大斷面暗挖隧道下穿地鐵既有線結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析

陳 聰，胡曉龍，周興林

（廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510700）

1 引言

近年來，我國地鐵行業(yè)發(fā)展迅猛。在一線城市，由于地鐵建設(shè)規(guī)模龐大，一定范圍的城市地下空間原地鐵線網(wǎng)較密集，在新建地鐵期間往往存在區(qū)間隧道穿越既有運(yùn)營線隧道的情況。為減少新建地鐵隧道下穿對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，國內(nèi)外眾多學(xué)者基于工程實(shí)踐開展研究[1-9]，并積累大量的成功經(jīng)驗(yàn)。然而，由于地鐵區(qū)間隧道穿越地段地質(zhì)條件的復(fù)雜多樣性及既有隧道結(jié)構(gòu)本身使用功能上的特殊性，當(dāng)新建隧道下穿既有線時(shí)仍需要結(jié)合穿越地段的工程地質(zhì)條件以及既有隧道結(jié)構(gòu)的使用特征、服役狀況以及周圍工程環(huán)境而開展專門的研究[10-12]。本文結(jié)合廣州地鐵18號線番禺廣場ü南村萬博站區(qū)間下穿既有7號線的工程實(shí)例，對大斷面暗挖下穿運(yùn)營線路既有隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便為類似地層條件下大斷面暗挖下穿既有線施工和地層沉降控制提供借鑒。

2 工程概況

廣州地鐵18號線番禺廣場ü南村萬博區(qū)間（以下簡稱番ü南區(qū)間或區(qū)間”）暗挖段起訖里程YDK43+455.000～YDK43+763.100，長度308.1 m，其中左線下穿既有7號線盾構(gòu)區(qū)間，右線下穿7號線明挖段。18號線左線下穿段斷面高度13.7 m，跨度15.6 m，覆土厚度26.2 m，與7號線的垂直凈距為5.1 m。右線下穿段斷面高度11.6 m，跨度12 m，覆土厚度27.1 m，與7號線的垂直凈距為4.5 m，18號線與7號線位置關(guān)系見圖1、圖2。

圖118 號線與7號線平面位置關(guān)系圖

圖218 號線下穿7號線三維示意圖

番ü南區(qū)間礦山法隧道覆土主要地層有：人工填土層（1-1）、砂質(zhì)黏性土（5Z-2）、全風(fēng)化混合花崗巖（6Z）、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（7Z）。左線開挖面地層主要為強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖（7Z），開挖面下方局部存在微風(fēng)化混合花崗巖（9Z）。右線開挖面中上部主要為全風(fēng)化混合花崗巖（6Z），下部主要為中風(fēng)化混合花崗巖 （8Z）。

3 工程設(shè)計(jì)

18號線番ü南區(qū)間礦山法隧道根據(jù)限界要求及場地圍巖等級共分為A/B/C/D，4類形式，均為大斷面暗挖隧道，其中左線D斷面跨度15.6 m，高度13.75 m，面 積 184 m2，初 支 厚 度350 mm，二襯厚度700 mm，采用雙層φ159大管棚+雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，并輔以二重管無收縮雙液WSS注漿加固，斷面設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 左線暗挖D斷面設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

4 監(jiān)測方案

為準(zhǔn)確監(jiān)測18號線大斷面暗挖下穿期間既有運(yùn)營7號線隧道結(jié)構(gòu)的變形，本工程對暗挖施工影響范圍內(nèi)的7號線DK11+885～DK12+170里程隧道結(jié)構(gòu)三維變形進(jìn)行全站儀自動(dòng)化監(jiān)測，7號線左、右線采用雙站聯(lián)測，共布設(shè)27個(gè)監(jiān)測斷面，正下穿段為10～18斷面?？紤]到本工程地質(zhì)條件復(fù)雜、工程風(fēng)險(xiǎn)大，額外增設(shè)靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化沉降監(jiān)測，監(jiān)測布點(diǎn)見圖4。同時(shí)，為研究18號線暗挖施工對既有隧道橢圓度的影響，本工程采取隧道三維激光掃描監(jiān)測手段。

