摘要：随着我国城市化的快速发展，轨道交通建设和周边基坑工程大量涌现且规模不断加大。由于建设时序的原因，必然会存在后续基坑开挖对临近既有轨道交通隧道造成影响的问题，基坑开挖对临近或下卧地铁隧道的影响是一个十分复杂的动态过程，针对这方面的研究也越来越引起国内外学者的重视。本文以在建的市政隧道上跨轨道交通已运营区间隧道为例，对安全保护关键技术进行了研究并实际应用于本工程中，取得了良好的效果，这对于后续市政建设和地铁建设中类似的工程有着重要的理论指导意义和实际使用价值。
关键词：市政隧道；上跨；轨道交通隧道；板凳法；研究与应用
1 引 言
目前全国各地都在大规模的建设轨道交通工作，轨道交通主要线路还是在地下，各地的地质情况各有特点，针对长沙本地的特殊地质条件下且该隧道底板最近处距离已运营隧道仅2米的距离，风险很高，相对全国其他城市此安全距离偏小。本文对从保护设计层面针对该复杂地质条件下的轨道交通安全保护设计做了土层加固及开挖时序的建模分析，通过建模分析总结出土层加固结合板凳法保护设计方案能有效保护已运营轨道交通隧道，对后续线路的安全保护工作提供依据支持。
2 工程概况
湘府路（湘江大道～浏阳河西岸）快速化改造工程在书香路西侧～刘家冲北路东侧段采用隧道方式敷设，隧道全长约2150m，双向六车道，隧道宽约29.2m，采用明挖顺筑法施工，主体结构暗埋段为双孔矩形现浇混凝土结构（单孔三车道），敞开段为U型结构。湘府路隧道在1号线节点处覆土0.5m。隧道结构底板主要位于<4-14>卵石土层。围护结构采用600mm厚地下连续墙，明挖顺作施工，局部半逆作盖挖法施工。
图1 市政隧道与轨道交通隧道纵断面关系图
地铁1号线已于2016年6月28日投入运营，湘府路隧道基坑若直接开挖将会引起1号线友谊路站~省政府站区间此段盾构隧道的上浮以及管片的附加应力，影响运营安全。因此在湘府路隧道开挖前需对1号线友省区间此段隧道进行加固处理，以确保1号线地铁运营的安全。
3运营区间保护设计
3.1 风险分析
湘府路隧道采用明挖顺筑工法施工，会减少现有 1号线隧道拱顶覆土，从而引起隧道上下应力不平衡，使得1号线隧道回弹。因此，首先应对既有1号线隧道拱顶上方及侧壁的土体进行预加固，适当补偿开挖掉的地层自重应力，提高了隧道上方土体的弹模，减少回弹变形。同时，在1号线隧道两侧施做三排抗拔桩，在湘府路隧道开挖时，采用跳槽分段开挖，将同一排抗拔桩采用板连成整体，形成板凳桩，板凳桩的刚度较大，从而可以抵抗开挖土体产生的回弹。考虑到本段地质条件较差，圆砾与砂卵石层较厚，透水性强，地层自稳能力差，加固效果直接影响地铁1号线运营隧道安全，能否有效加固地铁1号线与湘府路快速化改造隧道之间地层为本工程成败关键。参考国内类似工程案例，本工程存在重大风险如下：
1．明挖隧道底至盾构隧道净距极小，最小处仅2m，平均2.5m，参考国内成功案例，隧道间净距均未3~5m，因此开挖引起地铁隧道回弹、渗漏、开裂风险巨大。
2．本工程处地层主要为圆砾、卵石层，且地下水位较高，地下水渗透性强，且地下水具有流动性，参考国内成功案例，两隧道间地层主要为强、中风化岩层，本工程地质条件非常恶劣，地层改良加固为本项目重中之重。
3．地铁友省区间隧道为盾构法隧道，采用300mm厚管片，M27螺栓拼装而成，自身结构抗扰动能力较差，一旦地层回弹或者失水容易造成地铁隧道开裂、变形甚至破坏。
基坑开挖引起的下卧地铁隧道的隆起变形主要受到以下因素影响：
1．与基坑本身的土体开挖卸荷有关。基坑开挖深度、面积、基坑与隧道的位置关系、土的变形特性等因素直接影响到隧道隆起量的大小。
2．与基坑支护结构以及附加措施、地基加固作用有关。地基加固能控制周边土体位移，减小隧道变形。
3．与地基加固等施工因素有关。加固施工本身也可造成地层和隧道的不可忽视的额外变形。
4．与降水有关。
但考虑到为保护地铁隧道，其周边会进行大范围地基加固，隧道周边的深层降水也会加以控制而使得隧道周边降水对隧道的变形影响有限，因此本文对降水引起的隧道变形的影响不进行研究。
3.2模拟分析
为有效控制基坑开挖引起的下卧地铁隧道的隆起变形，主要采取以下措施：
1.采用科学合理基坑开挖（卸荷）方案；
2.进行地基加固，提高隧道周边土体抗力，减小和控制隧道变形；
3.在盾构隧道上方采用“上盖”结构，减少上部湘府路隧道开挖引起的盾构隧道额外隆起变形。
本文通过有限元程序针对长沙湘府路隧道施工对既有地铁1号线友谊路站~省政府站区间的影响进行了以下两方面的研究，原隧道简化为连续体模型，计算中假设地铁隧道结构变形与该处的土体变形一致，整个模型尺寸为50m×90m，深度40m，隧道顶部距地面为9m，距开挖基坑底为2m。计算模型中，地层、抗拔桩、底板采用实体单元模拟，隧道采用壳单元模拟。
