高速铁路浅埋暗挖隧道近距离上穿既有地铁隧道风险控制研究

杜贵新 蒲 松 叶来宾 陈 爽

(1.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800； 2.西南交通大学，成都 610031)

1 概述

随着城市地下空间利用的进一步提高，隧道近距离施工越来越多，如上跨(下穿)既有隧道、左右并行等。其中，新建上跨隧道近距离施工可能对下卧隧道造成破坏，影响其运营安全[1]。

近年来，许多学者对隧道近接施工进行相关研究，陈志海应用FLAC3D三维数值软件模拟土压盾构以25°角下穿间距5.5 m的既有隧道，获得土压盾构快速掘进施工参数[2]；韩高升在新苔井山隧道平行近接施工中，证明采用3 cm/s的爆破振动控制标准安全可行[3]；诸军通过注浆加固地层、加强锚杆支护参数、接近施工处加强对既有隧道和新建隧道监控测量等优化施工方案，保证新建隧道安全下穿既有隧道[4]；沈刚应用MIDAS模拟新建盾构隧道垂直下穿既有隧道，并研究两隧道相互影响机理[5]；郭建宁等基于宁波地铁斜下穿运营公路隧道，应用数值分析方法研究新建隧道对既有公路隧道的影响[6]；梁建波通过有限元模拟广州新建盾构隧道下穿既有隧道，并结合实测数据与有限元模拟结果分析，总结既有隧道沉降影响[7]；GHABOUSSI等研究纽约布鲁克林区污水隧道近距离垂直上穿运营地铁隧道工程，发现下卧隧道在上方隧道施工影响区内管片在竖向上呈现“拉长”现象[8]；王剑晨等发现，可以采用Peck 高斯公式拟合下卧隧道上浮变形[9]；刘亮等采用MIDAS模拟某软土地区三层交叠的地铁区间，并结合现场数据分析，发现上方隧道施工会引起下方既有隧道上浮，其上浮量与交叠隧道的净距有关[10]；张晓清采用预制乳胶膜袋放水的类比试验法模拟盾构掘进过程中的地层损失和卸荷作用，对比后发现先施工下洞后施工上洞时，对下洞的影响较小[11]；丁智等利用有限元软件模拟新建盾构隧道对既有地铁线的影响，总结既有地铁结构变形及内力变化规律[12]。

不难看出，以往研究多基于新建隧道下穿或平行接近既有线，在新建隧道近距离上穿既有隧道施工措施方面的研究还较少，以新建清华园暗挖隧道一期工程为研究背景，对浅埋暗挖隧道近距离上穿既有隧道风险控制进行深入研究。

2 工程背景

2.1 新建隧道工程概况

新建京张高铁清华园隧道全长6 020 m，隧道起始里程为DK13+400，终止里程为DK19+420，埋深为4.99～5.39 m。采用矿山法开挖，马蹄形断面，总开挖宽14.188 m，总开挖深11.216 m，开挖面积约110 m2，隧道在清华路段近距离上穿地铁15号线，且整个隧道走向与地铁13号线一致。

2.2 工程地质概况

区间隧道穿越地层依次为：杂填土、粉质黏土、卵石、粉质黏土，其物理力学参数见表1。其中，新建隧道洞身和洞顶土层主要为粉质黏土层，洞身范围内主要为上层滞水，水量较少，水位埋深为38.45～44.95 m，存在于粉土、粉质黏土孔隙中。

表1 土层参数

2.3 15号线折返区间及13号线工程概况

京张高铁清华园隧道DK18+509～DK18+570暗挖段上穿地铁15号线清华东路西口站折返区间(K4+400～K4+415)。新建隧道近似垂直于地铁15号线，平面交角为88.8°，隧道底部与15号线结构顶部最小净距离为0.8 m，见图1。

图1 清华园隧道与既有地铁15号线相对关系(单位：m)

京张高铁清华园隧道DK18+506～DK18+570暗挖段邻近地铁13号线五道口地铁站—上地区间(K6+822～K6+872)。该区间范围内地铁13号线为桥梁段，其基础为φ1.0 m的钻孔灌注桩，承台上为混凝土方形双柱墩，13号线桥桩距隧道结构外缘约13.8 m。

根据DB11/1067—2014《城市轨道交通土建工程设计安全风险评估规范》和仇文革的研究，清华园暗挖隧道与地铁13号线的风险等级为三级；与地铁15号线的施工风险等级为特级[13]。故以下主要分析新建清华园暗挖隧道施工对上跨已有地铁线路15号线产生的主要风险并提出相应的解决措施。

3 风险分析

在该暗挖段中，地铁15号线的建设对地层进行首次扰动，原本在初始应力状态下平衡的地层发生应力重分布；支护结构形成增加了围岩径向压力，围岩再次受扰动，地层发生第三次应力重分布。新建清华园隧道的施工再次打破地层的平衡状态，从开挖再到支护结构的施加，地层再次发生2次应力重分布，最终围岩经历了5次应力重分布。应力重分布将彻底改变地层最初的应力分布状态。在地层应力不断转化、演变的复杂地层环境下，新建上跨地铁隧道在保证安全施工的同时，还要最大限度减小对既有线的影响，这将会是一个极其复杂的工程挑战。

