矿山法隧道小距离上跨既有盾构区间安全防护技术研究

李红岩

（徐州地铁集团有限公司，江苏 徐州 221000）

0 概述

随着城市轨道交通线网体系不断完善，新建线路与既有线路交叉重叠的情况不可避免。穿越工程对既有线安全运营及新建线的施工安全均有重要影响。新建矿山法隧道上跨既有盾构隧道作为一类典型问题，国内外学者开展大量的研究。贺美德[1]通过数值模拟和室内正交试验，研究了上穿施工对既有盾构隧道的变形规律，提出夹土层厚度是影响隧道变形程度的最重要因素；王春国[2]对浅埋暗挖隧道上穿既有隧道施工进行了数值模拟，分析了隧道沉降、内力的变化规律；梁荣柱[3]采用理论分析法研究了近距离上穿对隧道纵向变形的影响，将既有隧道简化为搁置于Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁并采用两阶段法分析求解；张强[4]基于黏弹性本构及弹性地基梁模型推导出既有隧道在附加荷载作用下的竖向位移，同时考虑隧道变形缝影响总结了既有隧道结构竖向变形的计算公式；胡清茂[5]针对粉土地层两线盾构隧道叠落施工，分析上跨及组合洞内注浆工况下两隧道的变形情况。

现有研究仅涉及隧道穿越的影响，很少涉及既有车站出站处多结构受影响的案例分析。该文以徐州地铁2号线矿山法隧道上跨既有1号线盾构区间及车站暗挖横通道工程为背景，研究小净距上跨施工对既有隧道的变形规律。

1 工程概况

1.1 工程背景

彭城广场站是徐州地铁1、2号线的换乘站，其中1号线右线区间位于车站南端，沿东西向敷设，2号线区间自车站南端上跨1号线沿南北向敷设，车站及区间平面如图1所示。1号线盾构隧道，外径6.2m，管片厚度0.35m、环宽1.2m；1号线横通道采用CRD法施工，圆拱直墙式形式，跨度9.7m，高度14.57m，二衬采用600mm厚C35现浇钢筋混凝土。2号线矿山法隧道采用单洞单线马蹄形暗挖断面，开挖高度7.1m、宽度6.5m。

图1 彭城广场站平面关系示意图

穿越节点处1号线右线纵断面图如图2所示。1号线隧道及相关通道结构于2号线隧道开工前已完成。2号线左右线间净距10.5m，左右线上跨1号线的结构净距分别为0.694m及0.779m，2号线右线隧道离彭城广场站1号横通道水平净距1.7m。

图2 穿越节点处1号线右线纵断面图

1.2 工程与水文地质

工程所在地在地貌单元上分属冲积平原、冲积垅状高地及冲（坡）—洪积平原，从上到下的土层依次为杂填土、老城杂填土、硬塑状黏土、中风化灰岩。2号线隧道开挖面处于黏土及中风化灰岩交界处；1号横通道与2号线类似，断面大部分位于中风化灰岩内，小部分处于黏土中；1号线隧道全断面位于中风化灰岩内。

勘察场区地下水位埋深约为1.5m～4.0m，地下水类型主要为分布在填土中的潜水、分布在老城杂填土中的微承压水以及分布在中风化灰岩中的碳酸盐岩类裂隙岩溶水。

2 模型建立

2.1 有限元模型

为评估2号线施工对1号线结构及横通道的影响，采用Midas GTS NX软件建立三维有限元模型，模型示意图如图3所示，模型尺寸为X×Y×Z=100m×100m×50m，其中X方向为2号线隧道纵向，Y方向为1号线隧道纵向。模型侧面边界采用水平固定约束，底面边界为竖向固定约束，上表面设为自由面。

图3 三维数值计算模型示意图

2.2 材料参数

模型中的土体及岩体均使用实体单元进行模拟，破坏屈服准则采用Mohr-Coulomb准则，具体力学指标见表1。

表1 地层及结构的物理力学参数

隧道衬砌采用板单元模拟，建筑物利用梁、柱、板等单元按框架结构模拟。所涉及混凝土均采用线弹性本构模型。

2.3 施工过程

上跨施工过程分为4个阶段进行模拟：1）初始地应力。2）既有结构施工。地铁1号线暗挖段、车站1号横通道及1号线盾构段。计算至平衡状态，并进行位移清零。3）地铁2号线右线矿山法开挖，并施做二衬。4）地铁2号线左线矿山法开挖，并施做二衬。

