【摘 要】以北京地铁四号线盾构隧道与九号线暗挖隧道“小角度、近间距、长距离”空间立交施工为背景，采用数值模拟方法对三种施工顺序进行了计算，重点分析了其施工过程中地表沉降、土体塑性区分布、衬砌结构应力等指标。计算表明，先施工下方九号线暗挖隧道，再施工上方四号线盾构隧道，且在上方四号线的左线盾构机通过后再施作九号线二衬的施工方案是比较合理的。

【关键词】 盾构隧道；暗挖隧道；空间交叉；施工顺序

 

      随着城市轨道交通（地铁）网络的不断完善，将出现众多的新建隧道与既有隧道之间相互平行、相互重叠以及交叉穿越等等情况。以北京地铁为例，根据初步统计资料，穿越节点将会多达119处。新建地铁隧道的施工与既有地铁结构之间是相互影响的，既有地铁结构的存在影响到新建地铁的施工和安全；而新建地铁施工则又必然对已建地铁的结构安全产生重大的不利影响。因此，在施工中不仅要保证新建工程自身的施工安全，同时还要保证已建地铁工程的安全（如果既有线已经开始投入运营使用则还需要同时考虑列车运营过程的安全）。目前，关于平行隧道以及垂直交叉的下穿施工的施工力学机理的研究己较多，并取得了很多成果，在国内己经有不少成功的工程实例。但是，“小角度、近间距、长距离”空间立交隧道合理的施工顺序研究，还非常少见。

 

      北京地铁四号线动物园～白石桥区间隧道采用盾构法施工，区间左线盾构隧道在 K16+330～K16+400区段与地铁九号线区间暗挖法隧道以大约15^ｏ的小角度空间立体交叉，四号线盾构隧道在上，九号线暗挖法隧道在下。四号线从九号线上方以超近距离小角度斜穿，由于交叉穿越的角度较小，彼此间相互影响较显著的范围较大，大约为60m。空间立交地段范围内盾构隧道结构底部与九号线隧道初期支护拱顶在竖直方向上的最小间距为1.39m，其空间立交段范围内的隧道位置如图1所示。因此该段洞群段隧道施工难度较大。

      本段区间地层主要为：填土层、粉土层、粉质粘土层、砂土层以及圆砾卵石层，区间隧道基本是穿过砂土层和圆砾卵石层，结构上的覆土以填土、粉土、粉粘土、和砂土为主。

 

      该工程是北京乃至国内首例新建盾构隧道从既有暗挖隧道上方交叠穿越的结构型式，并且在空间上呈现出“小角度、近间距、长距离”空间立交的特点，实际施工中可能存在以下2种施工安排：

      1）先修建上方四号线盾构隧道，然后用暗挖法修建下方九号线隧道；

      2）先用暗挖法修建下方九号线隧道，然后修建上方四号线盾构隧道。

      对于第二种情况，由于九号线是采用暗挖法修建的，因此，就会出现以下 2种施工方案：

      方案一：九号线完成开挖初支并施作二衬后再进行四号线隧道的施工；

      方案二：在九号线完成开挖初支后，不急于施作二衬，而是先着手盾构隧道的掘进。待盾构隧道通过后，再进行九号线二衬的浇注。

      对于方案一，如果在下层九号线开挖支护结束后及时浇筑二衬形成完整的隧道结构，这样能使地面沉降得到更好的控制，也有利于隧道结构的稳定。但是由于上部盾构隧道和下面暗挖法隧道的距离只有1.39m，盾构的推力对周围地层的扰动很大，可能使下层隧道二衬结构变形、产生裂缝甚至结构破坏。因此，需要考虑的主要问题在于如何减弱或消除新建盾构隧道施工对既有暗挖隧道衬砌结构的不利影响，尽可能地避免既有隧道的衬砌结构出现裂纹乃至破损。

      对于方案二，如果在下方九号线既有暗挖隧道的初期支护施工完毕后，先暂不进行暗挖隧道二次衬砌的浇筑，而是先修建上方的四号线盾构隧道，然后再修建九号线暗挖隧道的二次衬砌。但是仅仅靠暗挖隧道的初支能否承担上方地层中通过盾构机所额外附带的施工动荷载等，是否会造成九号线初期支护结构的坍塌，都成为了问题。如果一旦既有隧道结构的变形超出允许范围，那么应该采用何种加强措施进行加固以减小初期支护的变形和改善其受力状况，使相互间的不利影响减小呢？

      由于该空间立体交叉段范围内新建盾构隧道与既有暗挖隧道之间的平面交角很小，隧道之间的净间距也非常小，因此无论采用何种施工方案，新建的盾构隧道必然会对既有暗挖隧道的结构产生不利影响。为了合理确定空间立交隧道的施工方案，需对该空间立交隧道在不同施工方案的修建过程中所引起的相互影响规律进行数值计算。

 

      基于上述考虑，模型较为复杂，使用 ANSYS 8.0建模，用 FLAC^3D2.1 进行数值计算分析。

      1）计算域边界条件

      依据开挖断面尺寸的大小，分别设定模型左右边界及下边界，上边界取到地表。模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平位移，底部限制垂直移动，模型上面为地面，取为自由面，但施加附加荷载的应力边界。由此建立的数值分析模型如图 2、图3所示。

 

      2）本构模型及计算参数

      土体模型：由于是城市土质地铁隧道，故围岩的计算力学模型选用 Mohr-Coulomb 弹塑性模型，Mohr-Coulomb 弹塑性模型的破坏准则采用 Mohr-Coulomb破坏准则。用 NULL模型的单元表示从模型中开挖的土体单元，计算过程中，它可以随时被激活，NULL单元的应力将被自动设置为0，使用NULL单元可以很好的模拟开挖和回填。