5 隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測分析

5.1 隧道沉降分析

圖47 號線隧道自動(dòng)化監(jiān)測布點(diǎn)圖（單位：m）

18號 線 暗 挖 下 穿 時(shí) 間 段 為2020年7月21日—2020年11月7日，圖5、圖6分別為7號線左線隧道10～14監(jiān)測斷面道床點(diǎn)累計(jì)沉降曲線及靜力水準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線圖。由圖可知，整個(gè)暗挖下穿期間各道床點(diǎn)均出現(xiàn)不同程度的下沉；下穿時(shí)段的曲線斜率最大，下沉速率顯著大于下穿前及二襯施工階段。主要原因?yàn)榇髷嗝姘低谑┕て陂g土方開挖卸荷對上部7號線擾動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致7號線隧道結(jié)構(gòu)顯著下沉。隨著土方開挖的結(jié)束，初支的逐步閉合，進(jìn)入二襯施工階段，釋放的圍巖應(yīng)力一部分由初支承擔(dān)，沉降速率減緩。故暗挖施工階段及時(shí)跟進(jìn)初支尤為重要，可有效減緩圍巖變形，進(jìn)而控制既有線隧道變形。

圖5 左線10~14斷面道床點(diǎn)累計(jì)沉降曲線

圖6 左線10~14斷面靜力水準(zhǔn)點(diǎn)累計(jì)沉降曲線

7號線左線13～15斷面道床點(diǎn)沉降速率曲線圖如圖7所示。2020年10月7日至10月21日期間，7號線左線下沉速率均超過1 mm/天，該時(shí)段在整個(gè)暗挖下穿期間7號線沉降速率最大。由于該時(shí)段7號線正下方左、右線隧道同步開挖活動(dòng)對7號線隧道下部土體擾動(dòng)最為嚴(yán)重，7號線隧道結(jié)構(gòu)沉降變形速率明顯增大；其中，左線進(jìn)行上導(dǎo)洞上臺階開挖，右線進(jìn)行左右導(dǎo)洞上臺階開挖。10月21日，18號線左線全部貫通初支閉合后，一個(gè)工作面開挖停止后，7號線受擾動(dòng)程度明顯減小，沉降速率也日趨減小。因此，下穿既有線施工過程中應(yīng)盡可能避免2條隧道同步開挖的情況，相鄰導(dǎo)洞或并行隧道應(yīng)嚴(yán)格控制施工步距，以減小開挖過程對上方土體的擾動(dòng)。

圖7 左線13~15斷面道床點(diǎn)沉降速率曲線

7號線右線8～22斷面道床點(diǎn)累計(jì)沉降曲線如圖8所示。18號線開挖卸荷導(dǎo)致7號線右線形成以15斷面為中心的沉降槽，由于15斷面位于18號線左、右線中心上方位置，受左右線開挖施工擾動(dòng)疊加效應(yīng)影響最為顯著。其中，Y15-1累計(jì)沉降值最大達(dá)到-87.39 mm。隨著監(jiān)測斷面逐漸遠(yuǎn)離15斷面，擾動(dòng)效應(yīng)逐漸減小，隧道結(jié)構(gòu)的沉降變形也逐漸減小。可見在隧道兩平行相鄰隧道的中心線位置上方既有建（構(gòu)）筑物、管線、地表的沉降應(yīng)作為施工控制及監(jiān)測關(guān)注的重點(diǎn)。

5.2 隧道橢圓度分析

在施工擾動(dòng)等偏壓荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的橢變，橢圓度過大時(shí)通常都會伴有管片掉塊、裂縫、滲漏水等現(xiàn)象。因此，地鐵隧道的橢圓度檢測對運(yùn)營維護(hù)具有重要意義[13-16]。本工程采用移動(dòng)式三維激光移動(dòng)小車對7號線施工影響段進(jìn)行掃描。受18號線開挖施工影響，7號線既有隧道結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的橢變。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，橢圓度值大于6的環(huán)數(shù)占比36.95%，其中最大橢圓度達(dá)到18.57‰，位于右線第1 160環(huán)位置，該位置對應(yīng)沉降槽中心位置15斷面；同時(shí)，該斷面Y15-1監(jiān)測點(diǎn)為全站儀自動(dòng)化監(jiān)測累計(jì)沉降最大點(diǎn)，橢圓度與沉降最大值位置一致。

