明挖隧道与下卧地铁隧道交叉施工的影响分析及控制措施

叶均良，黄志斌

（1、佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东佛山528000；2、中交佛山投资发展有限公司 广东佛山528000）

0 引言

近年来，随着城市地下空间的发展，市政地下工程与地铁隧道的建设越来越密不可分，由于建设工期紧迫，经常会出现市政地下工程与紧邻地铁隧道同期建设的情况。由于二者工程建设在时空上的重叠，故其相互影响也越来也大。主要体现在上部明挖基坑的开挖，导致下卧地铁隧道的上浮；下卧地铁隧道的掘进，导致上部明挖基坑的沉降。目前，对于市政基坑与下卧地铁隧道大规模、长距离重叠同期实施的研究尚不多见［1-7］。

文本以某明挖隧道与地铁盾构隧道交叉施工为工程背景，利用数值分析软件对各施工工况进行动态模拟分析，评估了二者交叉施工的影响风险，提出了相关的控制措施，为双方顺利实施提供了保障。

1 工程概况

1.1 明挖隧道概况

佛山市魁奇路快速化某节点工程为路口立交化改造工程，其中明挖隧道长690 m，设计最大埋深约12.3 m，结构净高5.9 m，结构净宽（单孔）14.4 m，采用U 型槽+单箱双室形式。基坑采用φ800@1 000 mm 或φ1 000@1 200 mm 灌注桩作为围护桩。采用4道支撑支护，第1 道支撑为混凝土支撑，其余为钢支撑，止水帷幕采用直径φ550@400 mm单轴搅拌桩，如图1所示。

图1 明挖隧道围护结构断面Fig.1 Section of the Open-cut Tunnel Envelope Structure（mm）

1.2 地铁隧道概况

佛山地铁2 号线某区间为盾构结构，隧道平面曲线半径最小为1 500 m，左右线间距为12.0～15.0 m，隧道拱顶埋深为10.7～19.2 m。最大线路纵坡2.8%，最小纵坡为0.2%。竖曲线最小半径为3 000 m，最大半径为5 000 m。隧道内径为5 400 mm，衬砌为厚度300 mm、宽度1 500 mm 的钢筋混凝土管片，如图2 所示。施工共使用2 台海瑞克土压平衡盾构机，2 台盾构机始发时间相隔40 d，盾构机主要工作参数如表1所示。

图2 地铁隧道断面Fig.2 Section of the Metro Tunnel（mm）

表1 盾构机主要工作参数Tab.1 Main Working Parameters of the Shield Machine

1.3 明挖隧道与地铁隧道相互关系

明挖隧道与地铁盾构区间的平面位置完全重合，明挖隧道基底与盾构隧道顶部的最小净距仅为4.84 m，其中净距在一倍洞径内的长度为210 m，如图3所示。两者间主要地层为〈8-2-1〉中风化泥质砂岩，也存在部分〈7-2-1〉强风化泥质砂岩，如图4和表2所示，明挖隧道对地铁隧道结构的影响等级为特级。

图3 明挖隧道与地铁隧道空间关系Fig.3 Spatial Relationship between the Open-cut Tunnel and Metro Tunnel

图4 地铁隧道重合段地质纵断面Fig.4 Geological Profile of the Overlapped Section of the Metro Tunnel

表2 岩土层主要物理力学参数Tab.2 The Main Physical and Mechanical Parameters of the Rock and Soil Layer

2 相互影响分析

2.1 计算分析模型

明挖隧道基坑在地铁区间隧道正上方开挖，开挖深度从东西两端向中部增加，开挖最大深度为14.65 m，基坑坑底与地铁隧道结构竖向最小距离为4.84 m，最大卸载率为73.27%。根据明挖隧道与地铁隧道相交处的工程地质情况，使用Midas GTS∕NX 软件建立三维计算模型，如图5所示，采用地层-结构法模拟计算明挖隧道与地铁隧道交叉施工的相互影响。