      钢筋混凝土盾构管片：采用弹性单元模拟，弹性模量取 34.5GPa，泊松比取0.20。

      超前小导管注浆：采用改变地层参数的方法模拟小导管注浆。根据北京地区注浆试验，提高弹性模量50％，注浆层选用的地层参数如下：密度 2.2g/cm³，压缩模量30.0MPa，泊松比0.25，粘聚力75KPa，内摩擦角50°。

      格栅钢拱架+ 喷混凝土：格栅钢拱架+ 喷混凝土采用拱壳 shell弹性单元模拟，例如，厚度为 0.3m，弹性模量取17.5GPa，泊松比取0.20，密度取 2.5g/cm³。

      初衬单元的施加方式为：土体开挖后，即时施加初支，但初支的刚度降一个数量级来模拟施工过程中初支强度恢复的时间效应，在下一开挖循环，初支强度恢复到100％。

      模筑钢筋混凝土二衬：采用弹性单元模拟，弹性模量取 30GPa，泊松比取 0.20，密度取2.4g/cm³。模拟中及时施加二衬，每一开挖段的初支恢复到100％强度后，下一循环即施加此开挖段的二衬。

      （3）荷载

      模拟过程中主要考虑永久荷载，包括建筑物结构自重，地层压力、水压。地层压力的初始应力场由自重产生，不考虑浅埋隧道土体构造应力的影响；静水压力：采用水土耦合计算，水位以上采用天然重度，水位以下采用饱和重度。

 

      1）沉降分析

      通过三维有限元数值模拟分析可知，在施作二衬的情况下，九号线左线隧道开挖后，地表最大沉降约为11.6mm，九号线右线隧道开挖完后，地表最大沉降约为18.9mm，上方四号线左线盾构隧道的施工使地表在九号线施工的基础上继续沉降，四号线左线盾构隧道全部施工后，地表最大沉降约为21.8mm，随着盾构隧道开挖的进行，地表最大沉降增加只有15%～20%，增加量不大，分析其原因主要是：施工上部四号线左线盾构隧道时，下部九号线二衬结构已经施作完毕，在上部荷载作用下，九号线隧道自身的收敛变形很小，即由此产生的地层损失很小，同时，随着上部土层开挖卸载及应力释放，下部隧道随着土体移动整体有上浮。

      施工中各典型断面(y=6m)的地表横向沉降曲线见图4所示，由图可知，交叠区中心由于受上浮影响及九号线二衬刚度影响大等原因，故地表沉降小，远离交叠区中心受此影响减小，地表沉降增大。

      2）在四号线施工期间、九号线衬砌结构位移变化分析

      先分析初期支护的位移，四号线施工前后，九号线初期支护的拱顶位移减小，底板位移增加，这主要是由隧道的整体上浮产生的，隧道结构自身的变形很小。

      在四号线施工前后，九号线二衬结构的自身变形很小，主要是结构上浮产生的整体位移。

      3）塑性区分析

      九号线隧道之间的土体塑性区已基本连通，故这一部分土体应进行加固，以保证其稳定性；九号线与上方四号线之间的土体在九号线施工过程中就已进入塑性状态，故在施工九号线时就要对这一部分土体进行注浆预加固。

      4）应力状态分析

      总体施工完成后，在拱顶和底板位置产生较大的松动区，但危险位置，如九号线之间的土体及九号线与四号线之间的土体，松动区并未连通，故土体能保持稳定状态。

      对四号线施工前后的九号线隧道结构最大主应力（受拉应力）值进行比较，可以看出：在上部四号线左线盾构隧道施工后，其值减小，而不是增大，由此可初步判断，四号线施工引起的减载效应并不足以使九号线隧道产生受拉开裂。

      1）仅九号线的施工，地表最大沉降基本与施筑二衬的情况相同，地表最大沉降为19.3mm，但是施工四号线后，由于九号线继续的收敛变形引起地层损失增大，故地表沉降增大了，四号线施工完之后的地表最大沉降约为26.5mm，增加量为37%；

      施工中，典型断面(y=6m)的地表横向沉降曲线见图5所示，由于九号线没有施筑二衬，结构刚度降低，在上部荷载作用下，会继续产生向内的收敛变形，故地表沉降增大。

      2）四号线左线盾构施工引起下层九号线隧道结构（由于上部卸载）产生上浮，由于没有了二衬结构的自重作用，上浮值有所增大，沿纵向 2～10mm分布。

      3）九号线左右线之间的土体及四号线与九号线之间的土体为容易产生破坏的区域，施工中应予以注浆加固。

      4）从九号线隧道初衬结构的最大主应力在四号线施工前后对比可知，在四号线施工后，九号线初衬结构最大主应力并未增加，其主要是因为没有施加二衬，使得隧道周边围岩收敛变形增大，围岩压力减小，支护抗力值也减小。

      5）通过两种施工安排的数值模拟比较分析可知，不施作二衬虽然地表沉降有所增加，但由于九号线没有施作二衬，二衬结构的开裂问题不存在，而初衬的变形甚至少许开裂是允许的，而且通过内部施加临时支撑，初衬的变形可以得到控制。

      6）根据对两种施工安排的计算结果初步分析，在上方四号线的左线盾构机通过后再施作九号线二衬的施工方案是比较可行的。

      （1）上方盾构隧道施工之后，预测地表最大沉降约为10mm，下方九号线左线施工之后，地表最大沉降为15.0mm，下方九号线右线施工之后，地表最大沉降为19.2mm。这里需要说明的是：根据北京地铁盾构隧道的施工经验，盾构施工实际沉降量大约在5mm～7mm，而本次计算结果偏大的原因主要在于计算中无法考虑土压平衡工况。施工中，典型断面(y=6m)的地表横向沉降曲线见图 6所示。