地铁暗挖隧道邻近既有运营盾构区间施工变形影响研究

张剑涛， 马 静

(1. 北京环安工程检测有限责任公司， 北京 100082； 2. 北京市市政专业设计院股份公司， 北京 100037)

0 引言

为解决城市交通拥堵问题，大量的地铁投入运营，众多交叉、平行的地铁线路密布于城市地下空间内部。在既有地铁运营区间邻近区域内进行新建地铁车站及隧道施工越来越多的涌现。新建地铁车站及隧道施工形成了一系列复杂的卸荷、加载过程，对处于运营状态的区间隧道产生了重要影响。

不少学者对该问题进行了研究，为既有运营隧道的保护提供大量的有益经验。李立云等[1]、陈方[2]、田帅[3]、马静[4]等对基坑开挖卸荷施工过程中，运营盾构区间的变形特性、应力分布规律等进行了研究； 郑世杰等[5]、巩立青[6]、张兴丽等[7]、邓碧等[8]针对平行隧道施工过程中，涉及上软下硬复合地层、粉砂地层、软土地层等多种工程地质条件进行了研究； 白雪峰等[9]对基于两阶段分析方法研究预测平行双洞隧道开挖引起上方已建隧道的纵向变形的简化解析方法； 矫永刚[10]以滨海软土地层中盾构隧道平行上穿既有隧道为背景，研究了盾构隧道施工顶推力对周边地层及其内部既有隧道受力变形的影响； 周巧玲等[11]利用有限差分程序，模拟在近场强震作用下双孔并行地铁隧道的地震响应，分析其相对位移差峰值、水平向加速度峰值、水平向应力峰值随埋深及隧道间距径比变化而变化的特性； 赵鹏[12]、姜叶翔[13]等研究了新建隧道施工过程中，既有隧道的变形控制技术，研究成果涉及注浆预加固、砂袋反压回填、二衬跳槽施作以及短段施工等多种技术。

图 1 地铁暗挖通道与地铁盾构区间相对位置平面图(m)Fig.1 The plane map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(m)

综上所述，现有成果集中于研究基坑、隧道施工过程中邻近盾构区间的变形响应规律、应力分布特征、地震响应、变形控制技术等内容，较少涉及地铁运营区间轨道几何形位的变化特性。对于在地铁运营区间侧方近距离进行暗挖隧道施工所引起的隧道结构变形、运营区间轨道几何形位变化的研究就更少了，缺乏可供推广的研究成果。

基于此，本文以太原某典型地铁暗挖隧道近距离平行穿越盾构区间为例，应用数值计算与现场监测相结合的方法，研究了地铁暗挖隧道施工过程中，邻近运营区间隧道结构及轨道结构变形特性。

1 工程概况

太原某新建地铁车站位于城市核心区，其附属结构包含1条主通道(分为明挖段和暗挖段2部分)和3个出入口(4B出入口、4C出入口和4D出入口)，为保证4D出入口的正常运营，在4C和4D出入口之间设置一连接通道，即4号出入口主通道暗挖段。该暗挖隧道采用“CD”法施工，结构为单跨拱顶直墙结构，初期支护结构净高5.62～6.46m，净宽8.3m，初期支护结构厚度0.30m，临时中隔壁厚度0.25m，拱顶覆土厚度约4.18m。地铁暗挖隧道主要位于黏质粉土、粉质黏土及中砂层。地铁暗挖隧道西侧存在一盾构区间主线，该盾构区间已于2020年12月底投入运营，盾构区间拱顶埋深在10.1～17.8m，盾构区间结构范围内主要经过粉土、粉细砂，隧道围岩分级为Ⅵ级。盾构区间隧道外径6.2m左右，采用板形钢筋混凝土管片，管片衬砌混凝土强度等级为C50、抗渗等级为P10。地铁暗挖隧道与盾构区间水平距离约为2.83m，地铁暗挖隧道结构底板距离盾构区间顶部距离约为2.02m。地铁暗挖隧道与地铁盾构区间相对位置平面如图 1所示，地铁暗挖隧道与地铁盾构区间相对位置剖面如图 2所示。

图 2 地铁暗挖隧道与地铁盾构区间相对位置剖面图(mm)Fig.2 The profile map of the relative position between underground bored tunnel and shield section of the subway(mm)

