供稿|任晨，王雅琦，潘旦光, ，白利紅 / REN Chen, WANG Ya-qi, PAN Dan-guang, , BAI Li-hong

內(nèi)容導(dǎo)讀

北京地鐵17號(hào)線東大橋站下穿既有6號(hào)線的單層雙洞隧道，擬采用6導(dǎo)洞交叉中隔墻法施工。為控制既有線和地表的沉降，采用Flac3D數(shù)值計(jì)算方法，研究4種導(dǎo)洞施工順序?qū)扔兴淼篮偷乇沓两档挠绊懸?guī)律，提出群洞影響系數(shù)以定量研究相鄰隧道施工對(duì)變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，導(dǎo)洞豎向開挖施工方案，可有效減小既有線隧道最大沉降及群洞效應(yīng)，為最優(yōu)的施工順序。

近年來我國(guó)城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，受城市地下空間的限制及換乘需要，新建地鐵工程常需要近距離下穿既有地鐵線路[1-2]。新建工程下穿既有線路，會(huì)引起既有隧道結(jié)構(gòu)的變形，進(jìn)而影響既有地鐵線路的正常運(yùn)營(yíng)。交叉中隔墻法(CRD法)主要用于城市地鐵隧道的施工，劉惠敏等[3]以北京地鐵10號(hào)線光華路站單線側(cè)洞為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件優(yōu)化了4導(dǎo)洞CRD工法的施工順序。戚玉亮等[4]采用有限元無限元組合方法研究了大斷面淺埋暗挖海底隧道CRD工法對(duì)圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。

城市地鐵群洞隧道一般分期分部開挖、逐步形成洞室，即使施工方法相同，施工完成后最終狀態(tài)也可能不唯一，即與施工過程相關(guān)[5-6]。對(duì)于凈距較小的CRD工法雙洞隧道，后施工隧道會(huì)對(duì)先施工隧道產(chǎn)生影響，同時(shí)不同導(dǎo)洞開挖支護(hù)順序產(chǎn)生的地層變形及群洞效應(yīng)不同，因此必須合理組織群洞隧道的施工方案以減小群洞效應(yīng)的影響[7-9]。本文以北京地鐵17號(hào)線東大橋站下穿既有6號(hào)線的區(qū)間隧道施工為工程背景，研究CRD法不同導(dǎo)洞施工順序下地表和既有線的沉降變化規(guī)律及群洞影響系數(shù)，優(yōu)化導(dǎo)洞施工方案，可供類似工程施工參考。

工程概況

北京地鐵17號(hào)線東大橋位于北京市朝陽區(qū)，下穿既有6號(hào)線區(qū)間隧道。由于地鐵17號(hào)線東大橋站頂面高于既有6號(hào)線區(qū)間隧道的頂面，而東大橋站的底面低于6號(hào)線區(qū)間隧道的底面，因此，將17號(hào)線東大橋設(shè)計(jì)分為三段，南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段、北側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段和中間下穿段[10]。本文分析的中間下穿段為單層雙洞隧道，擬采用CRD法施工。下穿段隧道長(zhǎng)36.5 m，寬9.9 m，高9.52 m，凈距5.2 m，與6號(hào)線隧道凈距約 2 m。下穿段與既有線關(guān)系如圖1所示。

下穿段進(jìn)行無水暗挖作業(yè)。在開挖前，對(duì)17號(hào)線隧道開挖部位采用全斷面深孔注漿，注漿范圍為隧道拱部及側(cè)墻外4.0 m，底板以下2.0 m。隧道拱部180°范圍內(nèi)采用單排小導(dǎo)管注漿對(duì)拱部土體進(jìn)行預(yù)加固，每榀打設(shè)一環(huán)。暗挖導(dǎo)洞初襯采用鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架及噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)形式，厚度 350 mm，中隔壁及臨時(shí)仰拱由鋼筋網(wǎng)、工字鋼及噴射混凝土組成，厚度250 mm，二襯為筑模鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚1000 mm，側(cè)墻及拱部厚800 mm。施工時(shí)首先開挖左線，導(dǎo)洞采用預(yù)留核心土開挖，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，各導(dǎo)洞相互錯(cuò)開距離不小于15 m。待各導(dǎo)洞均貫通后，臨時(shí)中隔壁進(jìn)行隔二換一的換撐處理，并自下而上逐段拆除剩余中隔壁及臨時(shí)仰拱、施做拱部防水層和二次襯砌、結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。左線單洞隧道施工完成后再施工右線單洞隧道，施工方法與左線一致。

