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芻議上跨下穿施工對城市軌道交通既有隧道的影響的建筑工程論文
摘 要：在城市軌道交通線網規劃、建設中，對新建線路、市政管線等其它工程穿越既有線路的問題不可避免地會遇到，可能會嚴重威脅既有城市軌道交通線結構。穿越盾構隧道施工并不是新課題，不少學者已對數值模擬及現場監測等方法進行了采用，并展開了研究。
關鍵詞：盾構法；上跨下穿；近接施工；有限元分析
文章從最小凈距和最大隆沉量方面對上海、廣州、深圳等地鐵隧道上跨下穿施工項目的監測數據進行了統計。文章以蘇州軌道交通1、2號線為工程背景，采用有限元方法，研究城市軌道交通新建線路、市政管線等其它工程穿越既有城市軌道交通線路時，既有城市軌道交通線路位移場及應力場的變化規律，為新建城市軌道交通線路的設計、施工和既有線路的安全保護提供參考。
1 穿越施工有限元模型
蘇州軌道交通的建設相對較晚，相應的研究較少。文獻[1]以蘇州軌道交通2號線為背景，研究了盾構近鄰平行隧道對地層變形的影響。文獻[2]以蘇州軌道交通1號線為背景，模擬了盾構隧道施工過程，得到了地表沉降槽曲線。文獻[3]結合蘇州軌道交通1號線臨頓路站—倉街站區間盾構工程實例研究盾構隧道管片壁后注漿材料、注漿參數、二次補漿、各項掘進參數對地表隆起和沉降變形的影響。隨著后續線路的建設不可避免地將要遇到新建線路、市政管網穿越城市軌道交通既有線路的難題。因此，結合蘇州地區的地質特點開展近距離穿越城市軌道交通既有線路工程研究顯得尤為迫切。蘇州軌道交通1號線位于蘇州城區的東西軸向，線路全長約25.74km，平均埋深約15m。全線均為地下車站。2號線為南北向，線路全長26.6km，高架線路約7km，其余均為地下線。2號線盾構區間隧道結構采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌，盾構管片外徑6.2m、內徑5.5m、厚0.35m、環寬1.2m；每環管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3塊標準塊組成，采用錯縫式拼裝。
根據蘇州軌道交通的實際情況，建立新建隧道、市政管線上跨和下穿既有軌道交通線路的有限元計算模型。計算新建隧道（或市政管線）以不同外徑、不同豎向凈距穿越施工對既有隧道的影響。計算模型土層依據蘇州地區的某開發地塊項目的地層，共11層，土體采用摩爾-庫倫模型。具體參數。隧道管片采用線彈性模擬，彈性模量為35.5GPa，泊松比為0.16。土體和管片均采用8節點四面體實體單元模擬。考慮到市政交通隧道上跨往往不能滿足上覆土的厚度要求，上跨的市政管線更容易滿足此項要求，因此上跨計算選擇外徑D=1m、3m、5m、6.2m四種，下穿僅計算D=6.2m。
盾構隧道施工地層損失率一般在0.2%～2%，故計算中假定地層損失率為1%，不考慮地下水的影響。
2 上跨施工對既有隧道結構的影響
2.1 新建隧道或管線的外徑對既有隧道的影響
新建隧道和市政管線跨穿施工時，既有隧道沿縱向隆起形成“反沉降槽”；既有隧道被跨處隆起量最大，向兩端隆起量逐漸減小。隨著新建工程外徑的增大，既有隧道最大隆起量不斷增大，但均在10mm以內；外徑6.2m時既有隧道最大隆起量為8.8mm，是外徑1m時既有隧道最大隆起量（0.5mm）的17.6倍。既有隧道的隆起量隨著新建隧道、市政管線的直徑增加而明顯增大。
既有隧道與新建隧道（管線）空間交叉處，既有隧道頂部拉應力明顯集中。既有隧道最大拉應力值隨著新建隧道或管線外徑的減小而減小，并且應力集中的范圍也隨著外徑的減小而減小。