图 3 有限元模型网格划分Fig.3 Finite element model mesh generation

2 数值分析模型建立

2.1 模型尺寸及网格划分

采用有限元软件进行数值计算分析，着重分析暗挖通道施工过程中，既有运营盾构隧道及其内部轨道结构的变形特性。为充分考虑暗挖隧道左右两侧出入口及施工进尺对计算结果的影响，须建立三维有限元模型进行计算分析。综合考虑暗挖隧道及盾构区间埋深、几何尺寸、地基土性质等的影响，数值计算模型土体部分尺寸为300m×180m×60m(长×宽×高)，满足忽略边界效应的要求。整体模型网格划分如图 3a所示，暗挖隧道、盾构区间及出入口部分网格划分如图 3b 所示。

2.2 模型材料参数设定

数值计算模型中，地基土体选用修正的Mohr Coulomb本构模型，以最大限度弱化因隧道开挖应力释放所导致的回弹效应影响。土体参数依据对应的工程勘察报告选取。既有运营盾构隧道管片、暗挖通道初期支护及临时中隔壁采用板单元模拟，弹性本构模型； 暗挖通道二次衬砌、地铁车站出入口采用实体单元模拟，弹性本构模型； 盾构隧道钢轨采用梁单元模拟，弹性本构模型。计算模型物理力学计算参数详见表 1。

表 1 计算模型物理力学计算参数表Tab.1 Physical and mechanical parameters of calculation model

2.3 施工工况模拟

数值计算中，施工步序设置应如实反映施工现场情况。参考施工图及施工组织设计，地铁暗挖通道施工步序如下：

图 4 计算点布置图(mm)Fig.4 Layout of observation points(mm)

(3)常年排烟温度在220 ℃左右，未能进行有效的热回收，而从医院了解的情况看，蒸汽冷凝水的回收率亦未达到标准规定的60%的要求；

(2)激活“盾构区间、地铁暗挖通道、4C及4D号出入口”结构模型，并再次将位移场清零，保留应力场；

(3)地铁暗挖通道管棚施工；

(4)定义地铁暗挖通道“CD”法动态施工步序，每个施工进尺定义为4m；

(5)依次循环第(4)步，直至开挖完成；

(6)地铁暗挖通道二衬结构施工；

(7)计算分析及后处理。

3 计算点布置与变形控制标准

3.1 计算点布置

图 5 暗挖通道周围土体位移云图(mm)Fig.5 Displacement cloud map of soil around the underground bored tunnel(mm)

3.2 变形控制标准

注：径向坐标表示位移，单位：mm； 环向坐标表示监测点编号。图 6 盾构区间位移分布雷达图Fig.6 Radar diagram of the displacement distribution of the shield section

4 计算结果与分析

4.1 地铁暗挖隧道周围土体变形分析

暗挖通道贯通后，周围土体位移云图如图 5所示。分析图 5可知，暗挖通道上方地表沉降呈非对称“U型”分布，影响范围约为1倍埋深，影响角约45°，沉降最大点为暗挖通道正上方； 盾构隧道右线位于通道底部土体回弹隆起范围内，产生朝向暗挖通道所在位置的竖向位移和水平位移。暗挖通道正上方全跨范围内土体沉降量较大，未出现“土拱现象”，分析原因可知，暗挖通道拱顶覆土厚度约为8.27m、跨度约为8.30m，覆跨比接近1︰1，不存在起拱条件。

4.2 盾构区间结构变形分析

提取盾构区间中部断面监测点F1～F9位移分布雷达图如图 6所示。分析图 6可知，随着暗挖隧道施工的进行，盾构区间竖向逐步累积，且呈上浮趋势，盾构区间顶部、靠近暗挖隧道一侧(计算点F1、F10、F9所在位置)竖向位移较大，最大竖向位移位于计算点F1所在位置，约为3.0mm； 水平位移朝向暗挖隧道所在位置，靠近暗挖隧道一侧(计算点F10、F9、F8所在位置)水平位移较大，最大水平位移出现在计算点F9所在位置，约为4.8mm。综合盾构区间竖向位移及水平位移的变化特点可知，随着暗挖隧道施工的进行，盾构区间发生朝向暗挖隧道所在位置的扭转。地铁暗挖通道施工过程中，盾构区间的竖向位移及水平位移均小于《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)[14]所规定的变形控制值。

