摘 要: 结合北京地铁 10 号线“国—双区间”盾构隧道受近接上穿地下过街通道施工影响的工程问题，针对盾构隧道周围地层的二重管无收缩 WSS 工法注浆加固措施，对整个动态施工过程进行了数值模拟分析，预测了地下通道的开挖卸荷引起下卧盾构隧道的变形情况，并评估了盾构隧道的安全性。通过计算分析，发现对近接盾构隧道周围地层采用 WSS 工法注浆加固能够有效地减小开挖卸荷引起的既有盾构隧道隆起变形和收敛变形，增大变形曲率半径，从而减小盾构管片的纵、横向的附加应力，对近接施工中的既有结构起到了保护作用。

关键词: 地下通道 WSS 工法 盾构隧道 近接施工 数值模拟

 

      近年来随着我国对地下空间利用的认识逐步提高，地下工程建设正步入迅猛发展阶段。大量近接工程频繁出现，常常会遇到新建工程位于已建成( 运行)地铁区间隧道之上这一新问题^［1］。上跨于既有地铁区间隧道的地下工程，由于开挖会引起地铁隧道上方土体的卸载回弹，从而引起隧道结构的上抬变形。如何准确预测和治理既有隧道上抬变形成为急需解决的问题。本文以北京 CBD 银泰至航华地下过街通道近接上穿地铁 10 号线为例，对暗挖地下通道施工进行三维数值模拟，预测地铁隧道的变形情况，评估采用二重管无收缩 WSS 工法加固既有地铁盾构隧道洞周土体方案的可行性。

 

      北京 CBD 银泰至航华地下过街通道( 以下简称CBD 通道) 位于东三环路国贸立交桥南段路口下方。整个通道由西集散厅、跨三环主通道、与 10 号线国贸站连接的辅通道及三个地面出入口、两个紧急疏散通道构成^［2］。

      CBD 主通道自西向东依次上穿地铁 10 号线国贸站—双井站区间左、右线盾构隧道，两者最小竖向间距仅为 2. 17 m，主通道最小埋深 7. 4 m。辅通道和施工横通道大致与 10 号线左线隧道平行，位置关系见图 1。

      CBD 通道穿越地层主要为粉质黏土和卵石层，上部土层有人工填土、粉土、粉细砂层等，分布较为均匀。10 号线国贸站—双井站区间隧道穿越地层主要为粉质黏土和粉土^［3］。

      国贸站—双井站区间盾构隧道结构由 6 片外径6. 0 m，厚 0. 3 m 的 C50 钢筋混凝土管片错缝式拼装而成，在地下通道施工时此段隧道即将运营。

      为了保证 CBD 通道的顺利施工和既有盾构隧道不被破坏，设计对与 CBD 主通道交叉部分的盾构隧道周围土体采用 WSS 工法注浆加固，加固后土体单轴无侧限抗压强度不小于 1. 2 MPa，加固范围见图 2。 地下通道采用复合式衬砌，注浆小导管超前支护，其中各交叉段采用大管棚 + 注浆小导管超前支护，分部开挖法施工，衬砌结构断面和施工工序如图 3 所示。

      1) 计算区域的选取

      由于地铁 10 号线左、右线区间隧道均与 CBD 主通道垂直交叉，且结构形式、施工方法也完全相同。对于 10 号线左线，除了受 CBD 主通道上穿和施工横通道开挖的影响，辅通道也与其基本平行，在主、辅通道交叉处二者对 10 号线左线区间隧道产生综合影响。为突出重点，计算选取 CBD 主通道和 10 号线左线交叉区域。

      2) 计算模型设计

      根据计算区域同时考虑边界效应，选取模型尺寸为 70 m × 74 m × 60 m( 长 × 宽 × 深) 。注浆小导管、大管棚及 WSS 工法加固的作用采取提高地层参数模拟^［4-5］。通道的初期支护和盾构管片及竖井结构采用壳单元模拟，通道的二次衬砌采用实体单元模拟。盾构隧道等效为连续体，考虑管片接缝的存在对隧道刚度进行折减，折减系数为 0. 8。

      计算中不考虑地下水作用。地层荷载按自重应力场考虑; 地面结构和车辆等各种荷载统一以地面超载( 20 kPa) 考虑，按照匀布荷载施加于地表。有限元模型如图 4 所示。

