姚李　張俊儒　徐劍　王智勇　嚴(yán)從文

【摘 要】文章介紹鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程中連接通道近距離跨越鄭州地鐵，為防止既有隧道的變形過大，確保地鐵的安全運(yùn)營，利用有限元數(shù)值計(jì)算的方法，分析不同變形控制措施下箱涵頂進(jìn)對下方地鐵隧道的變形影響，提出抗拔樁—管幕門式結(jié)構(gòu)加固控制技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對抗拔樁-管幕門式結(jié)構(gòu)加固效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用抗拔樁—管幕門式結(jié)構(gòu)體系加固后的箱涵頂進(jìn)工法優(yōu)于僅施做管幕及直接頂進(jìn)，能有效控制下臥既有隧道的隆起變形，加固作用明顯。形成適用于軟土地層近接既有運(yùn)營地鐵區(qū)間的管幕—箱涵結(jié)構(gòu)體系的控制技術(shù)，指導(dǎo)本項(xiàng)目施工，并為今后類似工程的修建提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】地下工程; 近接施工; 變形控制; 箱涵頂進(jìn); 抗拔樁-管幕

【中圖分類號】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

近年來城市地下空間的綜合利用成為發(fā)展趨勢，多種修筑物整合為一體，新建的地下空間綜合利用工程往往與既有地鐵一體化形成交通樞紐，這使得新建工程的修建環(huán)境更為復(fù)雜，常鄰近既有地鐵，因此在設(shè)計(jì)與施工環(huán)節(jié)，不僅要考慮新建結(jié)構(gòu)的安全，更要保證既有地鐵的正常運(yùn)營。當(dāng)?shù)罔F隧道埋深較淺時(shí)，上覆壓力的變化會對下方隧道所在地層造成明顯擾動，故而在施工過程中上覆壓力的變化是新建結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮的內(nèi)容。箱涵頂進(jìn)常用于地下通道的修建中，頂進(jìn)過程中，頂進(jìn)方向與高程的精準(zhǔn)控制，頂推力與速度的恰當(dāng)調(diào)整是保證施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

管幕-箱涵法是管幕頂進(jìn)和箱涵頂進(jìn)兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。管幕法作為一種輔助工法，在軟土地層的淺埋工程中已得到應(yīng)用[1-4]，這些工程都對地表或周圍建筑物的變形控制要求嚴(yán)格。2004年，上海市中環(huán)線北虹路隧道工程是國內(nèi)首次采用管幕法箱涵推進(jìn)工法施工的。針對該工程，李向陽等[5]通過有限元模擬土體開挖研究了管幕內(nèi)土體變形及土壓力分布。2006年，李名淦等[6]針對首都機(jī)場行道下穿越工程，研究了設(shè)置管幕后進(jìn)行箱涵頂進(jìn)時(shí)，管幕的變形和地表沉降的規(guī)律。2007年，萬敏等[7]通過實(shí)測和計(jì)算分析，研究了管幕-箱涵頂進(jìn)施工中迎面土壓力的規(guī)律。2009年，羅仁安等[8]建立了考慮超欠挖情況的有限元模型，實(shí)現(xiàn)箱涵頂進(jìn)過程及地表變形模擬。2017年，王滕等[9]以北大溝污水管線防護(hù)涵工程為依托，研究了管幕-箱涵下穿運(yùn)營鐵路線地層變形規(guī)律和控制技術(shù)。2019年，張俊儒等[10]按照彈性地基梁和普通梁兩種模型進(jìn)行解析計(jì)算進(jìn)行了箱涵頂進(jìn)時(shí)下方管幕的受力和變形研究。

為解決既有地鐵隧道安全性問題，本文通過數(shù)值模擬，對近距離上跨隧道進(jìn)行箱涵頂進(jìn)計(jì)算分析，對比有無抗拔樁-管幕門式結(jié)構(gòu)體系施工時(shí)，下方地鐵隧道變形情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測情況，確定選用輔以抗拔樁與管幕形成門式結(jié)構(gòu)的管幕-箱涵法，對跨越既有隧道的通道工程施工有重要意義，可提高施工全過程的既有隧道穩(wěn)定性。

