刍议上跨下穿施工对城市轨道交通既有隧道的影响

赵勇胜　高会军

摘 要：在城市轨道交通线网规划、建设中，对新建线路、市政管线等其它工程穿越既有线路的问题不可避免地会遇到，可能会严重威胁既有城市轨道交通线结构。穿越盾构隧道施工并不是新课题，不少学者已对数值模拟及现场监测等方法进行了采用，并展开了研究。

关键词：盾构法；上跨下穿；近接施工；有限元分析

文章从最小净距和最大隆沉量方面对上海、广州、深圳等地铁隧道上跨下穿施工项目的监测数据进行了统计。文章以苏州轨道交通1、2号线为工程背景，采用有限元方法，研究城市轨道交通新建线路、市政管线等其它工程穿越既有城市轨道交通线路时，既有城市轨道交通线路位移场及应力场的变化规律，为新建城市轨道交通线路的设计、施工和既有线路的安全保护提供参考。

1 穿越施工有限元模型

苏州轨道交通的建设相对较晚，相应的研究较少。文献[1]以苏州轨道交通2号线为背景，研究了盾构近邻平行隧道对地层变形的影响。文献[2]以苏州轨道交通1号线为背景，模拟了盾构隧道施工过程，得到了地表沉降槽曲线。文献[3]结合苏州轨道交通1号线临顿路站—仓街站区间盾构工程实例研究盾构隧道管片壁后注浆材料、注浆参数、二次补浆、各项掘进参数对地表隆起和沉降变形的影响。随着后续线路的建设不可避免地将要遇到新建线路、市政管网穿越城市轨道交通既有线路的难题。因此，结合苏州地区的地质特点开展近距离穿越城市轨道交通既有线路工程研究显得尤为迫切。苏州轨道交通1号线位于苏州城区的东西轴向，线路全长约25.74km，平均埋深约15m。全线均为地下车站。2号线为南北向，线路全长26.6km，高架线路约7km，其余均为地下线。2号线盾构区间隧道结构采用装配式C50钢筋混凝土管片衬砌，盾构管片外径6.2m、内径5.5m、厚0.35m、环宽1.2m；每环管片由1块封顶块、2块邻接块和3块标准块组成，采用错缝式拼装。

根据苏州轨道交通的实际情况，建立新建隧道、市政管线上跨和下穿既有轨道交通线路的有限元计算模型。计算新建隧道（或市政管线）以不同外径、不同竖向净距穿越施工对既有隧道的影响。计算模型土层依据苏州地区的某开发地块项目的地层，共11层，土体采用摩尔-库伦模型。具体参数。隧道管片采用线弹性模拟，弹性模量为35.5GPa，泊松比为0.16。土体和管片均采用8节点四面体实体单元模拟。考虑到市政交通隧道上跨往往不能满足上覆土的厚度要求，上跨的市政管线更容易满足此项要求，因此上跨计算选择外径D=1m、3m、5m、6.2m四种，下穿仅计算D=6.2m。

盾构隧道施工地层损失率一般在0.2%～2%，故计算中假定地层损失率为1%，不考虑地下水的影响。

2 上跨施工对既有隧道结构的影响

2.1 新建隧道或管线的外径对既有隧道的影响

新建隧道和市政管线跨穿施工时，既有隧道沿纵向隆起形成“反沉降槽”；既有隧道被跨处隆起量最大，向两端隆起量逐渐减小。随着新建工程外径的增大，既有隧道最大隆起量不断增大，但均在10mm以内；外径6.2m时既有隧道最大隆起量为8.8mm，是外径1m时既有隧道最大隆起量（0.5mm）的17.6倍。既有隧道的隆起量随着新建隧道、市政管线的直径增加而明显增大。

既有隧道与新建隧道（管线）空间交叉处，既有隧道顶部拉应力明显集中。既有隧道最大拉应力值随着新建隧道或管线外径的减小而减小，并且应力集中的范围也随着外径的减小而减小。