3 计算结果及分析

3.1 既有隧道变形

计算结果显示：2号线右线施工结束后，1号线盾构隧道在穿越节点处受2号线施工影响程度最大。在竖向上，1号线拱顶最大隆起2.26mm，拱底隆起1.6mm；在水平方向上，1号线断面则呈收缩状态但位移值较小，拱腰最大变形0.14mm。

2号线左、右线均施工结束后，下方1号线盾构段隧道竖向变形计算结果如图4所示。1号线盾构隧道仍在穿越节点处受影响最大。在竖向上，1号线最大变形发生在先期施工的2号线右线上跨处，拱顶隆起2.69mm，拱底隆起2.18mm；在水平方向上，1号线断面仍呈收缩状态，但与前一工况相比，几乎没有变化，拱腰最大变形0.17mm。

图4 既有隧道竖向变形云图（双线施工后）

上跨的矿山法隧道开挖主要影响了穿越节点处既有隧道的变形，在上部隧道投影区域内隆起值超过2mm，为主要影响区；两穿越节点之间的区域以及交叉节点以外约10m内的范围为次要影响区，该区域的竖向变形在1mm～2mm；而超过穿越节点外10m则产生毫米级以下的变形，为轻微影响区。

由于两隧道为正交穿越，因此水平变形幅度比竖向变形小。总的来说，1号线在穿越节点处的横断面上产生了竖向拉长，水平收缩的“竖鸭蛋”式变形，在竖向上呈现两侧小，节点大，交叉段小的“M”型分布。

3.2 横通道变形

计算结果显示，2号线右线施工结束后，横通道的结构变形具有差异性，越接近矿山法隧道处变形值越大，但差异值不明显，最大隆起值为1.5mm。横通道出现以拱腰为中心，拱顶向开挖隧道外侧，拱底向开挖隧道内侧的倾斜变形。产生的原因是横通道受到了拱腰处既有1号线变形约束，同时又受到2号线施工卸载作用。2号线双线施工结束后，1号横通道水平变形计算结果如图5所示。

图5 横通道水平变形云图（双线施工后）

双线施工后，因为左线的开挖距横通道已超过10m以上，发生的竖向变形及水平变形与之前的趋势一致但变化值均小于1mm，可以认为远端矿山法施工对横通道的影响可几乎忽略。

3.3 既有结构内力

为直观分析既有结构内力变化情况，取2号线未施工时的结构弯矩作为对比，可得到2号线双线施工结束后的弯矩绝对值的变化情况，如图6所示。穿越施工期间的土体开挖会导致地层的应力重分布，普遍少了既有结构的弯矩。特别是位于中风化灰岩与黏土交界面以上的横通道拱顶，其弯矩的减少幅度最大，说明应力在黏土中变化的程度更大。因此应对土岩复合地层中交界面处的结构予以关注，特别是对拱肩、拱脚等位于交界面处的曲面结构，内力的大幅变化可能导致微小扰动产生较大的差异变形，可采取一定加固措施以保障隧道安全。

图6 既有结构弯矩变化示意图

4 结论

该文对彭城广场站2号线上跨既有1号线工程进行了数值模拟与分析，研究了矿山法隧道小距离上跨既有盾构区间产生的影响，分析了单线施工后与双线施工后的既有结构状态，总结了卸载引起的变形效果，得到主要结论如下：1）矿山法隧道上跨使既有盾构隧道在穿越节点处的横断面上产生了竖向拉长，水平收缩的“竖鸭蛋”式变形，在竖向上呈现两侧小，节点大，交叉段小的“M”型分布。2）新建矿山法隧道对岩石地层中既有隧道产生的主要影响发生在穿越节点处，次要影响区主要发生在节点之间及节点外10 m以内的范围中，而对10m以外范围则影响较小。同时对正交穿越，下方既有隧道及周边结构物产生的水平变形远小于竖向变形。3）矿山法施工中会导致地层应力重分布，这种分布在黏土中产生的反应更大，结构的内力变化幅值也变大，因此应对岩体及土体交界面处结构的差异受力行为予以关注。