大断面隧道小净距上跨既有隧道施工方案优化

王威

中铁十九局集团轨道交通工程有限公司， 北京 101300

随着我国铁路和城市轨道交通线网建设的不断完善，修建新隧道时不可避免穿越既有隧道或车站，引起既有结构变形。目前大部分新建隧道选择下穿既有运营隧道，也有部分上跨既有隧道案例。新建隧道上跨既有隧道施工时，由于开挖卸载，应力重分布，从而引起既有隧道上浮和地表沉降。

李树鹏［1］对邻近既有线新云居山隧道群施工方案进行了设计，提出在新建福厦铁路新云居山隧道小净距上跨施工之前，对既有清凉山隧道受影响段采取拆除原有衬砌、重新施作加强型衬砌的措施。许有俊等［2］针对呼和浩特市浅埋暗挖隧道近距离平行上跨既有地铁2 号线工程，对不同的开挖工法和反压措施进行方案比选。综合考虑经济、效率等因素最终确定中隔壁法 + 双侧反压的方案。经实施，采用该方案后将盾构隧道内道床最大上浮量控制在2.51 mm。赵宇鹏等［3］针对昆明新建地铁4号线上跨既有6号线隧道工程，分析了盾构上跨施工时既有隧道纵向位移变化规律，以及土仓压力、注浆压力等因素对既有隧道变形的影响。张孟喜等［4］通过数值模拟分析了双线盾构隧道上穿既有地铁隧道时不同注浆压力对既有隧道上浮的控制效果，进而确定了最佳注浆压力。刘建国等［5］以深圳地铁5号线某盾构区间上跨既有地铁11号线隧道为例，分析了预加固措施和施工参数调整对既有隧道变形的影响。江华等［6］以深圳地铁9 号线盾构隧道上跨既有1 号线工程为例，分析上跨施工过程中既有隧道变形规律及土压力对既有隧道变形的影响。郭剑勇［7］以北京地下直径线前三门隧道上跨既有隧道工程为例，提出隔离桩保护+分步开挖方案，经模拟计算，采用该方案上跨施工不会影响联络通道和电力隧道结构的安全。

目前上跨既有隧道多采用盾构法施工，交叉中隔壁（Cross Diaphragm，CRD）法上跨施工与盾构法差异明显，且针对大断面地铁隧道CRD 法近距离上跨既有运营隧道施工方案优化的研究相对较少。本文以成都市轨道交通17 号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间隧道小净距上跨既有7 号线盾构隧道为工程背景，对上跨段西侧暗挖区间的施工过程进行数值模拟，并与现场实测数据对比分析，验证数值模拟的可行性。在此基础上，对大断面地铁隧道上跨既有盾构隧道施工过程进行模拟分析，对新建隧道施工方案进行优化。

1 工程概况

1.1 工程情况

成都市轨道交通17 号线二期工程阳公桥站—龙爪堰站区间设计为双线隧道，其中上跨既有7 号线段和暗挖区间采用CRD 法施工。隧道断面为曲墙马蹄形，开挖宽度约8.1 m，高度约9.8 m，断面面积约64.7 m2，属于大断面隧道。拱顶埋深约5.88 ～ 6.0 m。新建区间隧道近似正交上跨既有7 号线盾构隧道，二者最小净距约1.21 m，见图1。

既有7号线盾构隧道拱顶距地表约17.2 m。采用拼装式预制混凝土管片，强度等级为C50，抗渗等级为P12，外径6.0 m，内径5.4 m，环宽1.5 m，管片厚度为30 cm。

1.2 工程地质

根据地质勘察报告，上跨处地层由上至下分别为杂填土、粉质黏土、冲积粉细砂和冲积卵石土。新建隧道洞身主要位于粉质黏土、中密卵石土和密实卵石土层；既有隧道均位于密实卵石土层。

1.3 施工方案设计

为减小新建隧道施工对周边环境的影响，初步确定新建隧道先开挖左半断面后开挖右半断面，见图2。

超前支护采用管棚加超前小导管；初期支护和临时支护均采用I22b 型钢拱架（间距0.5 m）、钢筋网和C25 喷射混凝土（厚度为0.30 m）联合支护；二次衬砌采用C35 模筑混凝土，厚度为0.50 m。单次拆撑长度为9 m。

2 试验段施工过程数值模拟

2.1 模型的建立

选取上跨段西侧暗挖区间作为试验段进行模拟分析。采用MIDAS/GTS 软件，建立地层-结构三维有限元模型。为减小边界效应的影响，模型尺寸取140 m（x方向） × 100 m（y方向） × 50 m（z方向），共划分232 122 个单元，124 556 个节点，见图3。模型顶面为自由面，四周限制水平位移，底部限制水平和竖向位移。