數(shù)值計(jì)算分析

計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，模型尺寸為176 m× 36.5 m×76.6 m。模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于17號(hào)左右線間底板的起點(diǎn)處。土體及6號(hào)線襯砌用實(shí)體單元模擬，土體采用摩爾庫倫模型，6號(hào)線襯砌為彈性模型，17號(hào)線位置的土體在施工前用實(shí)體單元，施工完成后用殼單元模擬，模型共包括1267471個(gè)單元，610949個(gè)節(jié)點(diǎn)。邊界條件為上表面自由，下表面完全約束，四周限制水平位移。

圖1 計(jì)算模型

下穿段土層從上到下各層土的力學(xué)參數(shù)如表1所示。初襯和二襯的等效彈性模量分別為2.6×104MPa和3.45×104MPa，中隔壁和臨時(shí)仰拱的等效彈性模量為3.12×104MPa。

計(jì)算工況及計(jì)算步驟

17號(hào)線位置土體在CRD法施工過程中，導(dǎo)洞不同的開挖順序引起的沉降不同。為減少17號(hào)線下穿段的單層雙洞隧道施工對(duì)既有線和地表的影響，下面分析圖2所示CRD法施工導(dǎo)洞4種不同施工方案下，既有線和地表沉降的變化規(guī)律。單側(cè)導(dǎo)洞的施工方案1為①②③④⑤⑥，施工方案2為①④②③⑤⑥，施工方案3為①④②⑤③⑥，施工方案4為①②④⑤③⑥，左右線工序相同，其中施工方案1為豎向開挖導(dǎo)洞，施工方案3為橫向開挖導(dǎo)洞，施工方案2及施工方案4為橫向開挖與豎向開挖相 結(jié)合。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)施工工序，計(jì)算過程分為以下幾個(gè)步驟：(1)在重力作用下，計(jì)算得到包含6號(hào)線模型的初始應(yīng)力場(chǎng)；(2)17號(hào)線隧道開挖區(qū)域進(jìn)行深孔注漿，注漿區(qū)彈性模量為原始土層彈性模量的1.2倍；(3)每循環(huán)開挖前，隧道拱部進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管注漿區(qū)等效寬度為0.8 m，每個(gè)循環(huán)的注漿影響區(qū)長(zhǎng)度為3 m；(4)采用null單元模擬隧道開挖，模擬各導(dǎo)洞循環(huán)開挖時(shí)，每開挖0.5 m，然后，施做襯砌、中隔壁及臨時(shí)仰拱；(5)左線各導(dǎo)洞依次開挖至貫通后施做二襯；(6)17號(hào)右線模擬方法同左線。

圖2 17號(hào)線導(dǎo)洞示意圖

計(jì)算結(jié)果分析

地表沉降

圖3為地表y=5.11 m測(cè)線處4種施工方案下17號(hào)線左線及右線施工完成后的沉降槽曲線。對(duì)于4種施工方案，17號(hào)線左線隧道施工完成后，地表沉降槽曲線峰值都位于左線隧道中線處，呈均寬而淺的“V”型。但不同施工方案的最大沉降值不同，方案1的沉降最小僅為2.29 mm，而最大的為施工方案3，達(dá) 2.61 mm。

圖3 不同施工方案下地表y=5.11 m沉降圖

當(dāng)17號(hào)線右線隧道施工時(shí)，沉降槽曲線向右下偏移。由于兩隧道的凈距僅為5.2 m，為近距離相鄰隧道，從而導(dǎo)致左線隧道位于右線隧道沉降槽的影響范圍內(nèi)而存在群洞效應(yīng)。群洞效應(yīng)一方面使左線隧道的沉降繼續(xù)增加，另一方面，使沉降槽曲線峰值不再位于隧道的中心線，而是位于左右兩隧道中間。

既有線沉降

6號(hào)線左線隧道軸線沉降及不同施工階段下左線中點(diǎn)沉降對(duì)比圖如圖4所示，由圖4(a)可知左線隧道施工完成后沉降槽曲線均呈“V字形”，較地表更加窄而深，待右線隧道施工完成后，由于左右線間土體對(duì)上穿6號(hào)線隧道起到了一定的支撐作用，限制了右線施工對(duì)6號(hào)線隧道的影響，因此沉降槽曲線形似“W”。