1 工程背景

鄭州綜合交通樞紐東部核心區(qū)地下空間綜合利用工程位于鄭東新區(qū)東南部[11]，七里河南路、商鼎路、圃田西路和博學(xué)路之間圍合區(qū)域。其中連接通道工程是重點(diǎn)工程，由6條人行通道組成，上跨鄭州地鐵1號線，1～4號連接通道跨越鄭州東站—博學(xué)路站區(qū)間，5～6號連接通道跨越博學(xué)路站—市體育中心站區(qū)間，均處于地鐵保護(hù)限界之內(nèi)。因地鐵兩側(cè)堆積棄土清理及基坑開挖施工導(dǎo)致地鐵隧道的上覆壓力卸載，地層和隧道隨著荷載的減少發(fā)生回彈變形，已使得地鐵區(qū)間產(chǎn)生管片變形和隧道整體上浮，1～6號連接通道范圍內(nèi)隧道上浮6～13.88 mm不等。如果不加以控制，會危及地鐵的行車安全，所以要求后續(xù)的施工盡量減少對下方既有地鐵的擾動。連接通道與地鐵隧道的位置關(guān)系如圖1所示，圖1中，數(shù)字1～6代表6條連接通道。箱涵與地鐵隧道位置如圖2所示。

施工中管幕及抗拔樁布置如圖3和圖4所示，采用Φ800@1 500 mm抗拔樁與Φ1 200@1 500 mm管幕。整個(gè)工程空間結(jié)構(gòu)體系繁雜，涉及抗拔樁、管幕以及箱涵的施工且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)之間的剛性連接，施工技術(shù)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)等級極高，目前國內(nèi)外無同類工程，沒有可供借鑒的修建經(jīng)驗(yàn)。

2 箱涵頂進(jìn)中地鐵隧道變形分析

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

采用MIDAS/GTS建立如圖5所示的模型，在進(jìn)行管幕-箱涵法施工時(shí)，關(guān)鍵因素在于如何控制箱涵頂進(jìn)對圍巖的擾動，減小圍巖的變形，以確保圍巖的穩(wěn)定性，因此針對管幕-箱涵結(jié)構(gòu)體系施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本次計(jì)算以1號通道為例進(jìn)行展開說明，考慮到結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸及邊界效應(yīng)的影響，模型采用長60 m×寬46 m×高50 m，地下水位在地表下方15 m處，具體如圖5所示。

計(jì)算假定：（1）隧道位移與土體位移相容。工程實(shí)踐及現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，在小變形的情況下，地鐵隧道位移和土層位移基本一致，滿足位移相容假設(shè)。

（2）各土層在模型范圍內(nèi)是均勻分布的，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)變形、受力均在彈性范圍內(nèi)。

（3）基坑開挖時(shí)間較短，施工步驟的模擬不考慮土體固結(jié)的影響。

本構(gòu)關(guān)系選擇修正的Mohr-Coulomb模型，其彈性模量可根據(jù)加載和卸載設(shè)置為不同值。但一般情況下卸載時(shí)，彈性模量設(shè)置為更大的值，以防止開挖時(shí)由于應(yīng)力釋放引起的過大隆起（膨脹的現(xiàn)象）。修正的Mohr-Coulomb模型可以模擬不受剪切破壞或壓縮屈服影響的雙硬化行為。由初始偏應(yīng)力引起的軸應(yīng)變和材料剛度的減小，雖然類似于雙曲線（非線性彈性）模型，但相對于彈性理論，更接近塑性理論，并且考慮巖土不同的膨脹角。各層土體及結(jié)構(gòu)體參數(shù)取值見表1、表2。

其中管幕結(jié)構(gòu)參數(shù)取值說明如下，根據(jù)鋼管混凝土的截面剛度計(jì)算公式EI=ESIS+ECIC，求得管幕的截面剛度EI=4.476×109 N·m2。為簡化計(jì)算，將管幕視作同種材料后，得到E′=EIIS+IC=43.97 GPa。同理重度也由混凝土和鋼管根據(jù)各自重度及體積等效計(jì)算。

現(xiàn)場進(jìn)行箱涵頂進(jìn)時(shí)，先挖除箱涵前進(jìn)方向土體，隨后立刻頂進(jìn)箱涵，可以做到大大減少開挖后未及時(shí)頂進(jìn)的暴露時(shí)間。本次數(shù)值模擬時(shí)，土體開挖與箱涵頂進(jìn)在同一個(gè)步驟內(nèi)完成，每次開挖進(jìn)尺為2 m，兩端箱涵同步對稱頂進(jìn)。