2.2 竖向净距对既有隧道的影响

新建隧道和不同外径的市政管线上跨施工时，随着竖向净距的增加，既有隧道竖向位移均呈减小的趋势，但减小速率较慢，尤其是新建市政管线外径较小时，减小速率更加缓慢。净距对既有隧道隆起的影响较外径的影响小。

新建隧道和市政管线以不同竖向净距上跨施工时，既有隧道最大主应力变化曲线。既有隧道管片混凝土强度为C50，抗拉强度设计值为2.07MPa，施工中既有隧道最大拉应力不宜超过混凝土抗拉强度设计值。上跨施工时既有隧道最大拉应力随着竖向净距的增大而减小。

3 下穿施工对既有隧道结构的影响

由于市政管线下穿城市轨道交通既有隧道的情况极少，仅就新建隧道下穿城市轨道交通既有隧道进行分析。新建隧道下穿施工时，既有隧道沿纵向沉降且形成“沉降槽”；既有隧道在被下穿处的沉降量最大，到两端沉降量不断减小。随新建隧道与既有隧道竖向净距的增加，既有隧道沉降量减小。经模拟分析，既有隧道沉降量均在10mm以内。在既有隧道与新建隧道空间交叉处，既有隧道顶部拉应力集中，最大拉应力随竖向净距的增加而减小，但应力集中的范围稍有增大。

下穿施工时既有隧道最大拉应力随竖向净距的变化曲线。新建隧道下穿施工的4种工况中，净距为1m和2.5m的工况下既有隧道最大拉应力超过了混凝土抗拉强度设计值；当净距>3m时，既有隧道最大拉应力均小于抗拉强度设计值。因此，在文章假定的既有隧道埋深15m，地层损失率为1%的情况下，应限制新建隧道在净距3m以内的下穿施工，净距3m以上的下穿工程，应注意采取措施，严格控制地层损失率，以保证既有隧道的结构安全。

4 数值计算与工程实测对比

数值计算上跨施工的案例，既有隧道发生隆起，与实测规律一致；数值计算隆起量值均在10mm以内，实测隧道隆起量一般在5mm以内，两者数量级一致。这说明数值计算结果可靠，而实际施工中对地层损失率的控制更加严格。

由实测值可见，下穿施工时既有隧道竖向位移最大值并不统一，有沉降也有隆起，但均控制在±10mm内。数值模拟结果沉降控制在10mm以内，与实测值接近，说明数值计算结果可靠。

5 结语

文章结合苏州地区的地质和城市轨道交通的特点，采用数值模拟方法研究上跨、下穿工程施工对既有地铁隧道结构稳定性的影响，新建隧道和市政管线上跨施工时，既有地铁隧道竖向产生隆起，且沿纵向形成“反沉降槽”。新建隧道下穿施工时，既有地铁隧道竖向产生沉降，且沿纵向形成“沉降槽”。随竖向净距的增加，既有地铁隧道的沉降量减小。与新建隧道空间交叉处，既有地铁隧道顶部拉应力集中，最大拉应力和应力集中范围随竖向净距的增加而减小。上跨下穿既有隧道施工，由于地层损失引起既有隧道周边位移场、应力场的重分布，从而对结构产生较大的安全影响。在工程施工中，应结合工程实际情况具体分析，并采取必要的保护措施，精心施工、加强管理尤其重要。

参考文献

[1] 苏曼.盾构近邻平行隧道对地层变形的影响研究[J].山西建筑， 2012，38（28）：198.

[2] 江帆，胡群芳，黄宏伟.盾构隧道施工Plaxis2D数值模拟分析[J].现代隧道技术，2010（增刊）：366.

[3] 王辉.苏州地铁盾构工程地面隆沉控制分析[J].铁道建筑技术， 2010（08）：53.

[4] 魏刚.盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究[J].岩土工程学报，2010，32（09）：1354.endprint