暗挖圆形隧道下穿既有地铁区间设计施工

暗挖圆形隧道下穿既有地铁区间的设计与施工摘要：成都地铁4号线一期工程中医学院站~长顺街站区间隧道下穿既有地铁2号线段位于交通繁忙的蜀都大道主干道中央位置，新隧道在既有地铁盾构区间下方2.698m处通过，采用暗挖法施工。

本文针对下穿隧道施工力学进行了研究，分析了工程设计要点和施工技术控制要领，并介绍了施工应急预案的编制。

采用管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭的变形控制措施，同时加强监控量测，以保证下穿施工安全。

关键词：暗挖；圆形隧道；下穿；施工；监测1 工程概况成都地铁4号线一期工程中医学院站是成都地铁2、4号线同台同向换乘站。

2、4号线由中医学院站平行驶出后行驶在蜀都大道上，2号线双线处于道路中央，4号线在道路两侧前行150m后，向东北方向拐入西安南路，2号线仍沿蜀都大道前行。

因此4号线右线分别在里程ydk27+446.886、ydk27+480.586处下穿2号线的右、左线。

2、4号线轨面埋深分别约15m、24m。

区间大部分采用盾构法施工，为了降低工程风险，在2号线铺轨前，对 4号线右线下穿2号线的影响段采用暗挖法施工。

暗挖区间里程范围为ydk27+395.000～ydk27+505.000，共110m。

暗挖圆形隧道深埋18.64m左右。

隧道顶部距离既有盾构区间底仅有2.698m m（图1），其相互间的影响极大，施工难度高，是4号线区间设计施工中亟待解决的关键技术问题之一。

如何把对环境的影响减小到最低限度是地下结构在近距离施工中的核心问题。

越来越多的地下工程建设中先后遇到这些问题，国内外对近距离施工影响问题取得了很多研究成果[1~4]，但多数集中在盾构隧道的近距离施工问题上，而暗挖法下穿的施工难度和施工风险程度都相对更大。

并且既有区间是已经施工完成的地铁2号线的区间隧道，为一级风险源，设计施工必须遵循“管超前，严注浆，短进尺，强支护，早封闭，勤量测”的原则，采取有力施工措施，确保下穿安全。

图1隧道下穿既有地铁盾构区间平面图2 工程与水文地质根据钻探揭露，该隧道按岩土层层序，从上至下依次为：素填土、粉质粘土、稍密卵石土、中密卵石土、中密卵石土、密实卵石层等。

本隧道主要通过的围岩岩土层为中密卵石土和密实卵石层，局部夹杂着粉、细砂层。

本隧道地下水主要有两种类型：一是卵石层中的孔隙潜水，二是基岩裂隙水。

该隧道基本位于卵石土层中，受地下孔隙潜水影响较大。

结合成都地区的降水经验，本隧道卵石土综合含水层取渗透系数k=20m/d，为强透水层。

3 工程特点与难点针对工程具体情况分析，本工程存在如下特点和难点：（1）隧道跨度大，且为圆形暗挖隧道，地面条件复杂，距离地铁2号线的盾构区间外底仅有2.698m，施工难度大；（2）既有盾构区间是地铁2号线的一部分。

盾构区间外径为6m，管片厚度为300mm。

施工时必须保证既有地铁区间的结构安全和正常使用；（3）地质条件差，隧道主体主要位于中密卵石层和密实卵石层中，其分选性差，含砂砾，自稳能力差，受扰动后易松散塌落，引起的变形沉降大；4 结构设计结合成都地铁4号线一期工程的技术要求，新建圆形暗挖隧道下穿既有地铁2号线盾构区间的断面为圆形断面，断面外径7.8m，内径6m。

隧道与既有盾构区间斜交，角度为18°，隧道顶部距离既有盾构区间底部为2.698m。

隧道结构断面如图2。

结构设计考虑地质条件、埋设深度、荷载、结构形式、施工工序等因素，按照信息化进行结构设计，工程类比法确定结构参数，并进行施工阶段和使用阶段的计算分析。

隧道下穿既有盾构区间的超前支护采用φ108管棚和φ42小导管超前支护，拱、墙采用φ32自钻式锚杆系统，采用“crd工法”施工。

图2 下穿既有盾构区间横断面图4.1 初期支护结构计算为了模拟施工过程，了解隧道施工顺序对围岩稳定和支护结构力学状态的影响，对隧道结构的开挖过程和初期支护进行有限元模拟分析检算是必要的。

计算采用midas-gts有限元分析软件，其基本原理、算法与离散元法相似，它运用节点位移连续条件，可对连续介质进行大变形分析，基于显式差分法求解运动方程和动力方程，由于采用混合离散技术，从而使模拟塑性破坏与塑性流动更精确。

计算模型取地面以下60m，宽度80m范围内进行计算，侧面边界分别受到x轴方向位移约束，模型的地层下部边界受到y轴方向的位移约束。

计算时路面荷载按20kpa均布荷载考虑。

整个计算模型采用平面应变建模，进行了施工阶段的模拟。

其模型见图3。

图3暗挖圆形隧道模型图从计算结果可知，x向最大正位移出现在工况2中壁处，为-13.6mm；y方向最大负位移出现在工况1洞室的拱顶处，为-7.5mm。

4.2 二次衬砌结构检算采用midas-gts有限元分析软件对矿山法隧道二衬建立荷载-结构模型平面杆系有限单元法。

假定衬砌为小变形弹性梁，并离散为足够多个等厚度直杆梁单元；用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与支护结构的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。