2.2 参数的确定

地层采用修正摩尔-库仑模型实体单元模拟［8］。超前支护采取等效处理，通过改变加固区土体单元材料参数来实现［9］。土层与加固区物理力学参数见表1。

考虑螺栓对管片拼接的影响，将既有隧道管片刚度折减0.15进行计算［10］。初期支护、临时支护中型钢钢架通过提高弹性模量折算到喷射混凝土中［9］。依据GB 50157—2013《地铁设计规范》有关规定，钢筋网作为初期支护的安全储备。二次衬砌采用弹性本构模型进行模拟［11］。

支护结构物理力学参数见表2。

表2 支护结构物理力学参数

2.3 施工步骤

①初始应力场平衡，位移清零；②超前加固左线隧道拱顶，开挖1 号导洞；③施工1 号导洞初期支护与临时支护，然后继续开挖1 号导洞；④待1 号导洞开挖支护5 m 后，同时开挖2 号导洞；⑤待2 号导洞开挖支护10 m 后，同时开挖3号导洞；⑥待3号导洞开挖支护5 m 后，同时开挖4 号导洞；⑦待4 号导洞开挖支护40 m 后，采用和左线隧道相同的导洞开挖顺序，同时开挖右线隧道，直至开挖与支护完成；⑧拆除左线隧道临时支护，一次拆除9 m；⑨施作二次衬砌，继续拆除左线隧道临时支护，如此反复，直至左线隧道二次衬砌施作完成；⑩采用同样的方法施作右线隧道二次衬砌。每开挖1 m 作为一个施工步，由于涉及初期支护与临时支护施工、二次衬砌施作，经循环累积后施工步达到140步。

2.4 监测点布置

参照GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，上跨施工前在试验段地表布置8个监测断面（A—H），每个断面布置8 ～ 13 个沉降监测点，见图4。采用电子水准仪监测。

图4 监测断面和监测点布置

2.5 模型验证

选取监测断面D 上3 个监测点D6、D7、D8 数据进行分析。地表沉降现场实测值与模拟计算值对比见图5。可知：①随着开挖的进行，各监测点地表沉降均不断增大，但各监测点沉降速率不同。原因是隧道先开挖左线，监测点D6 在左线上方，因而前期沉降速率较大；当右线开挖通过监测点后，右线上方的监测点D8 地表沉降最大。②各监测点地表沉降现场实测值与模拟计算值差异较小，变化趋势一致。这说明所建模型和参数选取合理，可用于上跨施工过程模拟和方案优化分析。

图5 监测点地表沉降现场实测值与模拟计算值对比

3 上跨段施工过程数值模拟

3.1 既有隧道拱顶竖向位移

上跨施工过程中，不同施工步下既有隧道拱顶竖向位移曲线见图6。其中：拆撑即拆除临时支护；到达指导洞开挖到既有隧道或拆撑拆到既有隧道。

图6 不同施工步下既有隧道拱顶竖向位移曲线

由图6 可知：随着新建隧道4 个导洞依次开挖，既有隧道拱顶竖向位移（隆起）逐渐增加，最大竖向位移位于新建与既有隧道交叉位置。导洞1 和导洞2 到达时既有隧道拱顶竖向位移增幅较大。新建隧道开挖贯通时，既有隧道拱顶竖向位移接近最大值，临时支护拆除对既有隧道拱顶竖向位移影响较小。二次衬砌施作完成时既有隧道拱顶竖向位移反而减小。

不同施工步下既有隧道隆起在最大隆起中的占比见表3。

表3 不同施工步下既有隧道隆起在最大隆起中的占比

由表3 可知：①新建隧道开挖阶段，导洞2 到达时既有隧道隆起3.48 mm，接近最大隆起（7.04 mm）的50%。与导洞2到达时相比，导洞4到达时既有隧道隆起增量为1.22 mm，仅占最大隆起的17.33%。这说明先行2个导洞的开挖卸载对既有隧道扰动更大。②从导洞4 到达既有隧道至新建隧道开挖贯通，隆起增量为2.13 mm，占最大隆起的30.26%，故应注意新建隧道整个开挖过程对既有隧道的影响。③二次衬砌的施作对既有隧道有一定压重作用，使得既有隧道隆起有所减小。实际施工时，可合理选择二次衬砌施作时机，来控制既有隧道变形。

3.2 地表沉降

不同施工步下既有隧道地表沉降曲线见图7。可知：导洞1、导洞2到达既有隧道，拆撑拆到既有隧道和二次衬砌施作完成时，地表沉降均明显增大；与前四个施工步相比，从导洞3 到达既有隧道到整个隧道开挖贯通，地表沉降增量较小。

