中铁第六勘察设计院集团有限公司隧道设计分公司 天津 300131
摘要：近年来，针对地铁下穿工程中的相关研究较多，而对于地铁上穿工程中新建隧道开挖卸荷引起的既有隧道结构隆起的研究较少，仍处于经验探索阶段，对于既有隧道及周围土体的卸荷附加应力及隆起量的计算，主要是数值解，缺少可用的解析解。本文分析了新建地铁隧道上穿既有隧道引起的结构隆起变形。
关键词：新建地铁隧道；既有隧道；结构隆起变形；
目前，新建地铁隧道采用浅埋暗挖法穿越既有地铁隧道时，通常采用上穿或下穿的方式，与下穿相比，上穿具有施工安全风险低、工程造价低和不受承压水影响等优势。
一、实例分析
某地铁隧道上穿既有区间隧道工程中，研究既有地铁隧道结构的隆起变形，为上穿地铁隧道工程中控制既有隧道结构的隆起变形提供依据。竖向附加分布荷载zo(x)是由新建隧道开挖土体重量与安装管片重量之差所引起，其大小对既有隧道隆起挠曲变形有重要的影响。
图1 新建隧道上穿既有隧道示意图
二、新建地铁隧道上穿既有隧道引起的结构隆起变形
1.卸荷计算模型。首先做如下基本假定：土体为均质、弹性半空间体；不考虑上方隧道开挖的时间因素。对于新建单洞形式的地铁隧道上穿既有隧道工程，新建隧道的开挖作用可简化为作用向上的单矩形均布荷载，其大小为开挖掉的土体自重应力，定义为卸荷强度。对于新建双洞形式的地铁隧道上穿既有隧道工程，新建隧道的开挖作用可简化为作用向上的2个单矩形均布荷载，其大小为开挖掉的土体自重应力，其作用下引起的竖向卸荷附加应力可根据单矩形卸荷计算结果叠加得到。根据地铁隧道上穿工程中的实际卸荷参数，即可准确求得不同卸荷参数条件下土体内任一点的卸荷附加应力系数和卸荷附加应力。由于隧道接头的存在，致使其整体刚度要远远小于连续的混凝土管片筒体结构。假定隧道在横向为一均质圆环，在纵向以刚度等效的方法把接头和管片组成的盾构隧道等效为具有相同刚度和结果的均匀联系梁。新建隧道上穿施工对既有隧道作用本质为开挖卸载效应引起既有隧道纵向不均匀隆起变形。
2.结构隆起的影响因素。在卸荷宽度不变的情况下，随着卸荷长度的逐渐增大，既有隧道结构的隆起量也逐渐增大，卸荷长度由4m增加到20m(扩大5倍)，既有隧道结构的最大隆起量由3．3mm增加到15．9mm(扩大4.8倍)，基本呈线性关系；同时对既有隧道结构纵向的影响范围也在加大，隆起曲线基本符合正态分布。由此说明，新建隧道卸荷长度对既有隧道结构的隆起变形影响显著。在卸荷长度不变的情况下，随着卸荷宽度的逐渐增加，既有隧道结构的隆起量不断增大，但增大的速率逐渐减小；当卸荷宽度大于：随着卸荷平面至既有隧道顶部距离的增大，既有隧道结构的最大隆起量逐渐减小，说明新建隧道的施工对既有隧道的影响逐渐减弱。理论上讲，当新旧隧道结构物之间的距离大到一定程度时，即可忽略其对既有隧道的影响，但在实际地铁上穿工程中，受客观条件的限制，新旧隧道结构物之间的距离往往很小，例如，本工程仅为0.5m。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此，新旧结构之间的影响不可避免，必须采取相应的工程措施以保证既有隧道结构的隆起量不超过其控制标准。随着双矩形卸荷间距，的逐渐增大，既有隧道结构的纵向隆起曲线表现出不同的形态；表现为单峰形态，基本符合正态分布曲线，既有隧道结构的隆起叠加效应逐渐减小，表现为新建隧道开挖卸荷引起的既有隧道结构的最大隆起量逐渐减小。由此说明，新建隧道左右洞问的距离对既有隧道结构的隆起变形影响较大。因此，在实际的地铁上穿工程中，应尽量加大新建隧道左右洞间的距离，消除或减小其相互叠加效应，从而消除或减小对既有隧道结构隆起变形的影响。在净距相同的情况下，不同土仓压力以及注浆量会对新建隧道管片产生不同的竖向变形增量。
3.对于新建隧道上穿既有隧道的工况，在叠交区域内的既有隧道顶部衬砌会产生向上的竖向变形，且变形的大小在新建隧道正下方呈现抛物线分布。既有隧道的变形大小随着隧道净距、土仓压力以及注浆量的变化而变化。对于既有隧道衬砌上部的竖向变形，影响最大的因素是与新建隧道之间的净距，其次是土仓压力、注浆量。在隧道叠交的工况下，为减小既有隧道因新建隧道扰动而发生的变形，最关键的是在设计时对新建隧道的土层选择进行合理的确定，以使得隧道之间的相互影响减小。提高地基基床系数可以明显减小既有隧道结构的隆起量。因此，可对既有隧道周围一定范围内的土体采取注浆加固措施，改善该区域土体的物理力学参数，从而提高地基基床系数。
4.地基土加固。分部、分条均匀开挖避免偏载。基坑开挖过程中周围土体与其有密切的空间作用，为了减小回弹量，必须慎重考虑卸荷面积的大小，采用合理的开挖面积和开挖形状，顶部的开挖应该均匀分层，避免偏载。基坑开挖及地铁上方的南门隧道节段整体施工工期应尽可能的缩短，同时基坑两次检测之间，每次开挖的深度应尽量减小，以便于施工预警和采取补偿措施。每个分块基坑开挖每层的开挖深度定为2m，每层开挖完成后必须对地铁的隆起量进行监控，观察地铁隆起量的变化，每个分块基坑开挖至设计标高时的地铁的隆起量尤其要重视，并必须加强与地铁运营管理部门的沟通，及时将监控结果报告地铁管理部门，根据监控的结果严格控制施工的进程。本次设计将每分块基坑开挖分层数定为4层，每层深度约2m。对原状土不进行处理，但是采用随挖随填施工后，各阶段的基坑隆起值均有一定的减少，但基坑沉降值变大，且变形量均超出坑底变形限值。地铁管片最大隆起值及沉降值有一定的减少，变形值仍超出管片隆起变形限值。采用旋喷桩加固周边土层之后，基坑坑底变形值及地铁管片变形值均大幅降低，且均小于变形限值。采用抗拔桩加固后，基坑及管片隆起值均有减少。
随着卸荷载宽度不断增加，既有隧道隆起量不断增加，因此，在新建隧道上穿工程施工过程中，应尽量加大新建隧道左右洞间的距离，消除或减小其相互叠加效应，从而消除或减小对既有隧道结构隆起变形的影响。研究新建隧道施工对既有下卧隧道结构安全性影响具有重要的现实意义。
参考文献
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论文作者:吴琼
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/10/1
标签：隧道论文; 结构论文; 地铁论文; 基坑论文; 管片论文; 工程论文; 应力论文; 《基层建设》2018年第23期论文;