板凳法保护方案采用在1号线隧道两侧施做数排抗拔桩，在湘府路隧道开挖时，采用分段开挖，将同一排抗拔桩采用板连成整体，形成板凳桩，板凳桩的刚度较大，从而可抵抗开挖土体产生的回弹。
在湘府路隧道开挖影响段，沿既有1号线友省区间盾构隧道纵向进行土层预加固，纵向施做范围为湘府路隧道两侧各6m。加固体竖向范围为拱顶以上3m，两侧加固范围为两侧各3m。加固体距既有隧道保持2m（水平）及1m（竖向）的安全距离，避免加固时损伤现有管片结构。
图2剖面图1
图3剖面图2
湘府路隧道采用明挖顺筑工法施工，为减小施工过程对下方1号线隧道的影响，在1号线隧道两侧及中间各施做一排抗拔桩，并对既有1号线隧道拱顶上方及侧壁的土体进行预加固，竖向加固范围至1号线隧道顶部以上约4m。在湘府路隧道开挖时，采用分步分段开挖，第一步开挖至地面以下5m（即预加固区域顶部），第二步水平向分六段开挖至设计标高并施工湘府路隧道底板，将同一排抗拔桩采用板连成整体，形成板凳桩。主要施工过程如下：
1.施做抗拔桩；2.地面注浆加固；3.施做湘府路隧道围护结构，降水至基坑底以下1m；4.开挖湘府路隧道；5.施做湘府路隧道底板与抗拔桩形成“板凳”
图4隧道与抗拔桩及底板关系
表 1 隧道二维模型计算结果
表 2 隧道三维模型计算结果
图6开挖至设计标高时区间的竖向变形曲线
对竖向曲线拟合得到数学表达式：
y=-3.66e-12x6+1.02e-09x5-1.01e-07x4+4.18e-06x3-6.30e-05x2 + 4.35e-04x-4.77E-04
根据曲率半径的计算公式，即可求得左线和右线的最小曲率半径：
(0-1)
最小曲率半径发生在模型沿线路方向45.4m处，满足规范对曲率半径最小值15000的要求。
计算两个对比模型，将其结果汇总如下表格：
表3三维模型计算结果
图11 竖向位移计算结果
预加固至管片顶上4m（第二步分6片开挖）方案、预加固至管片顶上5m（第二步分6片开挖）方案施工过程中下部地铁隧道管片最大竖向位移分别为8.5mm、9.8mm，均能满足规范要求值，二者相差较小，但加固至管片顶上5m方案在第二步土体分步开挖时垂直面高3m，施工安全性较前者低。预加固至管片顶上4m方案，第二步土体分6片开挖与分10片开挖最大竖向位移9.8mm、9.2mm，二者差别较小，且分10片开挖，每片跨度3m<抗拔桩间距3.5m，中间必然存在部分开挖步底板无法与附近抗拔桩连接形成板凳桩的情况，且造成施工缝较多。因此综合比选建议采用预加固至管片顶上4m（第二步分6片开挖）方案。
4结论
本文详细介绍了板凳法保护方案以及本方案数值模拟计算过程中的基本假定、参数选取及建模过程。对采用板凳法保护方案后，湘府路隧道开挖对既有长沙地铁一号线区间隧道的影响进行了二维及三维数值模拟分析，通过计算分析得到了如下结论：
1．随着湘府路隧道的开挖，坑底发生回弹变形，基坑下部地铁一号线区间相应产生向上变形，二维数值分析结果显示地铁区间最终向上变形量17.5mm，三维数值分析结果显示地铁区间最终向上变形量9.8mm。
2．地铁上部基坑对称开挖，左右线区间水平变形量较小，二维及三维数值分析结果表明基坑开挖至设计标高后地铁区间水平变形量不大于2mm。
3．针对板凳法施工工序进行了方案优化比选，三种方案：预加固至管片顶上4m（第二步分6片开挖）方案、预加固至管片顶上5m（第二步分6片开挖）方案、预加固至管片顶上4m（第二步分10片开挖）方案计算结果均满足相应规范要求值。
4．综合加固效果及现场施工可行性，建议采用预加固至管片顶上4m（第二步分6片开挖）方案。
针对上跨结构的设计及施工有如下建议：
1.同时也有湘府路隧道上跨盾构隧道相关区域不得设置变形缝。
2.湘府路隧道施做时应尽量采用放坡开挖。若采用连续墙等形式的围护结构，围护结构在竖向与盾构隧道保持1m以上净距，水平向保持3m以上净距，并采取可靠措施以减少基坑施工对盾构隧道的影响。
3.分段开挖，分段封闭，减小基坑坑底的暴露时间。湘府路隧道的宽约29米，在开挖时严禁大锅底开挖，分段开挖，每段开挖完成后要及时施做底板，及时封闭。
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论文作者:刘星
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：隧道论文; 基坑论文; 管片论文; 地铁论文; 盾构论文; 板凳论文; 方案论文; 《基层建设》2018年第25期论文;