趙秀紹 莊錦彬,2 方 燾 石鈺鋒

(1. 華東交通大學江西省巖土工程基礎(chǔ)設施安全與控制重點實驗室， 330013 南昌；2. 廈門軌道交通集團有限公司， 361010, 廈門//第一作者，副教授)

隨著城市地鐵規(guī)模不斷擴大，相繼出現(xiàn)新建地鐵隧道近距下穿既有車站的情況。然而，隧道近接施工是一個非常復雜的力學過程，再加上地下工程本身的復雜性，這就給隧道穿越工程的安全控制帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

針對隧道下穿車站施工的問題，國內(nèi)外學者已做了一些相關(guān)研究。文獻[1]采用三維有限元模型研究某地鐵隧道盾構(gòu)掘進過程中既有通道力學行為，得出了既有通道沉降和附加的應力變化規(guī)律；文獻[2]結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測對小間距雙線隧道近距下穿車站時，工作面錯距、注漿橫通道與車站結(jié)構(gòu)間距對車站及地表沉降的影響進行了研究；文獻[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，分析了新建雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿施工過程中誘發(fā)車站結(jié)構(gòu)變形的特征；文獻[4]對某隧道盾構(gòu)施工近距離下穿既有地鐵出入口人行通道的施工過程進行分析，得出了其地層變位規(guī)律及對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響規(guī)律；文獻[5] 運用FLAC3D軟件建模，分析了某一隧道下穿既有車站出入口時，引起上部車站出入口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降變形的情況；文獻[6] 分析對比了既有車站不同沉降控制措施的有效性；文獻[7] 對某隧道下穿既有運營隧道的最小理論凈距進行了探析。

通過文獻調(diào)研不難看出，下穿隧道開挖對既有車站旅客通道的影響研究較少，且以往研究多是基于下穿隧道正交或斜交于車站旅客通道的情況。本文基于某既有車站軌道交通土建預留工程折返線隧道穿越其旅客通道工程，針對其從旅客通道正下方長距離平行下穿狀況及開挖跨度大的特點，通過定量與定性分析對該工程的安全風險進行前期探析，并提出安全風險控制建議。研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

該既有車站軌道交通土建預留工程折返線隧道起終點為DK0+193.273—DK0+549.001，全長355.73 m。區(qū)間隧道正穿車站南站房、進出站旅客通道及北站房，最大埋深為30.8 m，最小埋深為16.0 m。折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段下穿鐵路股道的同時軸線基本與進出站旅客通道平行，隧道拱頂與通道底板距離為9.0～10.0 m，折返線隧道與車站旅客通道空間位置關(guān)系見圖1及圖2。

圖1 隧道與通道位置關(guān)系橫剖面圖

單位:cm

圖2 隧道與通道位置關(guān)系縱剖面圖

2 風險定性分析

2.1 隧道特征

隧道為單洞雙線隧道，斷面開挖寬度為14.1 m，開挖高度近10.0 m，屬大斷面大跨度隧道。隧道的形狀和尺寸是其開挖擾動范圍的重要因素。隧道跨度越大，自然成拱越高，松動區(qū)就越大，易產(chǎn)生塌方冒頂。

2.2 地層條件

隧道洞身穿越地層主要為全風化、散體狀及碎裂狀的強、中風化花崗巖，屬于軟弱圍巖,強度低，壓縮性高、自穩(wěn)及自承能力差。該地層條件會加大隧道塌方及旅客通道變形過大的風險。

2.3 周邊環(huán)境

折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段長距離平行下穿旅客通道，隧道開挖對旅客通道下部巖體擾動極大，施工風險極高。此外隧道周邊布有車站樁基，最小凈距僅為2.6 m ，且區(qū)間隧道施工至火車站站線范圍時，鐵路線路為運營狀態(tài)，列車動荷載及隧道開挖擾動相互影響。

3 施工風險分析

該工程為在軟弱圍巖中進行大跨度隧道開挖。隧道下穿股道段風險源眾多，一旦發(fā)生塌方或者大變形，將嚴重威脅工作人員生命安全。此外，鑒于該車站旅客通道為變形敏感的重要構(gòu)筑物，與隧道位置臨近，如果隧道施工引發(fā)地下通道開裂滲水等問題，可能會引起旅客恐慌，并對鐵路運營安全造成極大隱患。因此，在對以上風險源進行分析的基礎(chǔ)上，有必要結(jié)合定量分析對隧道近接施工可能產(chǎn)生旅客通道的安全隱患進行風險分析，并采取相應的風險控制措施。

由于本文限于依托工程的初期風險評估，考慮到數(shù)值模擬中較難精細化到旅客通道變形縫，且現(xiàn)實中變形縫的存在將使得通道相對柔性，減小結(jié)構(gòu)受力，加上該工程變形控制標準較高，會嚴格控制隧道施工對通道的影響，故對旅客通道變形縫暫不進行深入討論(后續(xù)研究中開展)。

3.1 模型建立

采用FLAC3D軟件進行模擬。該模型地表面為實際環(huán)境條件，模型中左、右側(cè)(X方向)邊界距離洞邊的距離約為洞跨的5倍，即左右各取70 m，下邊界(Z方向)取3倍隧道開挖高度，上邊界取至地表面車站結(jié)構(gòu)底面，縱向?qū)挾热?20 m。以上取值可滿足消除邊界效應的要求。模型邊界條件：頂面為自由邊界，底面為固定邊界，4個側(cè)面約束法向位移，模型細部情況見圖3。