图5 明挖隧道与地铁隧道计算模型Fig.5 Calculation Model of the Open-cut Tunnel and Metro Tunnel

2.2 明挖隧道施工对地铁隧道影响分析

假设地铁隧道已施工完毕，分析明挖隧道施工对下卧地铁隧道结构的影响。根据各工况计算结果，当明挖隧道开挖至坑底时，由于卸载作用，地铁隧道发生整体上浮，最大上浮值为10.99 mm，如图6⒜所示，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ∕T 202—2013》［8］中隧道竖向位移小于20 mm的要求。当明挖隧道施工完毕并回填时，由于上部荷载的增加，使得地铁隧道的上浮量有所减少，最终地铁隧道最大竖向位移为上浮5.47 mm。

根据各工况下计算的弯矩结果，随着明挖隧道基坑开挖卸载，地铁隧道上覆土减少，隧道最大弯矩也减少。当明挖隧道开挖至坑底时，地铁隧道最大弯矩为64.9 kN·m，如图6⒝所示，小于开挖前的178.0 kN·m。各工况下地铁隧道的管片钢筋验算情况如表3 所示，计算结果表明，明挖隧道施工期间的地铁隧道管片满足承载力要求，最大裂缝宽度0.04 mm，满足文献［8］中裂缝宽度小于0.2 mm的要求。

表3 隧道管片钢筋验算Tab.3 Rebar Checking of the Tube Piece of Metro Tunnel

图6 明挖隧道开挖至坑底时地铁隧道的竖向位移和弯矩Fig.6 Vertical Displacement of the Metro Tunnel

根据上述分析，由于明挖隧道的施工，开挖至基坑底时，地铁隧道处于最不利状态，此时地铁隧道的内力变化影响较小，但由于卸载过程，对结构产生整体上浮，此时需引起重视，并采取必要有效措施，减小其影响。

2.3 地铁隧道施工对明挖隧道影响分析

假设明挖隧道已施工完毕，分析地铁隧道施工对上卧明挖隧道结构的影响。在最不利工况下，当单线地铁隧道完成时上卧明挖隧道最大位移为2.61 mm，其中最大竖向沉降2.58 mm，如图7⒜所示，最大水平位移0.69 mm。当双线地铁隧道完成时上卧明挖隧道最大位移为2.72 mm，其中最大竖向沉降2.70 mm，如图7⒝所示，最大水平位移0.96 mm。双线地铁隧道完成时上卧明挖隧道抗拔桩的变形情况如图8 所示，其最大的位移值为3.40 mm。

图7 明挖隧道位移Fig.7 Displacement of the Open-cut Tunnel

图8 明挖隧道抗拔桩位移（双线地铁隧道完成时）Fig.8 Displacement of Uplift Piles in Open-cut Tunnel（When the Two-line Metro Tunnel were Completed）

根据上述分析，由于地铁隧道的施工，引起上卧明挖隧道的变形较小，均满足文献［9］中隧道结构位移小于2 mm的要求。

3 交叉施工安排

从数值仿真分析可知，明挖隧道和地铁隧道独立施工时，双方结构均处于安全状态，且明挖隧道先施工，地铁隧道后施工造成的影响相对较小。但由于工期因素，双方在时空上需进行交叉施工。经过安全评估分析，双方建设单位对接研究，政府部门协调，双方交叉施工安排为：对主要影响区域（双方最小净距小于一倍洞径范围区域）上卧明挖隧道进行优先施工，在地铁隧道盾构通过前必须完成其底板施工；在非主要影响区域，在双方隧道结构、围护结构等监测结果正常情况下，双方可以共同施工。

4 控制措施

4.1 明挖隧道施工

⑴严格控制明挖隧道的建设工期，优先开挖主要影响区域的施工节段，长度约210 m，务必在地铁盾构机在接近该区域前50 m时，完成该明挖节段的底板施工，且混凝土强度达到标准强度的90%以上。