假定初期支护与二次衬砌只传递径向压力。

按最不利情况考虑，二次衬砌承担全部围岩压力荷载计算。

计算采用极限状态法，进行承载力计算和裂缝宽度验算。

图4为隧道二次衬砌标准组合内力图。

计算结果表明结构配筋由裂缝验算控制，二衬每立方米含钢量约为162kg。

图4二次衬砌标准组合内力图5 工程施工5.1 施工方法暗挖施工遵循“管超前，严注浆；短进尺，强支护；早封闭，勤量测”的原则考虑施工措施。

为了保证既有区间的结构安全和正常使用，隧道下穿既有区间采用φ108管棚和φ42小导管超前支护，“crd工法”施工。

5.2 变形控制措施在下穿既有盾构区间的设计施工中，保证既有盾构区间结构的安全和正常使用是核心目标。

设计施工措施主要有：采用φ108管棚进行超前支护，控制土体变形，防止土体坍塌；采用远程自动化监测技术，24小时监控既有通道的变化；增大初支刚度，且初支与管棚刚性接触，并在管棚两端施做二次衬砌结构，为大管棚提供刚性支座，消除土体的压缩变形；管棚与既有盾构区间之间采用跟踪补偿技术注无收缩速凝高强浆液，控制地层变形；全断面超前注浆，改善土体物理力学指标；开挖前填充大管棚钢管，增加管棚刚度；缩小开挖断面，分步开挖，减小开挖跨度，控制开挖沉降；对每一步初支地基础注浆改良，增强土体的承载能力；初支背后回填注浆紧跟开挖面，防止土体进一步扰动变形；作好每一组衬砌背后回填压浆。

值得强调的是，施工中采用的跟踪注浆、全断面预注浆、回填注浆等多项地层加固措施,有效控制了上部结构的沉降，三种注浆方式的综合采用，保证下穿既有盾构区间的顺利施工。

5.3 变形监测施工变形监测包括新建隧道的监测和既有区间的监测，新建隧道的施工必然会引起盾构区间结构的变位，为保证既有区间结构的安全和正常使用，在施工期间，必须加强对既有区间进行监控量测。

既有区间的监测项目和频率见表1。

监测控制标准见表2。

表1 既有盾构区间监控量测表序号监测项目监测仪器监测频率监测目的1 既有区间结构隆陷变形静力水准系统1次/2小时掌握施工期间既有结构隆陷变形情况2 既有区间变形缝差异沉降静力水准系统1次/2小时掌握施工期间既有区间结构缝差异沉降变形情况3 既有区间变形缝开合度测缝计1次/2小时掌握施工期间既有区间结构缝水平变形情况表2 既有盾构区间底部监测控制标准表变形值类别预警值报警值极限值最大沉降（mm） 21 24 30沉降速率（mm/d） 3.5 4 5最大差异沉降（mm）7 8 106 施工应急预案过既有盾构区间施工的安全风险管理按照一级风险源进行控制管理和进行风险评价。

施工应急预案主要包括以下几个方面：6.1既有盾构区间沉降速率超限（1）立即停止开挖施工，封闭所有施工掌子面，加强结构监控量测工作；（2）组织专家讨论分析造成既有盾构区间结构沉降速率超限的原因和相应的控制措施；（3）根据确定的控制措施重新制定或调整施工工艺和施工组织，进行施工交底，严格落实各项措施，进行开挖施工；（4）若既有结构沉降速率超限未得到有效控制，再次重复上述过程直到完全解决既有结构沉降速率超限问题。

6.2施工掌子面突发性塌方（1）立即使用抢险物资对塌方处进行封闭回填和加固处理，同时把有关信息上报相关各个单位和部门，各单位联合采取必要的抢险措施，加强对既有结构和轨道的检查和量测工作；（2）组织专家讨论分析造成掌子面突发性塌方的原因和相应的控制措施；（3）根据确定的控制措施重新制定或调整施工工艺和施工组织，进行施工交底，严格落实各项措施，进行开挖施工。

7 结语为了确保成都地铁4号线暗挖区间的施工的顺利进行和既有地铁2号线盾构区间的正常使用，将施工期间对既有结构物的影响减低到最小限度，本文针对区间隧道下穿既有盾构区间的近接施工力学行为进行了研究，分析了工程设计要点和施工技术控制要领，并介绍了施工应急预案的编制，可为今后类似工程提供参考。

参考文献(references)：[1] 邵华，张子新. 盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析[j]. 岩土力学，2004，25（增刊2）：545–546.[2] 胡群芳，黄宏伟.盾构下穿越已运营隧道施工监测与技术分析[j]. 岩土工程学报，2006，01：042–047.[3] 姚海波，王梦恕，张顶立等. 热力隧道下穿地面建筑物的安全评价与对策[j]. 岩土力学，2006，01：112-116.[4] 李罩平，黄庆华，马天文. 下穿大型铁路站场的地铁车站施工对线路变形影响的监测分析[j]. 岩石力学与工程学报，2005，11(增2)：5569–5575.注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。