与此同时，本段穿越粉质黏土层，该土层在遇水或失水情况下将产生严重的土层变形；另外，暗挖段下穿清华东路段，车流量较大，重载车辆较多，地层极易产生大量的不均匀沉降；另两垂直隧道之间的夹土层厚度仅有0.8 m，施工过程中很有可能造成夹土层破坏，并对下卧隧道造成损害，土体的压重释放也会使下方土体回弹，使下卧隧道发生不均匀的竖向变形。这都将加大工程施工难度。

4 控制措施

为确保15号线正常运营，必须最大限度降低隧道施工对下卧隧道的影响，减少结构变形。先根据工程类比的经验分析法及现场实地勘测分析，得出一系列风险控制措施；再通过现场自动化监测及时反馈信息来指导下一步施工。

4.1 双侧壁导洞法开挖

为最大限度减小施工对既有隧道的影响以及地表沉降，本次开挖工法选择双侧壁导洞法，左右侧导洞分两步开挖，中间分三步开挖。初期支护采用“喷射混凝土+I22a+钢筋网”的形式，二衬为素混凝土。衬砌形式采用整体受力较好的曲墙带仰拱式。为使初支发挥更好的支护效果，在施工过程中，通过设置临时仰拱和中隔壁来及时闭合断面，增加结构刚度，从而减少地面沉降。在施工中严格采用标准化施工，防止事故发生。

本次工法开挖步序为：先采用预留核心土的上下台阶法开挖宽8 m，高7.63 m的右侧导洞，预留台阶长小于5 m；待右侧导洞进行15 m后，以同样方法开挖左侧导洞；开挖15 m后，开挖正洞上台阶右侧部分，待正洞上台阶右侧部分进行15 m后，开挖正洞上台阶左侧部分，每次循环开挖0.6 m；再开挖正洞中台阶，一次开挖，最后开挖正洞下台阶。

4.2 预应力锚索集中加固邻近土层

上部土体的开挖会对下方既有隧道起到卸荷作用，下卧隧道会发生一定上浮变形，其大小与两隧道间的夹土层厚度、新建隧道开挖方法等有关。其中，夹土层厚度越小，下卧隧道整体上浮值越大[14]。本工程两隧道最近处夹土层厚度仅0.8 m(这是夹土层厚度相对很小的案例)，为确保下卧隧道的正常运营，必须采取相应措施。

经综合分析，制定上穿15号线地段处集中施加预应力锚索方案。在DK18+528.5、DK18+529.5、DK18+530.5、DK18+548、DK18+549、DK18+550处，垂直向下各设置6道预应力锚索(一侧扩大基础脚趾上设置3道，两侧共设置6道)，即新建隧道通过前后段各设置18道预应力锚索，共采用36道预应力锚索。预应力锚索采用钢绞线，长25 m，锚固段长14 m，设计拉力为600 kN(见图2)。

图2 锚索布设示意(单位：cm)

4.3 超前注浆加固地层

(1)表层注浆加固

本暗挖段路面荷载偏大，且区间穿越地层主要以遇水及失水情况下易产生湿陷下沉现象的粉质黏土层为主，土质较差，上跨既有隧道施工不仅会对下卧隧道造成影响，也会对上表地层造成影响，为防止上表地面出现大幅度不均匀沉降，就需采取一定加固措施。针对本项工程，采用φ50 mm导管进行超前注浆。

新建隧道拱顶土层注浆加固是工程的重难点，由于本暗挖段有很多重要管线，如污水管、燃气管、电线管等，在注浆前，需先采用地质雷达扫描，确定管线位置，标注记号，然后在靠近管线位置时停止钻孔施工，以避免注浆施工对地下管线的破坏。

(2)掌子面注浆加固

地层应力多次重分布，导致洞室围岩稳定性较差，若不提前对掌子面进行加固，易产生一系列工程风险。对于开挖掌子面的加固有很多措施，可以进行注浆加固，即对掌子面周围的不稳定土层注浆增加其黏聚力；还可以对周围土层打设锚杆增加其整体刚度。

考虑施工安全和经济性原则，选择局部性注浆方案。选用水泥—水玻璃双液浆，浆液配合比为1∶1，在进行注浆加固时，注浆压力宜控制在0.8～1 MPa，注浆范围为正洞开挖轮廓线以外3 m、侧导洞开挖轮廓线以内1 m，注浆深度为10 m。应按照由外到内的顺序循环注浆，每循环断面上设4环注浆孔，每环25个注浆孔，共设100个，孔与孔之间间隔注浆。注浆孔布置见图3。

图3 注浆孔布设(单位：cm)