圖4(b)為不同施工階段下6號(hào)線隧道左線中點(diǎn)沉降圖，由圖可知6號(hào)線左線底板中點(diǎn)沉降曲線均呈臺(tái)階式下降，當(dāng)各施工方案開始施工上層④、⑦、⑩號(hào)導(dǎo)洞時(shí)沉降急劇增加，造成這種現(xiàn)象的直接原因是不同形狀的洞室對(duì)控制土體變形的效果不同。城市地鐵隧道工程一般埋深較淺，初始應(yīng)力場(chǎng)可認(rèn)為是重力場(chǎng)。對(duì)于非圓形隧道，當(dāng)隧道斷面長(zhǎng)邊順著初始地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向即重力場(chǎng)方向時(shí)，可降低隧道周邊切向應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而減小隧道開挖對(duì)土層的擾動(dòng)[3]。因此當(dāng)開挖上層④、⑦、⑩號(hào)導(dǎo)洞時(shí)擴(kuò)大了洞室上方土體的橫向影響范圍，顯著削弱了土體抵抗變形的能力，而導(dǎo)洞豎向開挖的橫向影響范圍較小，并且在開挖中層及下層導(dǎo)洞之前，上層導(dǎo)洞的初支已經(jīng)形成，上導(dǎo)洞初支對(duì)洞室周圍的土體起到一定保護(hù)作用，減小了下層導(dǎo)洞開挖時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)作用，因此豎向開挖的方式較橫向開挖可以更好地控制地層變形。

群洞效應(yīng)

為定量研究群洞效應(yīng)影響，可定義群洞影響系數(shù)

圖4 不同工況下6號(hào)線左線沉降圖：(a) 軸線沉降；(b) 中點(diǎn)的沉降過程

式中：r0和r分別為先開挖隧道和后開挖隧道完成施工后同一位置的反應(yīng)。群洞影響系數(shù)ξ反映了后開挖隧道施工引起先開挖隧道的變形或內(nèi)力增量的百分比，ξ越接近0表示后開挖隧道的施工對(duì)先開挖隧道的影響越小。

A點(diǎn)為y=5.11 m處17號(hào)線左線隧道中線所對(duì)應(yīng)的地表點(diǎn)，B點(diǎn)為17號(hào)左線和6號(hào)左線軸線平面投影的交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的6號(hào)線左線隧道底板點(diǎn)，A點(diǎn)和B點(diǎn)的位置見圖1。則A點(diǎn)和B點(diǎn)在17號(hào)線左線和右線隧道施工完成后的沉降值如表2所示，表3為A點(diǎn)和B點(diǎn)的群洞影響系數(shù)。顯然，隨著17號(hào)右線隧道的施工，A點(diǎn)和B點(diǎn)的沉降都進(jìn)一步增加。施工方案1不僅沉降最小，而且群洞影響系數(shù)也最小，而施工方案3先橫向后豎向的導(dǎo)洞開挖方式，在右線施工完成后，A點(diǎn)和B點(diǎn)的沉降比施工方案1分別大17.5%和16.2%。這表明，對(duì)于淺埋暗挖大斷面CRD法施工時(shí)，采用一側(cè)導(dǎo)洞先開挖，然后進(jìn)行另一側(cè)導(dǎo)洞施工，減少了每側(cè)導(dǎo)洞開挖時(shí)的橫向斷面，使地表沉降小，同時(shí)有效降低施工對(duì)地層的擾動(dòng)范圍而有效降低群洞影響系數(shù)，可推薦實(shí)際施工時(shí)優(yōu)先 使用。

表2 A點(diǎn)和B點(diǎn)的沉降(mm)

表3 A點(diǎn)和B點(diǎn)的群洞影響系數(shù)

結(jié)束語

以北京地鐵17號(hào)線東大橋站下穿既有6號(hào)線的兩個(gè)相鄰隧道施工為研究對(duì)象，分析CRD法施工時(shí)不同施工方案對(duì)地表和既有線沉降的影響。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知：

(1) 對(duì)于單層雙洞CRD法，導(dǎo)洞先豎向后橫向的開挖順序，使地表和既有線的沉降相對(duì)最小，為最優(yōu)方案。而導(dǎo)洞先橫向后豎向的開挖順序引起的沉降最大，因此在多導(dǎo)洞CRD法中應(yīng)優(yōu)先采取導(dǎo)洞先豎向后橫向的開挖方式。

(2) 對(duì)于近距離相鄰隧道施工時(shí)，后開挖隧道的施工會(huì)使先開挖隧道的沉降進(jìn)一步增大，對(duì)于多導(dǎo)洞CRD法，采用先豎向后橫向的開挖順序，有效降低施工對(duì)地層的擾動(dòng)范圍而有效降低群洞影響 系數(shù)。