提取地铁暗挖隧道施工过程中，盾构区间A1～K1计算点竖向位移如图 7所示； 盾构区间A9～K9、A3～A9计算点水平位移如图 8所示。随着地铁暗挖隧道施工的推进，盾构区间的竖向位移及水平位移逐步累加，最终呈“弓”型对称分布，最大竖向位移及水平位移均出现在盾构区间中部位置。

图 7 盾构区间结构竖向位移Fig.7 Vertical displacement of the shield section structure

图 8 盾构区间结构水平位移Fig.8 Horizontal displacement of the shield section structure

图 9 盾构区间轨道结构竖向位移Fig.9 Vertical displacement of the track structure in shield section

图 10 盾构区间监测断面布置图(m)Fig.10 Layout of the monitoring section of shield section(m)

图 11 盾构区间竖向位移监测结果Fig.11 Vertical displacement monitoring results of shield section

图 12 盾构区间水平位移监测结果Fig.12 Horizontal displacement monitoring results of shield section

4.3 轨道结构几何形位分析

地铁暗挖隧道施工过程中，盾构区间道床位置A-G1～K-G1、A-G2～K-G2计算点竖向位移如图 9a、9b所示； 轨道两侧横向高差如图 9c所示。分析图 9可知，地铁暗挖隧道施工过程中，区间隧道轨道结构竖向位移呈“弓”型对称分布，靠近暗挖隧道一侧轨道结构(计算点A-G1～K-G1所在位置)上浮量较大，最大上浮量约为3.2mm； 远离暗挖隧道一侧轨道结构(计算点A-G2～K-G2所在位置)上浮量较小，最大上浮量约为2.4mm。盾构区间轨道结构两侧横向高差最大值约为0.80mm，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)[15]表B.0.2关于城市轨道交通结构轨道横向高差的相关规定(<2mm)。

5 轨道结构变形监测结果分析

5.1 监测点布置图

地铁暗挖隧道施工过程中(2020年9月14日—2021年6月30日)，采用TM50全站仪及其配套的硬软件设施对盾构区间结构的变形进行了动态监测。监测断面布置如图 10所示，每个监测断面布置3个监测点，中部监测点位于管片左右两侧位置，底部监测点位于道床位置。

5.2 现场监测结果分析

数值计算所得盾构区间及轨道结构最大变形量略大于现场监测结果，二者变化规律高度相似，在对数值计算结果准确性进行验证的同时，可有效弥补现场监测点不够密集的缺陷，进一步揭示其变形特征。

2020年11月1日至12月15日，采用注浆方式对暗挖隧道施工范围内的土体进行了加固，在此过程中，各监测点变形值发生明显波动，最大竖向位移接近4.0mm，最大水平位移接近8mm； 随着注浆压力的消散，盾构区间变形逐步恢复； 浆液固化完成，土体强度增加，盾构区间后期变形相对稳定，变形控制值及变化速率均满足《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB￣￣50911-2013)[14]的相关规定。

6 结论与讨论

本文以太原某地铁暗挖隧道邻近既有运营盾构区间施工为例，应用数值模拟与现场监测相结合的方法，研究了地铁暗挖隧道施工过程中，既有运营盾构区间的变形特性。主要结论包括以下4点：

(1)地铁暗挖通道上方地表沉降呈非对称“U型”分布，影响范围约为1倍埋深，影响角约45°，沉降量较大位置集中于暗挖通道正上方。

(2)随着地铁暗挖隧道施工的推进，盾构区间及轨道结构的竖向位移及水平位移逐步累加，最终呈“弓”型对称分布，最大竖向位移及水平位移均出现在盾构区间中部位置； 靠近暗挖隧道一侧轨道结构上浮量较大，远离暗挖隧道一侧轨道结构上浮量较小，此时，应重点关注轨道结构横向高差的变化。本工程中地铁暗挖通道施工过程中，盾构区间的竖向位移、水平位移、差异沉降及轨道变形均满足《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)及《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202-2013)的相关要求。

(3)暗挖隧道位于盾构区间的侧方，且二者在竖向范围内有所重合时，盾构区间除发生常规竖向位移及水平位移外，还会产生一定量的扭转变形。

(4)注浆加固作业施工过程中，盾构区间的竖向位移及水平位移均会发生较大的波动，随着注浆压力的消散，盾构区间的位移量会逐步恢复，此过程中，在加密监测的同时，要密切管片接缝位置的漏浆情况及道床表面的开裂情况。