3) 计算参数

      根据地勘报告，共分 4 个地层，各地层参数和注浆小导管、大管棚加固圈计算参数见表 1。

      WSS 工法注浆加固体的单轴无侧限抗压强度按1. 2 MPa 考虑，地下通道超前支护层按厚 0. 8 m 计。

      结合工程实际的施工方法和施工工序，模拟采取首先完成既有的施工竖井和盾构区间，生成 CBD 通道施工前的初始应力场; 采用台阶法由施工竖井进入施工横通道施工，然后由施工横通道进入 CBD 主通道施工。CBD 辅通道采用 CRD 工法由远离交叉口端进行施工，最终与主通道交接，完成全部施工。

      根据三维数值模拟的结果绘制出地铁 10 号线“国—双区间”盾构隧道在 CBD 通道施工完成后的竖向、水平位移曲线如图 5、图 6 所示。

      由图 5 可知，未加固时，地铁盾构隧道的隆起变形呈左右大致对称的驼峰型分布。国贸端由于辅通道和横通道施工的多次扰动以及盾构井的约束作用，其隆起曲率较陡。采用 WSS 工法加固后位移曲线变得平缓，最大上浮变形由 4. 9 mm 减小为 4. 4 mm。变形的对称中心由 K21 + 641( CBD 主通道中心线对应的 10号线左线里程为 K21 + 638) 向左侧偏移至 K21 + 644。拱顶的竖向最大相对变形由 1 /2 100减小为 1 /3 200，隧道的 竖 向 最 大 变 形 曲 率 半 径 由 30 000 m 增 加 为94 000 m。有效地减小了盾构隧道纵断面方向的变形，满足盾构隧道结构正常运营的安全性需要。

      由图 6 可知，盾构隧道的水平位移较小。采用WSS 工法加固后盾构隧道的最大水平位移变化不大，但水平向的收敛变形和水平向的隧道整体侧向变形都明显减小。其中最大水平向收敛变形由 1. 13 mm( 约为 0. 19‰D) 减小为 0. 47 mm( 约为 0. 06‰D) 。有效地减小了盾构隧道断面的椭圆度变化和盾构管片的附加应力。

      为了研究盾构隧道在地下通道暗挖施工过程中的位移变化情况，分别提取 CBD 主通道中线处盾构隧道( 对应左线里程为 K21 + 638) 在有、无采用 WSS 工法加固措施时的竖向位移随施工进程的变化曲线，如图7 所示。

      由图 7 可知，最大隆起变形均发生于主通道开挖通过盾构隧道时( 即模拟施工的第 26 步) ，其后变形值随着其它部分的施工有小幅下降。采用 WSS 工法加固后使盾构结构的拱顶最大上浮由 5. 7 mm 减小到4. 8 mm，仰拱上浮基本不变，由此使得盾构结构的竖向收敛变形明显减小。

      假设盾构隧道初始状态的纵向内力为零，采用隧道等效连续化模型，将三维计算得到的纵向位移值作为支座位移，盾构隧道等效为弹性地基梁，其纵向等效刚度的计算公式详见文献［6］，计算结果如表 2 所示。

      由表 2 可知，采用 WSS 工法加固后，CBD 通道施工引起的盾构结构纵向弯矩较无 WSS 工法加固时减小 20% 以上，剪力变化不大。

      采用 WSS 工法加固后地下通道施工引起的地表变形情况如图 8 所示。

      由于施工横通道及 CBD 主通道的联合影响，在此交叉区域的地表形成了一个较大沉降槽。其中最大沉降值为 18. 3 mm，沿主通道横断面方向宽度约 25 m。其最大沉降值小于地表沉降基准值 30 mm，能够保证地面交通的正常运营^［7］。

 

      根据北京 CBD 银泰至航华地下过街通道，近接上穿地铁 10 号线施工全过程的三维弹塑性数值模拟，得到结论如下:

      1) 对 CBD 主通道上穿区域的 10 号线区间隧道周围土体进行 WSS 工法加固，有效地抑制了 10 号线隧道结构的整体上浮变形，同时对减小盾构管片的相对变形和增大变形曲率半径的效果明显。

      2) 对于盾构隧道上浮隆起变形影响较大的施工阶段为 CBD 主通道通过地铁 10 号线前的各施工步，因此，施工中要把握重点、控制关键工序，严格做好地层的预加固和各种超前支护。

      3) 通过对盾构管片结构的强度和刚度校核，当采用 WSS 工法加固地层后，CBD 通道施工引起的盾构隧道受力和变形均满足相关规范的安全要求。

      4) 地表沉降情况也满足规范要求，能够保证地面交通的正常运营。因此，在松散软弱地层中的浅埋暗挖隧道采用超前小导管注浆加固地层，划大断面为小断面、及时强支护的施工措施，是合理可行的。

      5) 对既有隧道周围地层采用二重管无收缩 WSS工法注浆加固，有效地减小了近接施工中新、老工程的相互影响，起到了保护既有隧道的作用。