多冉伟 陈国
摘要：某公路隧道工程纵向跨越既有运营地铁段近300m，基坑宽度50m，隧道底板距运营的地铁盾构隧道最小距离仅1.5m。施工极易扰动既有地铁结构，并面临着盾构隧道变形，进而引起地下水灌入等风险。本文提出了采用横隔墙兼做分仓间隔的梯次開挖-分仓浇筑的施工方案，采用有限元模型对隧道施工过程进行模拟，分析了施工活动引起的地铁位移和附加压力以评估地铁的安全风险。结果表明，梯次开挖-浇筑的施工方案能有效抑制地铁线的变形及附加压力，确保了基坑施工期间下卧地铁的运营安全。
关键词：地下公路 隧道工程 上穿 有限元分析 变形控制
Construction Safety Control of the Highway Tunnel on the Existing Metro Line
DUO Ranwei1 CHEN Guo2
（1. Third Engineering Branch of China Railway First Group Co.， Ltd.， Baoji， Shaanxi Province， 721006 China; 2. College of Civil Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， Jiangsu Province， 210037 China）
Abstract： A highway tunnel project longitudinally spans an existing operating metro section of about 300m， with a foundation pit width of 50m， and the minimum distance between the tunnel floor and the metro shield tunnel is only 1.5m. The construction is very easy to disturb the existing subway structure， and faces the risks of shield tunnel deformation and groundwater injection. To solve this problem， this paper introduces the design concept of cross-wall， and proposed a construction plan of steps excavation & interval casting that use the cross-wall as the partition interval， and adopts structural measures such as setting up wire mesh and water-stop plate at the construction joints. The finite element model is applied to simulate the tunnel construction process， and the subway displacement and additional pressure caused by the construction activities are analyzed to assess the safety risk of the subway. The analysis results show that the steps excavation & interval casting construction scheme can effectively reduce the deformation and induced force to ensure the safety of the existing subway during the excavation of the foundation pit.
Key Words： Underground expressway; Tunnel engineering; Over passing; Finite element analysis; Deformation control
随着城市建设的发展，在有限条件下建立立体交通体系是解决随城市规模不断扩大而引起的交通拥堵问题的有效方法 [1-3]。相比于近年流行的高架桥项目，地下公路隧道由于建造成本高、施工难度大等原因则出现的较少。但与地铁及高架桥等交通方式相比，地下公路（时速60km-90km）基于更合理的线路规划、较少的拆迁纠纷、更优质的空间利用、较短的通勤时间等优势，越来越受到发展较成熟的城市的青睐。地下公路隧道项目面临的主要挑战在于如何减少对既有建筑物和基础设施的影响，如减少扰动、保护年代久远的建筑、防止隧道施工引起的沉降等。