(3)小导管注浆加固

侧导洞开挖高度较高，开挖面积较大，若不进行侧导洞超前注浆支护，就会有掌子面倒坍的风险。综合分析后采取超前小导管注浆支护开挖面的措施，在两侧导洞中上部分施作φ42 mm、长3.5 m、间距30 cm的注浆小导管，每环布置29根，插入角为10°～15°(见图4)。

图4 侧导洞小导管布设(单位：cm)

浆液选用水泥—水玻璃双浆液，水灰比为0.5～1，注浆压力为0.5～1 MPa。小导管的注浆量为

(1)

式中，q为注浆量；R0为注浆浆液的注浆半径；L′为注浆钢花管中至中的距离；L为钢花管长度；n为围岩空隙率，本段取10%。

值得注意的是，小导管上需预留止浆段，以防止浆液从管尾遗漏。

5 施工监测及信息反馈

5.1 施工监测

陈亮指出，上跨隧道在施工过程中，下卧隧道会经历沉降、隧道通过隆起、隧道穿越急剧隆起、后期沉降4个阶段[15]。在新建隧道施工监测方面，需对地表位移、已有隧道拱顶和拱底位移、既有地铁线路轨道结构变形、既有隧道洞周收敛进行监测，见表2。其中，既有地铁线路轨道结构隆起变形值直接影响既有运营隧道的安全，其检测精度和频率应显著提高，故将其列入自动化监测项目中，见表3。

表2 监测项目及其监测频率

表3 自动化监测项目

5.2 测点布置及监测方法

(1)地表沉降监测

测点布置与埋设：严格按照审查后的监测图纸布点，应优先考虑在辅路上设置，其次是道路两侧路边及应急停车带，最后是道路中间。

监测方法：采用水准仪，将监测点与基准点(或工作基点)构成闭合环线或附合水准路线检测。

(2)新建隧道拱顶位移

测点埋设：拱顶位移测点布置在隧道上导洞顶部，随着工程进展的形成而延伸，平均每8 m布设1个测点，在近接处集中布设。

监测方法：采用水准仪和钢卷。架设水准仪，将钢挂尺悬挂在测点上，待钢尺平稳后读出基点数值ai和待测点的数值bi，计算本次沉降和累积沉降值，有

hi=|ai-bi|-|ai-1-bi-1|

(2)

h=∑hi

(3)

式中，ai为本次测得的基点数值；bi为本次测得的待测点数值；ai-1为前一次测得的基点数值；bi-1为前一次测得的待测点数值；hi为本次沉降值；h为总累积沉降值。

(3)既有隧道拱顶位移

测点布设：拱顶位移测点布置在隧道轴线顶部，每8 m布设1个测点，在近接处集中布设。

监测方法：同新建隧道拱顶位移测量方法一致，为不影响隧道正常运营，宜在夜间测量。

5.3 现场实时变形监测

新建隧道拱顶位移、下卧隧道拱顶位移及下卧隧道结构水平收敛测点布设见图5。

图5 测点埋设示意

现场监测数据显示，最大地表沉降发生在新建隧道轴线上方，最大沉降值为7.08 mm，远小于地表下沉控制值。图6为最大地表沉降监测点随施工进度位移变化情况，横坐标代表施工断面到监测断面的距离，纵坐标代表通过监测点前到通过后的位移变化情况。

图7为新建隧道最大拱顶位移监测点随施工掘进的位移变化情况，最大拱顶下沉为2.4 mm，远小于拱顶下沉控制值。从图6、图7可以看出，隧道拱顶下沉同地表下沉变化相似，通过前略上拱，通过中快速下降，通过后趋于稳定。

图6 最大地表沉降监测点位移变化

图7 新建隧道最大拱顶位移监测点位移变化

图8为下卧隧道最大拱顶位移监测点随施工掘进的位移变化情况，下卧隧道拱顶位移最终表现为上浮，上浮值为4.8 mm，远小于拱顶位移控制值，分析可得，新建隧道通过下卧隧道前，下卧隧道首先发生小的沉降，通过时缓慢向上隆起，通过后急剧隆起，最后平缓沉降。

图8 既有隧道最大拱顶位移监测点位移变化

6 结论

(1)大型隧道浅埋暗挖施工采用双侧壁导洞法，可减少对土体的扰动，从而减少对下卧隧道的影响，还可有效地控制地表沉降。

(2)新建隧道拱顶位移变化同地表沉降变化一致，均表现为通过前隆起，通过时迅速下沉，通过后缓慢趋于稳定。

(3)下卧隧道地铁15号线在新建隧道通过后，最终表现为上浮隆起，最大隆起值为4.8 mm。其拱顶变形同样经历了上方新建隧道通过前沉降、通过后上浮、穿越后迅速上浮、后期平缓沉降4个阶段。

(4)采用风险控制措施能有效地控制上方地表沉降、新建隧道拱顶沉降、下卧隧道拱顶位移等，使其变化值均在规定范围之内，既保证了新建隧道的安全通过，也不影响下卧隧道的正常运营。