新建地铁隧道邻近既有线施工影响研究进展

郑业勇

（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙410004）

近年来，随着大量人口涌入大中城市带来的城市交通压力与日俱增，地下轨道交通以快捷、时间可控、可利用地下空间成为城市交通规划的首选。地下交通网络纵横交错使得新建地铁隧道必然产生新的交叉节点，通过换乘节点设计思路可以规避交叉节点施工带来的风险，但多数车站早期规划未预留穿越条件，新建地铁隧道不可避免要穿越既有线。

目前存在上跨和下跨既有运行线路两种，这两种跨越方式对既有隧道的影响机理有所不同，同时也与开挖方式、地质水文、相对角度和距离等因素密切相关。如何准确预估新建地铁隧道施工与既有运行线隧道之间的相互作用引起的结构变形量对保障既有线运营安全是邻近施工面临的关键问题得到了研究者的广泛关注。地铁可利用地下空间通常在10～30 米之间，隧道埋深要求与洞径设计限制造成大多新建地铁隧道以较小间距穿越既有运行线路。当既有线限界预留空间较小时，开挖引起的既有线结构变形可能导致列车侵入界限而造成运营线路的停运[1]。通过预测隧道沉降，采取相应辅助施工措施控制变形，减少掘进过程的风险是一个研究难题。不仅需要理论模型与施工监测相结合，还需要在施工过程中不断积累经验数据，建立更加精确和简便的模型预测变形，为设计提供有效数据支撑，在设计阶段便采取相应的技术措施控制风险对隧道长期运行安全至关重要。

邻近施工使既有隧道周围的土体受到较大扰动，土体平衡受到破坏，土体向开挖面发生松弛现象，引起既有隧道的竖向和水平方向变形，变形的出现必然导致结构内力的重分布，超过极限承载能力时会对结构造成永久性破坏，降低安全使用寿命。隧道变形导致接缝处张开同样会对管片间粘贴的橡胶止水条防水性能产生影响[2]。

提前预测施工中影响范围及变形量，在盾构到达交叉节点前对地层进行加固处理，并在整个穿越施工过程中对既有线实时监测，并加大监测频率，严格控制盾构掘进参数，根据地质情况选定恰当的渣土改良措施，确保穿越过程安全可控。研究既有线隧道变形规律，对于总结施工经验，完善设计方案有很好的价值。

1 研究方法

新建隧道穿越既有隧道产生的影响从水平方向分析，通常分为三阶段（图1）：到达交接区域前、在交接区域范围内、离开交接区域后。从剖面方向分析，交叉节点区域隧道存在不同的空间位置关系、地质情况等（图2）。研究者根据工程实际情况，采取经验法、分析法、实体实验、场地监测和数值模拟等方法评估邻近既有隧道施工的影响[3]。

图1 三阶段影响区域平面图

图2 相交区域土体剖面图

目前，国内外采用最多的研究方法是利用有限元或有限差分法(FDM)进行隧道模拟计算再结合施工现场采用自动化监测数据进行综合分析。隧道内监测项目主要有拱顶下沉、拱底隆起、净空收敛，拱顶下层通常每隔20 米设置1 个测点，加密区为5 米，净空收敛每隔30 米设置3 个测点，加密区为10 米3 个测点。昝子卉[4]通过施工过程全动态模拟与全自动化监测的结果对比分析，研究了盾构施工上跨既有线的变形规律。数值模拟的精确度通常由选择的应力应变关系和强度准则是否足够准确模拟岩土的力学行为和变形决定，选择Mohr-Coulomb 模型作为传统的固体材料弹塑性的本构模型。

在软土地层中，张治国等[5]假设隧道周围土体为弹性体，并把既有隧道看作是支撑在winkler 地基上的弹性梁。梁荣柱等[6]把既有隧道看做是搁置在winkler 地基上的欧拉-伯努利梁，通过明德林解来快速计算卸荷应力，并建立参数模型分析前进距离、空间距离、多隧道等不同的影响。

2 变形影响机理

新建地铁隧道上跨既有线隧道在开挖前受到上部土体荷载作用，隧道掘进时对周围一定范围内岩体产生扰动，使得原岩体平衡状态发生变化而产生微变形，甚至移位，未及时制止的移位可能产生连锁反应出现局部坍塌。上跨隧道随着开挖面不断向交叉中心推进，卸载了既有线上部部分土体荷载，夹层土受到二次扰动后处于不稳定状态，地层迅速将扰动结果传播到既有隧道，使得衬砌支护力下降。隧道下部的弹性反力大于上部土体荷载，使得既有隧道结构发生上浮。开挖后土体荷载转移到隧道两侧土体，隧道承受的侧向力增加，使得既有隧道结构进一步上浮，严重时甚至整体弯曲变形。既有隧道竖向沉降量远大于水平位移量，受影响的范围通常在交叉节点两侧1D（洞径）范围内[4]。采用盾构法施工时，土仓压力略大于主动土压力，位于盾构掘进下面的隧道受力也会有所增大。既有线距离交点中心越近变形量通常越大，呈现出两边低中间高的波谷变形。

新建地铁隧道下跨既有隧道的对土体扰动影响与上跨相同。基于自动化监测与有限元差分法模拟，隧道出现了竖向位移和扭转变形，两种变形叠加易导致裂缝产生。下跨隧道施工改变了原有的应力平衡状态，引起沉降，导致既有隧道受力增加和弯曲变形，可能对既有线的正常运行产生不可逆转的影响。

3 施工保障措施

施工前对既有隧道进行结构调查和监控量测测点布置，提前对地铁隧道进行全方位自动化实时监控，通过监控数据分析来实时指导现场施工，减少对既有隧道的负面影响。在粘质粉土和粉砂土层中通常选用土压平衡盾构机能够较好的控制土体沉降。同时，盾构法施工需要减少盾构推力和降低掘进速度的盾构参数调整来保障邻近施工结构物安全。盾构施工横断面监测点布置如图3 所示，AB 为道床沉降监测点，C 为拱顶沉降监测带点，DF 为水平位移监测点。采用盾构法或矿山法施工的隧道，在掌子面达到交叉中心之前对易受影响范围内的地层进行地面注浆预加固处理[1,7]。盾构试掘进过程中严控掘进参数，试掘进参数如表1 所示。盾构穿越后，根据监测情况及时进行二次注浆和管片径向注浆。最新研究表明，采取相应施工措施之后，最大位移小于3mm[2]，变化量满足规范控制指标±10mm要求。

图3 横断面监测点布置

表1 盾构试掘进参数

4 结论

通过新建地铁隧道上跨或下跨既有线隧道交叉节点的工程地质、水文地质、隧道空间位置等信息建立模型预测沉降量，在设计阶段局部加强设计较少沉降风险，在施工阶段加强监控量测，根据反馈监测信息及时调整施工参数。模型预测与设计结合、监控量测与施工过程同步开展能显著降低施工风险，对既有线安全运行意义重大。