复杂环境下城市隧道节点分析

李 珅 熠

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司广东分公司， 广东 深圳 518000)

城市隧道工程周边环境复杂，建筑物、构筑物密集。城市下穿隧道结构施工对周围地铁的影响通常采用经验法确定，结果常常难以满足使用要求[1]，特别是在地铁周边新建地下构筑物时，如果不能正确评估新建构筑物施工过程给既有地铁带来的潜在危险，经济损失及社会影响难以估计[2]。近年来发生的基坑施工事故，更引起了人们对施工安全的关注[3]。因此，正确评估临近地铁地块开发，分析新建地下构筑物对既有地铁的安全性影响工作意义重大。本文以国内某城市下穿隧道工程为例，对上跨地铁节点进行了研究分析。

1 工程概况

城市隧道中间暗埋段上跨既有地铁区间矿山法隧道段，地铁隧道覆土厚度14 m，与新建隧道之间的最小竖向净间距约为5.5 m。新建隧道同时侧穿既有地铁车站，与车站主体的最小平面距离约20 m。据现场调查，城市隧道上跨既有地铁区间隧道节点的50 m控制保护区内地铁区间隧道病害主要表现为裂缝及轻微漏水，其上、下行线最大累计沉降变形量为1.05 mm；本期最大沉降变形为1.1 mm，最大变形速率为0.006 mm/d，地铁区间隧道处于稳定状态。其位置关系如图1所示。

图1 城市下穿隧道与既有地铁平面关系图

2 上跨地铁节点设计

新建城市隧道上跨既有地铁区间隧道50 m控制保护区内土层基坑围护参数如表1所示。表层分布素填土，土质松散，工程性质差；其下分布粉质黏土Ⅰ和粉质黏土Ⅱ，土质为可塑到硬塑性，工程性质好；局部分布含卵砾石粉质黏土，土质为硬塑性，欠均匀，工程性质一般。穿越处基坑采用明挖法施工。

表1 土层基坑围护参数表

2.1 上跨节点计算

城市下穿隧道上跨既有地铁区间隧道节点处基坑深约12.8 m，采用钻孔灌注桩支护，竖向设置两道钢筋混凝土支撑和一道换撑(Φ609×16钢支撑)，第一、二道支撑为800 × 800混凝土支撑，水平间距6～7.4 m；第二道支撑换撑为Φ609 × 16钢支撑，水平间距为4.0 m。由于基坑开挖容易造成地铁区间隧道卸荷回弹隆起，采用长短桩结合加基底管幕方案，围护平面图如2所示。长桩支护段基坑开挖深度≤12.8 m，采用Φ1 m@1.2 m钻孔灌注桩支护，设2道混凝土支撑+1道Φ609钢支撑；短桩支护段基坑开挖深度≤9.8 m，采用Φ0.8 m@1 m钻孔灌注桩支护，设2道混凝土支撑+1道Φ609钢支撑。计算结果如表2和表3所示。

图2 上穿节点围护平面

表2 长桩支护验算结果表

表3 短桩支护验算结果表

通过基坑软件计算分析，新建城市隧道上跨既有地铁区间隧道50 m控制保护区内的围护结构水平位移及地表沉降均满足一级基坑的变形控制标准；基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性以及抗隆起稳定性均满足规范要求。综上所述，以上各项支护参数满足基坑安全及规范要求。

2.2 上跨节点施工顺序

考虑到上跨地铁节点的特殊性及安全性，基坑开挖顺序也是施工过程的重中之重[4]。为了减少全断面开挖带来的不利影响，先施工上跨节点两侧的基坑及主体结构，再施工上跨既有地铁区间隧道节点处。节点处还应采取分段卸载开挖、快速浇筑主体结构等措施，以确保地铁结构安全。分段开挖过程中需使用临时支护措施，防止基坑变形过大或失稳，若节点施工过程中地铁区间隧道上浮变形过大，应及时在新建隧道主体结构底板上方堆放沙袋进行覆重。上跨节点断面如图3所示。总体而言，分为3个阶段。

图3 上跨节点断面图

第1阶段：施工工作井、钻孔桩、止水帷幕，待工作井底板侧墙达到设计强度后，按顺序顶进钢管幕。

第2阶段：分层开挖地铁上盖区域基坑，待挖深至一定深度后，快速施工中间1/3隧道底板并压重，再快速施工其余两侧隧道结构底板并压重，最后施工侧墙及顶板结构。

第3阶段：拆除工作井围护结构，与两侧隧道共同施工。

3 数值模拟验算

采用岩土与隧道仿真分析软件MIDAS/GTS进行三维数值模拟分析，通过计算分析出拟建隧道开挖基坑、施做主体结构对既有地铁矿山法区间隧道的影响(包含基坑施工期间地铁隧道结构的水平位移、竖向位移、收敛值等)[5]。本次工程模型尺寸采用400 m(长度)× 400 m(宽)× 60 m(深)，其中长是指沿隧道延伸方向的长度。模型边界条件：模型在垂直于隧道延伸方向两侧边界约束其X方向的位移，隧道延伸方向两侧边界约束其Y方向的位移，底部边界约束其Z方向的位移，地表为自由边界。上跨节点总体模型如图4所示，隧道基坑(未开挖)与既有地铁区间隧道、车站模型如图5所示。上跨既有地铁隧道节点基坑开挖工序图如图6所示。

图4 上跨节点总体模型图 图5 隧道基坑(未开挖)与既有地铁区间隧道、车站模型图

图6 上跨既有地铁隧道节点基坑开挖工序图

具体计算过程主要包括：

(1)激活现状土层以及既有地铁隧道、车站结构，初始应力平衡计算；

(2)开挖上穿既有地铁隧道节点两侧站前隧道基坑，施做主体结构(A区)；

(3)施工上穿既有地铁隧道节点下方设置的管幕；

(4)开挖上穿既有地铁隧道节点上方B区土方，施做主体结构；

(5)开挖上穿既有地铁隧道节点上方C区土方，施做主体结构；

(6)开挖上穿既有地铁隧道节点上方D区土方，施做主体结构。

根据三维验算结果，提取各施工工况下既有地铁结构的竖向变形、水平变形、车站竖向变形等数值进行分析，最终验算结果如图7～图9所示。

图7 既有地铁隧道竖向位移图(Max=4.5 mm)

图8 既有地铁隧道水平位移图(Max=2.31 mm)

图9 车站竖向变形图(Max=0.23 mm)

根据前述计算结果，各工况计算结果统计如表4所示。

表4 各工况计算结果统计表 单位：mm

由以上计算结果分析可知，在整个站前隧道基坑开挖和回筑过程中，既有地铁区间隧道的竖向隆起值最大为4.5 mm，最大水平变形值为2.31 mm，最大收敛值为3.86 mm，地铁车站最大隆起值为0.23 mm。由数值模拟结果来看，各项指标均满足规范的要求。

3 结 语

通过计算分析及数值模拟，城市下穿隧道上跨地铁节点采用长短桩+管幕是可行的。新建隧道上跨既有地铁区间隧道50 m控制保护区内的围护结构水平位移及地表沉降均满足一级基坑的变形控制标准；其基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性以及抗隆起稳定性均满足规范要求。受新建工程施工影响，既有地铁区间隧道、车站结构会产生一定变形，根据验算预测结构变形，产生的变形较小，且基坑开挖、路基施工等因素引起的变形对既有地铁隧道的影响在允许安全范围之内。根据基坑开挖时空效应，分层分段开挖并及时压重。城市下穿隧道上跨地铁节点处采取分段卸载开挖、快速浇筑主体结构等工程措施，确保地铁结构安全。