对于在运营的地铁，盾构结构的变形过大会导致管片渗漏水、破裂，甚至轨道变形，影响地铁线的正常运营。因此控制地铁盾构管片的上浮变形和应力突变为上跨深基坑施工的一项关键课题。虽然国内外已有不少地铁交叉、局部共线施工的先例[4-8]，但是此公路隧道工程纵向跨越既有运营地铁段长近300m，基坑深度达25m;隧道底板距离地铁结构最小距离仅1.5m，卸载对地铁的上副作用极易使地铁产生变形并产生极大的内力变化。
以东南亚某国的地下快速路项目为例，针对公路隧道基坑开挖可能引起的下卧地铁线变形，内力变化和安全风险，提出采用横隔墙兼做分仓间隔的梯次开挖-分仓浇筑的施工方案，并运用有限元软件研究施工过程对地铁的影响。
1 工程概况和地质条件
1.1 工程概况
此公路廊道为双向6车道双洞箱型隧道，采用局部盖挖顺做法施工，基坑宽度42.5～54.5m，纵向跨越既有地铁段长295m，施工面积约7000㎡。支挡围护结构由地下连续墻+4层钢支撑组成，地连墙墙厚1.2m，兼做主体结构。根据结构及地质情况的不同，将基坑分为10个小型区段进行分析和设计。既有地铁由双向盾构隧道组成，以下称地铁隧道内线与外线。隧道结构外径6.5m，内径5.8m，由5大+1小的275mm厚预制钢筋混凝土管片组成。在建地连墙与既有地铁平面位置关系及分析区段分布如图1所示。从左侧往右（A1区至E1区）地铁隧道埋深逐渐加大，距地面为20～40m。
公路隧道底板距离既有地铁隧道最小距离仅1.5m，已侵入地铁隧道的3m无桩基作业区，如图2所示。受边界条件限制，部分地连墙无法完全嵌入不透水岩层，墙趾位于节理发育的花岗岩或残积土内，且嵌固深度小。在地铁隧道上部开挖基坑时，地连墙向基坑内变形，增大了地铁两侧土压力，存在引起地铁拱顶向上变形风险。因围护结构未完全阻断地下水联系，基坑存在地下水灌入的风险。因此，工程的重难点是基坑开挖期间，支护要可靠、止水措施要保证周边建筑物及基坑安全。
在地连墙施工阶段同时完成底部横隔墙的浇筑，使得地连墙在基坑底有一道混凝土支撑。横隔墙设计厚度为3m，墙底与设计底板平齐。横隔墙间距6m，保证对地连墙有足够的横向刚度。横隔墙分布及浇筑仓分布如图1所示。横隔墙还起到空间分隔的作用，为后期分割开挖-梯次浇筑提供基础，并减小卸载引起的地铁隧道上浮。在3m地铁保护区之外浇筑的深嵌岩地连墙，可以起分配浅墙的荷载，支护基坑和保护地铁结构的作用。同时在地铁与在建隧道的接口处，及地连墙围护结构的缺口，采用水泥搅拌的形式改良土质并较小水的渗透系数。
1.2 地质剖面
在基坑北侧（地铁隧道外线一侧），地铁隧道位于花岗岩地层及部分残迹土地层内，具有较好的稳定性能。勘察资料表明，岩土具有很高的标贯锤击数，且岩层面较高。在基坑南侧，地铁隧道大部位于残迹土地层，标贯锤击数较低，岩层面较北侧低。在有限元分析中采用更具代表性的双刚度硬化土模型进行施工工序模拟并计算施工过程中引起的地铁变形和附加应力。硬化土模型的岩土参数见表1。
2 施工技术方案
通过有限元模型分析基坑开挖各阶段工况，分析各工况下既有隧道的变形，在A、 B、 C这3个区段，地铁线对基坑开挖极为敏感。为尽量减少对运营地铁线的扰动，在A、B、C这3个区域设计采用分层分部开挖，底层设置横隔梁以增加基础配重，并增强对两侧地连墙的侧向支撑以防变形。开挖过程中，设置4层钢支撑（S1至S4）。同时开挖3个区域至第三道钢支撑位置，然后放坡开挖两侧的A区和C区，并开挖B区至第4道钢支撑处，如图2所示。此时需采用跳槽开挖剩余区域至设计坑底，并迅速浇筑混凝土以补偿开挖过程中运营地铁线负重的损失，防止过度变形。每个开挖并浇筑的槽段作业面与前期浇筑的横隔墙一致。浇筑底板厚2.5m，与横隔墙下底面平齐。待浇筑底板强度达到设计要求并完成受力转换，即原先由横隔墙承受的侧向压力逐步由底板承担，拆除横隔墙并重新按设计要求浇筑混凝土。
3 有限元模型及分析
应用有限元分析软件PLAXIS对基坑开挖对既有地铁线的变形和安全性进行分析。有限元分析采用岩土-地连墙交互模式以模拟每个主要的施工过程，并评估各个工况对地铁线及周边重要建筑的影响。
3.1 地铁隧道变形分析
应用有限元软件PLAXIS模拟基坑开挖，隧道结构施工及回填过程，并分析对地铁隧道的变形影响。同时考虑平面应变假定，对开挖范围内的10个区段的截面进行2D建模分析，精确计算各区段施工过程的影响。有限元分析结果表明，地铁内线变形最大处出现在C1区段，最大变形为13.6mm;地铁外线变形最大处出现在D2区段，最大变形为7mm。