2.2 工況設(shè)置

工況一不設(shè)置抗拔樁和管幕，工況二僅設(shè)置管幕，工況三設(shè)置抗拔樁與管幕，如圖6～圖8所示。計(jì)算模型中圍巖使用實(shí)體單元，抗拔樁和管幕使用梁單元，管片和箱涵結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，支撐箱涵的立柱每隔4 m設(shè)置一根，用桁架單元模擬。

2.3 結(jié)果分析

為了表現(xiàn)管幕-箱涵法施工全過程施工完成后，既有隧道位移的變化。計(jì)算過程中管幕施作完成后引起的位移不再清零，以研究整個(gè)管幕-箱涵結(jié)構(gòu)體系施工全過程的影響，在既有隧道軸線方向布置4條計(jì)算結(jié)果監(jiān)測線，分別位于隧道的拱頂、左右邊墻、仰拱。

由于既有隧道左右線的計(jì)算結(jié)果呈對稱分布，為方便起見，本文以左線為例展示計(jì)算結(jié)果。由于各工況水平位移均小于1 mm，僅討論豎向位移。

由表3可知，施作抗拔樁和管幕結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)組隆起值為1.77 mm，不設(shè)抗拔樁和管幕的對照組1的隆起值為6.73 mm，是試驗(yàn)組的3.8倍，設(shè)置管幕的對照組2的隆起值為2.53 mm，是試驗(yàn)組的1.43倍。說明抗拔樁-管幕門式結(jié)構(gòu)能有效控制下臥既有隧道的隆起變形，抗浮與加固作用明顯。

3 管幕-箱涵頂進(jìn)變形控制技術(shù)

3.1 管幕-箱涵頂進(jìn)施工地鐵隧道變形

由于上浮監(jiān)測的初始值不考慮施工前的地鐵變形情況，即地鐵監(jiān)測的變形初始值為本項(xiàng)目即將開工時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)，因此現(xiàn)狀上浮值就是本項(xiàng)目的初始值。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，由地下空間項(xiàng)目施工引起的水平變形比較小，現(xiàn)狀盾構(gòu)管片的直徑變化基本是在本項(xiàng)目施工前已經(jīng)完成。豎向隧道上浮較大，最大區(qū)域集中在堆土卸載區(qū)域，考慮原堆土引起地鐵隧道下沉達(dá)31 mm，在卸載后隧道結(jié)構(gòu)必定有相應(yīng)的回彈過程，因此該區(qū)域變形較大。

在管幕-箱涵頂進(jìn)施工過程中，運(yùn)營的地鐵隧道變形為主要控制因素。臨近地鐵工程的地下工程建設(shè)應(yīng)使得地鐵運(yùn)營期間地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量不大于15 mm。通過調(diào)研和數(shù)值模擬以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，施工對地鐵隧道的變形影響主要分為2個(gè)部分：①抗拔樁與管幕施作階段;②箱涵頂進(jìn)階段。其中箱涵頂進(jìn)時(shí)引起的地鐵隧道變形比例更大。

管幕和抗拔樁施工引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的沉降的原因是加固了結(jié)構(gòu)周圍的土體的抗拔樁和管幕，其本身重度大于因施作管、樁而開挖的土體重度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)周圍土體自重變大，引起豎直方向的整體沉降。而水平方向基本無位移產(chǎn)生，這是因?yàn)榭拱螛逗凸苣坏氖┳鞫缄P(guān)于既有隧道對稱布置，致使施工引起的水平方向的位移左右相互抵消。

箱涵頂進(jìn)引起隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起是因?yàn)榭拱螛逗凸苣婚T式加固體系的存在，加固了結(jié)構(gòu)周圍土體，又因箱涵頂進(jìn)過程中置換出原狀土，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上方土體自重變小，既有隧道上方的卸載作用引起豎直方向的整體隆起。而水平方向的位移關(guān)于既有隧道對稱分布，且絕對值較小，是因?yàn)榭拱螛逗凸苣坏氖┳鞫缄P(guān)于既有隧道對稱布置，致使施工引起的水平方向的位移左右相互抵消。

3.2 變形控制技術(shù)