图7 不同施工步下既有隧道地表沉降曲线

不同施工步下地表沉降在最大沉降中的占比见表4。可知：导洞2 到达时地表沉降4.68 mm，接近最大沉降（9.49 mm）的50%，且导洞1 到达时地表沉降在最大沉降中的占比（33.40%）明显大于导洞2 到达时沉降增量占比（15.91%）；从导洞3 到达至整个隧道贯通地表沉降增量占比仅6.43%。随着临时支护拆除与二次衬砌施作，地表沉降迅速增长，二次衬砌施作完成时地表沉降达到最大值9.49 mm。这是由于拆除临时支护导致新建隧道初期支护刚度降低，二次衬砌的施作又增加了结构自重。

表4 不同施工步下地表沉降在最大沉降中的占比

4 上跨段施工方案优化

4.1 隧道稳定性影响因素

1）初期支护厚度

钢拱架间距为0.5 m，单次拆撑长度为9 m，初期支护厚度分别取0.20、0.25、0.30、0.35、0.40 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降见表5。

由表5可知：随着初期支护厚度增加，既有隧道最大隆起与地表最大沉降逐渐减小。这是由于初期支护厚度变大，支护结构强度与刚度增加，一方面承受的围岩压力增强，另一方面对既有隧道起到压重作用。然而，初期支护厚度并非越大越好。隧道开挖时不仅要考虑安全问题，还需综合考虑施工难度与工期造价。建议初期支护厚度在0.35 ～ 0.40 m取值。

2）钢拱架间距

初期支护厚度为0.3 m，单次拆撑长度为9 m，钢拱架间距分别为0.40、0.50、0.75、1.00 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降见表6。

表6 不同钢拱架间距下既有隧道最大隆起与地表最大沉降

由表6可知，随钢拱架间距增大，既有隧道最大隆起与地表最大沉降均逐渐增大。这表明可以通过减小钢拱架间距的方式，控制施工对周围环境的影响。然而，钢拱架间距过大会导致支护强度与刚度不足，承担围岩压力的能力减弱。钢拱架间距从0.4 m 增至0.5 m 时，既有隧道最大隆起和地表最大沉降增幅最大。建议钢拱架间距取0.4 m。

3）单次拆撑长度

单次拆撑长度即临时支护单次拆除长度。初期支护厚度为0.3 m，钢拱架间距为0.5 m，单次拆撑长度分别取6、8、9、10、12 m。既有隧道最大隆起及地表最大沉降见表7。

表7 不同拆撑长度下既有隧道最大隆起与地表最大沉降

由表7可知：随单次拆撑长度增加，既有隧道最大隆起与地表最大沉降不断增大。与单次拆撑长度6 m相比，单次拆撑长度12 m 时既有隧道最大隆起和地表最大沉降明显增大。这是由于单次拆撑长度越大，支护结构整体刚度下降越快，从而造成周围土体受力状态发生较大改变。可见单次拆撑长度增加对周围结构稳定性不利，建议单次拆撑长度取6 m。

4.2 施工方案优化前后对比

综合以上分析，从两个方面对施工方案进行优化：①增加初期支护厚度，新增三次衬砌。初期支护厚度由原设计的0.30 m调整为0.35 m，二次衬砌厚度由原设计的0.50 m调整为0.25 m，二次衬砌施工完成后，再拆除临时支护，铺设防水板，之后施作三次衬砌（厚0.35 m）。②钢拱架间距由原设计的0.5 m 减至0.4 m，单次拆撑长度由原设计的9 m减至6 m。

通过数值模拟得到施工方案优化前后既有隧道拱顶竖向位移随施工步变化曲线，见图8。

图8 方案优化前后既有隧道拱顶竖向位移随施工步变化曲线

由图8 可知，既有隧道拱顶最大竖向位移由施工方案优化前的7.04 mm 减至6.47 mm，减幅8.10%。因初期支护和二次衬砌组成的支护结构提高了支护结构的强度与刚度，对后续拆撑释放的地层应力有一定的抑制作用，同时增加了新建隧道结构自重；单次拆撑长度较短可减少对既有隧道的扰动。

施工方案优化前后地表沉降曲线见图9。可知，与施工方案优化前相比，优化后地表最大沉降由9.49 mm减至8.71 mm，减幅8.22%。

图9 施工方案优化前后地表沉降曲线

5 结论

1）新建隧道采用CRD 法上跨既有隧道施工过程中，先行开挖的两个导洞引起的既有隧道拱顶隆起和地表沉降，接近整个施工过程最大变形的50%。

2）既有隧道最大隆起与地表最大沉降随钢拱架间距和单次拆撑长度增大而增大，随初期支护厚度增加而减小。

3）新建隧道上跨既有隧道时采用初期支护+二次衬砌+三次衬砌的复合衬砌结构。二次衬砌施作完成后，再拆除临时支护，铺设防水板，施工三次衬砌。钢拱架间距取0.4 m，单次拆撑长度取6 m，有利于既有隧道结构稳定和施工安全。