⑵在非主要影响区域，存在双方上下同时施工的区域，明挖隧道遵循每开挖完成一个施工节段后，及时架设基坑内支撑和浇筑底板。严禁多个施工节段同时开挖，严禁开挖基底长时间裸露。

⑶明挖隧道开挖前必须进行降水，降至坑底以下0.5～1.0 m，每施工节段开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”5 个要点，遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的施工原则。

⑷当出现地铁管片上浮或明挖隧道基坑隆起时，根据现场施工情况，采用沙袋或原土反压上浮处的开挖面，同时控制地铁隧道同步注浆压力及注入量，抑制地层变形，并防止浆液穿透覆土层。

⑸明挖隧道底部设置抗拔桩，抗拔桩设置在隧道左右线两侧及中间。

4.2 地铁隧道施工

⑴对主要影响区域内的地铁隧道钢筋混凝土管片进行加强配筋，次要影响区域内采用普通段配筋，其中含钢量约为162 kg∕m3，加强管片含钢量约为199 kg∕m3，含钢量提高22%。

⑵在重合段范围内，地铁隧道管片全环预留注浆孔，隧道盾构机下穿过程中加强同步注浆和二次注浆，确保注浆的及时性和有效性，严禁向上方高压注浆，以尽量减少超挖及对地层扰动，控制地层变形。

⑶地铁盾构机在接近主要影响区域前50 m 时，严格按土压平衡模式进行掘进控制，通过设定推进速度和调整排土量，确保土仓压力与地层的水土压力平衡，地层损失率控制在3%以内。盾构机掘进时，降低掘进轴线，并保持盾体轴线坡度角略低于隧道轴线坡度角，以克服因覆土荷载小发生盾构机抬头现象。

4.3 其它措施

政府部门统筹协调，双方建设单位成立统一工作领导小组，双方严格遵照既定的总体施工方案进行实施。领导小组建立日常例会制度和信息报送机制，加强施工监测和日常巡检工作，每天将各自的施工进度情况和监测情况通报对方，及时协调解决工地现场出现的问题。

5 效果评价

5.1 明挖隧道监测

明挖隧道围护结构顶所有沉降和水平位移监测点的累计变化量都较小，最大累计沉降量为-6.35 mm，最大累计水平位移为-17.54 mm，均满足《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》中一级基坑监测的要求（沉降累计值小于20 mm，水平位移累计值小于25 mm）。各监测点支撑轴力荷载正常，最大累计值为2 473 kN，均在设计值范围内。基坑周边建筑物累计沉降量较小，房屋结构未发生明显变化。

5.2 地铁隧道监测

重合段地铁隧道盾构区间累计沉降量范围在0～-30 mm 之间，如图9所示，地铁隧道在二次注浆后，沉降值趋于稳定。地铁隧道贯通后，线型平顺，管片无错台、开裂破损现象，满足《盾构法隧道施工及验收规范：GB 50446—2017》［10］的相关要求。

图9 重合段地铁隧道沉降情况Fig.9 Settlement of the Overlapped Section of the Metro Tunnel

6 总结

本文以佛山市某大道明挖隧道与佛山地铁2号线某区间交叉施工为工程背景，利用数值分析软件对施工过程进行动态模拟分析，交叉施工过程中严格要求双方执行控制措施，并取得了良好的施工效果，可为以后同类工程实践提供借鉴。得出主要结论如下：

⑴上卧明挖隧道的开挖，由于卸载作用，会造成地铁隧道的整体上浮；下卧地铁盾构的掘进，对上卧明挖隧道的影响主要体现在沉降方面。

⑵明挖隧道和地铁隧道独立施工时，双方结构均处于安全状态，且明挖隧道先施工，地铁隧道后施工造成的影响相对较小。

⑶交叉施工时，上卧明挖隧道开挖严格执行“分层、分步、对称、平衡、限时”的要求，下卧地铁隧道严格控制盾构掘进参数并及时注浆，能有效控制双方结构变形。

⑷对于2个对立的建设项目，建立统一协调工作小组，加强日常监控和双方信息报送管理非常必要。