为分析施工过程（开挖-安装支撑-分隔开挖至设计标高-主体结构施工-回填）对地铁变形的影响，取4个典型截面（区段A2、 C1、 C2和D2）的地铁位移与施工工序的关系曲线列于图3。如图3所示，公路隧道施工对地铁隧道内线的变形影响均大于外线。地铁最大位移在区段C1，最大位移值为13.6mm，小于规范规定的限制15mm，满足要求。其中水平位移8.1mm（向外移动），竖直位移为11.1mm（上升），见图4。最大变形出现在开挖至设计底标高以上3m处。随着主体结构施工和回填，地铁位移就有一定程度的恢复。
A2段地铁内线深度较浅，距离公路隧道底板约3m。但A2开挖时地铁的位移值为12.5mm，小于C1段。分析原因为：A2段地铁处于微风化岩层中，故稳定性较好。而C1段岩层线较低且风化岩层和残积土层较厚，开挖时引起较大的地铁隧道变形。针对A2、C1区，地铁隧道内线的最大变形出现在施工工序第5阶段，即开挖至基坑设计底标高以上3m， 梯次开挖-浇筑之前的阶段。此时地铁变形最大，即证明卸荷最大。而下一阶段的梯次开挖及浇筑底板有效增加了配重，从而抑制了地铁的变形。D2段基坑为常规开挖，未设横隔墙，从图5中可以看出，基坑施工引起的地铁隧道变形较大。这说明横隔墙及梯次开挖-浇筑的施工工艺对地铁起到了保护作用，在横隔墙分布区域（A1到C2）地铁的变形小于无横隔墙区域。对地铁外线，D2区内的位移最大，为7mm，其中地铁隧道冠点上升6.8mm，水平位移为2.1mm。
3.2 地铁隧道环向压力
随着基坑的开挖及后续施工进程，下卧地铁隧道的内力会随着施工的进行而变化。通过模拟施工进程，对各区段内地铁隧道的环向压力和弯矩进行分析。如图5所示，基坑开挖卸荷能明显改变地铁隧道的环向压力，隧道内外线环向压力最小值均出现在开挖至设计标高（工序6）至上部回填之前。回填土增加了上部荷载，同时也使地铁隧道的环向内力大致恢复至开挖前的水平。但对于处于基坑之外的隧道段，如A2段隧道外线，C1段隧道外线和D2段内线隧道，基坑施工过程对隧道的环向压力没有明显影响。
由图6可见，地铁隧道所承受的弯矩荷载也与基坑施工过程紧密相关。对基坑范围内的地铁隧道，由基坑卸荷导致的位移使隧道产生明显的弯矩变化。对于基坑外部的盾构隧道，由于相应的位移较小，故产生的位移也较平稳。需要指出的是，对A2段外线隧道，由于隧道较浅故受基坑施工影响较大。对D2段隧道内线弯矩值较高，分析原因为：D2段基坑南侧有较高的土坡，同时位移值较其他区段大，由于二者的叠加因素导致此段地铁隧道弯矩值较大。施工过程导致的各区段内地铁隧道环向压力，弯矩和施工前后盾构隧道应力变形值见图7。基坑施工导致的附加压力满足地铁保护规范要求。地铁隧道的内力分布都处于承载力包络线之内，地铁结构安全可靠。
3.3 地連墙施工对地铁隧道的影响
地连墙施工对地铁隧道的影响是通过模拟1.2m墙槽的铣槽过程和混凝土浇筑过程去评估铣槽过程引起的对盾构隧道的冲击，上浮作用和浇筑混凝土产生的压力沉降。采用的有限元模型偏于保守，因为膨润土泥浆护壁对槽的稳定性形成保护作用。铣槽持续时间不长，实际地质情况更接近不排水模型。分析结果表明地连墙施工对地铁位移的影响为1mm （见图8），施工引起的隧道压力变化小于地铁保护规程规定的限值。
4 结语
针对地连墙嵌岩不足、既有地铁线埋较浅等问题，提出了混凝土横隔墙的设计概念，横隔墙兼具分仓、平衡卸载、支撑围护结构等作用。采用有限元软件模拟了施工工程中各工序对既有地铁结构的影响，验证了梯次开挖-浇筑工艺对地铁隧道的保护效果。结果表明，横隔墙的配重及分仓浇筑底板能有效抑制地铁变形，保证结构和施工安全。对隧道施工的影响性分析表明，既有地铁隧道的位移、结构内力、附加内力变化等均符合地铁保护规程的要求，盾构隧道安全可靠。
参考文献
[1] 余双池.明挖隧道近接施工对既有地铁隧道的变形控制研究[D].重庆：重庆交通大学，2020.
[2] 杨卫星，官天培，刘长庚，等.管廊基坑开挖对既有长江隧道变形的影响[J].土木工程与管理学报，2020，37（2）：87-92.
[3] 雷亚峰，何修义.明挖隧道施工期间下方共线地铁盾构区间上浮控制技术——以深圳市桂庙路快速化改造工程为例[J].隧道建设（中英文），2019，39（11）：1888-1897.
[4] 陈仁朋，叶跃鸿，王诚杰，等.大型地下通道开挖对下卧地铁隧道上浮影响[J].浙江大学学报（工学版），2017，51（07）：1269-1277.
[5] 金礼俊.深圳地铁盾构隧道下穿既有建筑物的影响与控制技术研究[D].西南交通大学，2019.
[6] 罗敬炬.地铁盾构下穿既有公路隧道的变形影响及控制研究[D].暨南大学，2020.
[7] 魏琪.黄土地区暗挖隧道下穿国铁站场区关键技术[J].科技创新导报，2018，15（7）：32-33.
[8] 肖作明.地铁曲线段隧道近距离下穿既有建筑物长大管棚关键施工工艺[J].科技创新导报，2018，15（12）：37-38+40.
作者简介：
多冉伟（1980—），男，硕士，高级工程师，研究方向为桥梁与隧道施工技术。
陈国（1980—），男，博士，副教授，研究方向为桥梁施工。