基于以上分析，抗拔樁-管幕門式結(jié)構(gòu)具有良好的抗浮和加固作用，施工中主要進(jìn)行以下工作[12]：

（1）施作抗拔樁。采用沉降量較小的摩擦鉆孔基礎(chǔ)形式施工，并于每個(gè)鉆孔中增設(shè)鋼護(hù)筒。由于塌孔會對土體造成較大擾動引起隧道變形，影響地鐵運(yùn)營，因此施工過程中成孔質(zhì)量是極其關(guān)鍵的，為確保施工質(zhì)量，本工程采用了使用全套管回轉(zhuǎn)鉆機(jī)的全套管跟進(jìn)成孔工藝施工抗拔樁。

（2）頂進(jìn)鋼管幕。管幕由15根鋼管連接而成，連接處示意圖如圖9所示。遇到抗拔樁則切除鋼護(hù)筒，管幕頂進(jìn)結(jié)束后，于管幕底部的抗拔樁投影位置開孔，將樁頭鋼筋通過套筒接長，使鋼筋有一定長度置于管幕內(nèi)，采用L型定型鋼板將管幕和樁護(hù)筒焊接，從而使得兩者剛性連接，如圖10所示。

3.3 工程變形控制效果

對施工進(jìn)行全過程監(jiān)測，依靠監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)指導(dǎo)施工，密切注意監(jiān)測值的變化情況，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)分析，采取措施處理。

（1）監(jiān)測范圍：根據(jù)本工程影響范圍，既有新博區(qū)間隧道縱向約550 m、既有博市區(qū)間縱向約220 m，總計(jì)約770 m長度范圍為主要監(jiān)測區(qū)域，每10 m左右設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，通道部位4.5 m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面。

（2）監(jiān)測項(xiàng)目、頻率與周期：對地鐵運(yùn)營線路的自動化監(jiān)測一般情況下2 h/次，當(dāng)施工影響較大或出現(xiàn)變形征兆時(shí)加密監(jiān)測頻率。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖11所示。

圖12～圖15給出了實(shí)際監(jiān)測到的1～6號通道下方既有隧道區(qū)間的最大位移變化時(shí)程曲線，橫坐標(biāo)為箱涵頂進(jìn)前后時(shí)間，縱坐標(biāo)為箱涵頂進(jìn)前后既有隧道變形量。

由圖可見，箱涵頂進(jìn)過程中1～6號通道下方隧道區(qū)間的水平與豎向位移的變化均很小，都在1mm左右，說明在抗拔樁-管幕門式加固結(jié)構(gòu)保護(hù)下，箱涵頂進(jìn)過程對下臥既有隧道的影響很小，頂進(jìn)過程的安全性較高，門式結(jié)構(gòu)的加固和抗浮效果突出。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了抗拔樁-管幕箱涵頂進(jìn)施工過程中鄰近下臥運(yùn)營地鐵的變形規(guī)律及控制技術(shù)研究，主要得到以下結(jié)論：

（1）通過對比幾種工法，管幕-抗拔樁門式結(jié)構(gòu)的加固及抗浮效果最好，此時(shí)的箱涵頂進(jìn)施工最為安全。

（2）管幕與抗拔樁施作后，地層和隧道發(fā)生整體沉降，既有隧道的最大沉降值為2.3 mm;箱涵頂進(jìn)后，地層和隧道發(fā)生整體隆起，既有隧道的最大隆起值為4.07 mm;兩次施工引起的位移疊加即可求得管幕-箱涵結(jié)構(gòu)體系施工引起的既有隧道豎向位移表現(xiàn)為隆起，最大值為1.77 mm，極大限度的減小了本工程施工對既有隧道的影響，保障了地鐵的安全運(yùn)營。

（3）由既有運(yùn)營地鐵隧道的監(jiān)測可知，各通道箱涵頂進(jìn)前，既有隧道左右線的水平收斂值已接近6～9 mm，整體沉降值已達(dá)到11～16 mm，而頂進(jìn)過程中兩變形值的變化均很小，變化幅度不超過1 mm，說明頂進(jìn)過程對下臥既有隧道的影響較小，頂進(jìn)過程的安全性較高。

（4）利用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行工法模擬時(shí)，未考慮管幕底部的注漿加固作用，實(shí)際施工時(shí)采用了注漿的方法加固了管幕底地層，進(jìn)一步減小下臥運(yùn)營地鐵的變形，增加安全性。

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[定稿日期]2021-02-03

[作者簡介]姚李（1996～），男，碩士，主要從事隧道及地下工程方面研究工作。