2.2 豎向凈距對既有隧道的影響
新建隧道和不同外徑的市政管線上跨施工時，隨著豎向凈距的增加，既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢，但減小速率較慢，尤其是新建市政管線外徑較小時，減小速率更加緩慢。凈距對既有隧道隆起的影響較外徑的影響小。
新建隧道和市政管線以不同豎向凈距上跨施工時，既有隧道最大主應力變化曲線。既有隧道管片混凝土強度為C50，抗拉強度設計值為2.07MPa，施工中既有隧道最大拉應力不宜超過混凝土抗拉強度設計值。上跨施工時既有隧道最大拉應力隨著豎向凈距的增大而減小。
3 下穿施工對既有隧道結構的影響
由于市政管線下穿城市軌道交通既有隧道的情況極少，僅就新建隧道下穿城市軌道交通既有隧道進行分析。新建隧道下穿施工時，既有隧道沿縱向沉降且形成“沉降槽”；既有隧道在被下穿處的沉降量最大，到兩端沉降量不斷減小。隨新建隧道與既有隧道豎向凈距的增加，既有隧道沉降量減小。經模擬分析，既有隧道沉降量均在10mm以內。在既有隧道與新建隧道空間交叉處，既有隧道頂部拉應力集中，最大拉應力隨豎向凈距的增加而減小，但應力集中的范圍稍有增大。
下穿施工時既有隧道最大拉應力隨豎向凈距的變化曲線。新建隧道下穿施工的4種工況中，凈距為1m和2.5m的工況下既有隧道最大拉應力超過了混凝土抗拉強度設計值；當凈距>3m時，既有隧道最大拉應力均小于抗拉強度設計值。因此，在文章假定的既有隧道埋深15m，地層損失率為1%的情況下，應限制新建隧道在凈距3m以內的下穿施工，凈距3m以上的下穿工程，應注意采取措施，嚴格控制地層損失率，以保證既有隧道的結構安全。
4 數值計算與工程實測對比
數值計算上跨施工的案例，既有隧道發生隆起，與實測規律一致；數值計算隆起量值均在10mm以內，實測隧道隆起量一般在5mm以內，兩者數量級一致。這說明數值計算結果可靠，而實際施工中對地層損失率的控制更加嚴格。
由實測值可見，下穿施工時既有隧道豎向位移最大值并不統一，有沉降也有隆起，但均控制在±10mm內。數值模擬結果沉降控制在10mm以內，與實測值接近，說明數值計算結果可靠。
5 結語
文章結合蘇州地區的地質和城市軌道交通的特點，采用數值模擬方法研究上跨、下穿工程施工對既有地鐵隧道結構穩定性的影響，新建隧道和市政管線上跨施工時，既有地鐵隧道豎向產生隆起，且沿縱向形成“反沉降槽”。新建隧道下穿施工時，既有地鐵隧道豎向產生沉降，且沿縱向形成“沉降槽”。隨豎向凈距的增加，既有地鐵隧道的沉降量減小。與新建隧道空間交叉處，既有地鐵隧道頂部拉應力集中，最大拉應力和應力集中范圍隨豎向凈距的增加而減小。上跨下穿既有隧道施工，由于地層損失引起既有隧道周邊位移場、應力場的重分布，從而對結構產生較大的安全影響。在工程施工中，應結合工程實際情況具體分析，并采取必要的保護措施，精心施工、加強管理尤其重要。
參考文獻
[1] 蘇曼.盾構近鄰平行隧道對地層變形的影響研究[J].山西建筑， 2012，38（28）：198.
[2] 江帆，胡群芳，黃宏偉.盾構隧道施工Plaxis2D數值模擬分析[J].現代隧道技術，2010（增刊）：366.
[3] 王輝.蘇州地鐵盾構工程地面隆沉控制分析[J].鐵道建筑技術， 2010（08）：53.
[4] 魏剛.盾構隧道施工引起的土體損失率取值及分布研究[J].巖土工程學報，2010，32（09）：1354.
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