施作人工挖孔桩与桩顶冠梁。

3) ②③洞通后施作导洞内二衬，每10 m一段跳仓施工，保留格栅主筋及型钢支撑。

4) 二衬扣拱完成达到设计强度后，拆导洞中隔壁。二衬扣拱中竖井开挖到位，打设下部管棚。

5) 开挖下部土体。

3 工程实测

3.1 实际测点布置

通过对大兴机场线暗挖上穿 10号线盾构区间施工过程的动态监测，收集了关于机场线上跨段地表沉降和机场线附近51 m范围内的既有10号线结构沉降的数据。既有线竖向变形监测点布设位置如图3所示。

图3所示的隧道结构沉降监测点布设于区间结构侧墙上，测点标志采用直径8 mm的膨胀螺栓，按预定位置钻孔埋入。使用Trimble DINI03电子水准仪监测，1 km往返测中差0.3 mm，采用几何水准测量方法测量。

3.2 实测结果分析

以图3中南北线两个D点的既有结构竖向位移为代表，分析两既有隧道竖向位移的变化趋势。提取既有盾构隧道南线和北线监测点D随着开挖发生的竖向位移值，绘制点线如图4所示。

图3 测点布置Figure 3 Layout of measurement points

图4 施工过程中既有线竖向位移Figure 4 Vertical displacement of existing line during construction

从图4中可以看出：在第170天前后，隧道竖向变形数据都出现了较为明显的沉降。究其原因，是这期间施工既有线上部管棚，位置贴近既有线上方(＜0.5 m)，打设管棚对周围土体产生了一定的挤压作用。在第190天之后，进入下部土体开挖阶段。从图4中看出此时是既有结构发生隆起的阶段。这主要是由于既有线周围土体卸载，下部土体发生回弹变形。因为开挖掌子面穿过南北线隧道的时间不同，开挖首先经过南线隧道，所以北线隧道的变化也就略微滞后。在第250天之后，隧道穿越既有线的施工基本完成，从图4中也可以看出既有线竖向变形已经基本稳定。

既有线南北线的最终变形曲线如图5所示，新建结构中心线上的监测点(D点)横坐标位置定为0。

图5 施工完成后既有线变形曲线Figure 5 Deformation curve of existing line after construction

从图5中可以看出：由于由南向北施工中先穿越南线，所以北线上各点最终变形量(隆起)均小于南线；最终隆起的变形集中在开挖区(+7～-7 m)，以及开挖区外0.5倍开挖区宽度(-7～-15 m)，即变形集中在以开挖区中线为中心的2倍开挖区宽度内；最终既有隧道隆起变形小于2 mm，实际控制效果良好。

4 数值模拟

在数值模拟阶段，首先仿照实际地层和工程情况建立三维计算模型，按照实际施工过程分7个施工步骤和2种工况(有无管棚)进行模拟，采用有限差分方法计算；最后提取计算结果数据，并进行了整理与分析。

4.1 数值模型建立

整体模型尺寸为60 m×60 m×45.8 m，隧道衬砌与管棚均采用实体单元进行建模，桩、锚等采用结构单元建模，土体采用六面体单元建模。模型上边界自由，四周边界限制了双向水平位移，底部限制三向位移。计算模型网格及尺寸如图6所示。

图6 模型示意Figure 6 Model diagram

根据实际地质情况数据，在模型中将场地分为 3层，从上到下依次为人工填土、粉细砂和砂卵石。土体在同一层内均匀连续。由于实际水文地质情况中水位较深，因此模型中不考虑地下水的影响。土体采用摩尔-库伦破坏准则下的理想弹塑性模型。

模型中采用的材料参数见表1，采用的地层参数见表2。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

表2 地层参数Table 2 Formation parameters

按照上述参数，并参考前述的实际施工过程，分7个施工步骤和2种工况(有无管棚)进行模拟，采用有限差分方法计算。计算结果按照与实测数据相同的测点进行位移数据提取。

4.2 既有结构位移

与实测数据采用相同的处理方法，在数值模拟结果中分析D点(见图3)位置的既有结构竖向位移。提取既有盾构隧道南线和北线监测点 D随着开挖进行而发生的竖向位移，与实测值进行对比，绘制点线如图7、8所示。

图7 既有线南线竖向位移变化Figure 7 Vertical displacement change in existing south line

图8 既有线北线竖向位移变化Figure 8 Vertical displacement change in existing north line

通过对实测数据和模拟数据的对比，可以看出数值模拟的结果与实测数据基本吻合，验证了数值模型的有效性。

4.3 管棚作用效果

通过在数值模型中取消新建结构底部的抗隆起管棚的作用，控制其他条件与有管棚计算工况相同(施工步序、结构参数、地层参数等)，建立了无管棚作用下的施工模型并进行计算，再将其结果与有管棚的工况进行对比分析。

分别提取两种工况下既有线上的监测点 D(见图3)在模型中不同施工步骤作用下发生的竖向位移值，将其绘制成竖向位移变化折线图，如图9、10所示。

图9 既有线南线竖向位移Figure 9 Vertical displacement of existing south line

可以得出以下结果：在两种工况下，隆起都主要发生在土体开挖阶段，沉降都主要发生在打设管棚阶段，这与实测的结论一致；相比无管棚工况，在新建结构底部采取打设管棚的施工方式，可以减少既有线1.5～2 mm最终隆起值；在打设管棚的阶段(130～180 d)，相比无管棚工况，有管棚工况多发生0.5 mm左右的沉降。

图10 既有线北线竖向位移Figure 10 Vertical displacement of existing north line

5 结语

为了研究大直径管棚对上穿工程中既有线隆起变形的控制效果，以北京大兴机场线暗挖上穿既有 10号线盾构区间工程为例，进行了数值模拟分析和现场实测分析，并得到以下结论：

1) 基于实际工程建立数值模型，并通过与实测数据的对比，得出数值模拟的结果与现场实测的结果基本吻合，验证了本研究采用的数值模型的正确性。

2) 既有线的隆起主要发生在土体开挖阶段，而既有线的沉降主要发生在打设管棚阶段。

3) 最终既有盾构隧道隆起变形，集中在以开挖区中线为中心的2倍开挖区宽度内；最终既有隧道隆起变形小于2 mm，实际控制效果良好。

4) 在打设管棚的阶段，有管棚工况比无管棚工况多发生了0.5 mm左右的沉降；而相比无管棚工况，管棚可以减少既有隧道1.5～2 mm最终隆起值。这证明，通过采用管棚工法，可以有效控制既有结构的隆起变形。