圖3 隧道工程數(shù)值模型細部圖

基于地勘資料及文獻調(diào)研，相關(guān)物理力學參數(shù)取值見表1。隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮:采用 Mohr-Coulomb屈服準則，圍巖及地下通道、車站、樁采用三維實體單元，襯砌采用殼單元;鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土;管棚加固區(qū)以及超前小導管注漿，參考工程經(jīng)驗及前人相關(guān)研究結(jié)論[14]，采用提高彈性模量、黏聚力量值加以模擬;隧道結(jié)構(gòu)的附近采用細密單元。

表1 隧道工程數(shù)值物理力學參數(shù)

按TB10001—2005《鐵路路基設計規(guī)范》[8]中的換算土柱法，得列車及軌道等效荷載為60 kN/m。數(shù)值模擬基于安全考慮，隧道按全斷面循環(huán)開挖考慮。

3.2 結(jié)果分析

下穿隧道開挖結(jié)束后，調(diào)取旅客通道關(guān)鍵節(jié)點相應指標的數(shù)值進行變形及應力變化分析。

以圖2中DK0+380為起點，DK0+480為終點(隧道開挖方向)，選取隧道開挖結(jié)束后通道頂、底板中線節(jié)點豎向位移進行分析(見圖4)。

圖4 車站旅客通道豎向位移

圖4表明： ① 隧道開挖結(jié)束后，該區(qū)段通道頂、底板豎向位移變化走勢基本一致，且沿隧道開挖方向有減小趨勢，但后期趨勢趨于平緩； ② 因隧道先后開挖順序原因，引起位移累積效應，導致頂、底板最大位移均位于旅客通道起點處，頂板最大位移為7.84 mm，底板最大位移為7.76 mm。

基于圣維南原理,選取旅客通道中間橫截斷面的應力狀態(tài)進行分析，即可反映隧道下穿隧道開挖結(jié)束后對通道產(chǎn)生的附加應力效應。選取DK0+430處通道橫截斷面進行分析，以通道左端為起點、右端為終點(以X軸正方向為基準)，對隧道開挖前后通道頂、底板豎向應力變化進行分析(見圖5、6)。

圖5 車站旅客通道頂板豎向應力

圖5、圖6表明： ① 車站旅客通道頂板中間部位的豎向應力受隧道開挖影響不明顯，但其它部位豎向應力較隧道開挖前有顯著增大，最大增幅達76.8%; ② 隧道開挖后，在隧道上部區(qū)間形成的應力松弛區(qū)向上擴散,使旅客通道底板除中間部位豎向應力受隧道開挖影響較小外，其他部位均呈現(xiàn)明顯的應力松弛。

圖6 車站旅客通道底板豎向應力

4 風險控制措施

鑒于該工程風險大，故結(jié)合既有工程經(jīng)驗，在嚴格遵循相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上[9-13]，制定了詳細監(jiān)測方案(見表2)。因車站處于運營狀態(tài)，為使工程風險處于可控范圍，具體措施多為隧道內(nèi)施工控制措施，因此，必須加強車站及其相關(guān)附屬設施的監(jiān)測，以進一步確保工程安全(監(jiān)測是風險控制重要手段之一)。此外，在類似建(構(gòu))筑物沉降控制值的文獻[15-17]，考慮到風險源眾多，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗及專家意見，適當提高了控制標準，所制定的控制標準詳見表3。

表2 隧道工程監(jiān)測方案

數(shù)值分析表明，車站旅客通道變形在允許范圍之內(nèi)，滿足設計和施工要求，但變形情況較接近預警容許值(見表3)，且實際施工時存在眾多不可控因素。為確保隧道本身及周邊建構(gòu)筑物的安全，施工時仍應盡量減小對地層的擾動，同時應用監(jiān)測網(wǎng)對既有建(構(gòu))筑物進行實測反饋，及時調(diào)整和優(yōu)化施工參數(shù)，并視情況決定是否采取相應加固措施。

表3 隧道工程監(jiān)測控制標準

在對重要監(jiān)測點進行24 h不間斷監(jiān)測的同時，為確保隧道本身安全及既有車站正常運營，應結(jié)合施工過程得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從多方面采取細化控制措施。在條件許可的情況下，可考慮對路基、進出站旅客通道、隧道周邊圍巖等采取進一步的加固措施，如長管棚超前預支護+注漿小導管徑向注漿等，并建立預警機制及制定相應的應急方案。

5 結(jié)論

(1) 隧道DK0+380—DK0+480區(qū)段從既有車站旅客通道正下方長距離平行下穿，其工程特點導致施工風險加大。因此，必須采取合理有效加固、支護措施(相比非下穿段，采取管徑更大的預支護管棚、加密鋼拱架布置等措施)，并加強監(jiān)控，保證隧道施工與旅客通道的安全。

(2) 旅客通道頂部最大變形量為7.84 mm，底部最大變形量為7.76 mm，最大變形位于通道起點頂、底板中間位置，變形量保持在監(jiān)測控制標準范圍內(nèi)，但最大值已接近容許預警值。因此，應對地下通道四周土體采取進一步加固措施，減小圍巖擾動效應。

(3) 鑒于車站結(jié)構(gòu)及旅客通道均為重要構(gòu)筑物，且施工過程仍存在不可預知因素，工程施工仍面臨潛在風險，因此，應做好超前地質(zhì)預報、動態(tài)設計，及時對設計與施工方案進行優(yōu)化調(diào)整，必要時可綜合考慮采用地表預加固或隧道內(nèi)注漿等必要手段，以保證車站結(jié)構(gòu)及旅客通道的正常安全運營。