圖87 號線右線8~22斷面道床點(diǎn)累計(jì)沉降曲線

由圖9的7號線右線1 160環(huán)沉降與橢圓度對比情況可知，10月17日至12月15日期間，隨著18號線暗挖施工的進(jìn)行，7號線既有隧道結(jié)構(gòu)沉降逐步增大，由-63.58 mm發(fā)展至-86.42 mm，增加了35.92%；在此期間，橢圓度亦隨之增加，由14.58逐步增加至18.57‰，增加了27.36%?？梢姲低谑┕_動(dòng)在導(dǎo)致既有線沉降的同時(shí)會加劇隧道的橢變，且沉降變形越大，橢變越嚴(yán)重。

圖97 號線右線1 160環(huán)沉降與橢圓度對比圖

根據(jù)如圖10所示的7號線右線第1 160環(huán)斷面變形位置及變形量情況，發(fā)現(xiàn)第1 160環(huán)橢變主要表現(xiàn)管片結(jié)構(gòu)豎向扁平，橫向突出，豎向直徑小于橫向直徑，呈橫鴨蛋形狀[15]，主要原因?yàn)?號線下方18號線暗挖隧道土體開挖引起隧道豎直方向的偏壓，管片結(jié)構(gòu)往中間擠壓導(dǎo)致橢變，嚴(yán)重的橢變有可能影響隧道的運(yùn)營限界。因此，在大斷面暗挖下穿既有線工程中，除應(yīng)關(guān)注隧道結(jié)構(gòu)沉降變形外，隧道橢圓度也應(yīng)是監(jiān)測的重點(diǎn)。

圖10 右線1 160環(huán)斷面變形量圖（單位：m）

6 結(jié)論

（1）大斷面暗挖下穿期間，既有線隧道結(jié)構(gòu)均會出現(xiàn)不同程度的沉降。下穿期沉降速率最大，隨著初支的逐步閉合，沉降速率減緩。故暗挖施工及時(shí)跟進(jìn)初支尤為重要，可有效減緩圍巖變形，從而減小對既有線的擾動(dòng)。

（2）整個(gè)下穿期間，左右隧道同步開挖對既有線隧道下部土體擾動(dòng)最為嚴(yán)重，沉降速率最大。因此，暗挖過程中相鄰導(dǎo)洞或并行隧道應(yīng)嚴(yán)格控制施工步距，以減小對上方土體的開挖擾動(dòng)，施工過程應(yīng)盡可能避免既有線下2條隧道的同步開挖。

（3）暗挖下穿段，開挖卸荷導(dǎo)致既有線左、右線均形成以15斷面為中心的沉降槽，受左、右線開挖施工擾動(dòng)疊加效應(yīng)影響最為顯著。因此，施工控制及監(jiān)測應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注在隧道兩平行相鄰隧道的中心線位置上方既有建（構(gòu)）筑物、管線、地表的沉降。

（4）暗挖施工擾動(dòng)會導(dǎo)致上方既有線隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的橢變，隧道沉降變形越大，橢變越嚴(yán)重，管片結(jié)構(gòu)橢變主要表現(xiàn)為豎向扁平、橫向突出，呈橫鴨蛋形狀。

7 展望

本工程暗挖下穿既有7號線過程中，既有線累計(jì)沉降值一直是各參建單位關(guān)注的重點(diǎn)，最終沉降值直接影響既有線運(yùn)營安全及后期隧道永久修復(fù)方案的制定。本次監(jiān)測僅對已產(chǎn)生的隧道變形進(jìn)行監(jiān)測，未對最終沉降值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)測。后期進(jìn)行類似重大風(fēng)險(xiǎn)工程時(shí)，可結(jié)合有限元分析軟件進(jìn)行物理場分析，通過與已有實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，反演出該工程項(xiàng)目巖土層參數(shù)，通過反演出的巖土體參數(shù)對計(jì)算模型進(jìn)行修正，從而實(shí)現(xiàn)對工程完工后最終沉降值相對精準(zhǔn)的預(yù)測。