浅埋小净距双线隧道平行下穿既有道路设施工法影响研究

杜 宇

(北京市市政专业设计院股份公司 北京市 100037)

0 引言

伴随地下交通网络日益完善，新建隧道下穿既有交通设施情况逐渐增多，受隧道施工扰动，地层初始应力状态被打破，不可避免地对既有交通设施产生影响[1]。许多学者[2-5]针对盾构隧道垂直穿越既有道路影响分析进行了大量研究，但目前关于新建隧道平行下穿对既有道路影响方面的研究较少，故以北京地铁某区间双线隧道为研究背景，采用数值计算方法，分析小净距双线隧道在采用不同施工工法情况下平行下穿既有道路时，施工对既有道路的影响程度，并结合规范要求，确定该种情况下较为合理的施工工法。

1 工程概况

新建隧道区间全长851.6m，全线采用暗挖法进行施工作业，双线间距约为6.25m。隧道开挖断面净宽6.7m，净高6.7m，拱顶施做小导管注浆超前支护，初支为0.25m厚C25喷混，二衬为0.3m厚C40防水混凝土。施工过程中区间隧道平行下穿朝阳门外大街，覆土厚度为6.12～8.39m，区间隧道与上方既有道路位置关系如图1所示。

图1 区间隧道与既有道路位置关系示意图

2 影响范围分析

结合《穿越既有道路设施工程技术要求》中的相关规定，对该区间双线隧道平行下穿既有道路施工影响范围进行划分。综合考虑下穿道路的道路等级及穿越位置关系，判定该区域穿越风险等级为一级，依照现行规范要求，最终确定隧道施工过程中主要影响区宽度为28～30.8m，次要影响区宽度为5.5～7.56m，影响区域划分结果如图2所示。

图2 双线隧道施工影响分区图

3 影响分析研究

3.1 建立计算模型

采用有限元分析软件Midas GTS NX建立留核心土台阶法、CD法及CRD法三维计算模型，并分别进行施工模拟计算。为充分考虑上述分析所得隧道施工影响范围、模型计算尺寸效应及边界效应，最终将各模型计算尺寸确定为100m(长)×70m(宽)×55m(高)，隧道埋深根据设计资料进行确定，于模型四周施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，地表不设置任何约束，计算模型三维图如图3所示。

图3 计算模型三维图

模型建立过程中，除隧道初支采用二维板单元外，其余均采用三维实体单元进行建模。分析过程中土体开挖采用钝化相关单元的方式进行实现。模拟过程中结构力学参数如表1所示，主要土层物理力学参数如表2所示。

表1 结构力学参数表

3.2 不同工法模拟分析

各工法施工开挖步序如图4所示。

3.2.1留核心土台阶法施工步序

表2 土层物理力学参数表

图4 各工法施工步序图

(1)开挖①并施做初支。

(2)开挖②。

(3)开挖③并施做初支。

(4)施做二衬结构④。

(5)开挖⑤并施做初支。

(6)开挖⑥。

(7)开挖⑦并施做初支。

(8)施做二衬结构⑧。

3.2.2CD法施工步序

(1)开挖①并施做初支及临时钢架。

(2)开挖②并施做初支。

(3)施做二衬结构③并拆除临时钢架。

(4)开挖④并施做初支及临时钢架。

(5)开挖⑤并施做初支。

(6)施做二衬结构⑥并拆除临时钢架。

3.2.3CRD法施工步序

(1)开挖①并施做初支及临时支护结构。

(2)开挖②并施做初支及临时支护结构。

(3)开挖③并施做初支及临时支护结构。

(4)开挖④并施做初支及临时支护结构。

(5)施做二衬结构⑤并拆除临时支护结构。

(6)开挖⑥并施做初支及临时支护结构。

(7)开挖⑦并施做初支及临时支护结构。

(8)开挖⑧并施做初支及临时支护结构。

(9)开挖⑨并施做初支及临时支护结构。

(10)施做二衬结构⑩并拆除临时支护结构。

3.3 计算结果分析

施工结束后围岩竖向位移云图如图5所示，从云图分布情况可以看出，由于隧道开挖卸压，隧道周边岩体向隧道方向发生变形，拱顶上方岩体发生竖向沉降，由于该隧道埋深较浅，拱顶上方土体自成拱效应不明显，导致拱顶上方岩体竖向变形一直延伸至地面，从云图上可以看到现况路面发生了较为明显的竖向沉降。

图5 施工结束后围岩竖向位移云图

隧道施工结束后，隧道正上方路面沉降量最大，隧道开挖区外侧路面沉降值伴随距隧道中心线间距离的增加而呈下降趋势。在三种施工工法中，采用留核心土台阶法施工后路面沉降量最大，约为-16mm；CRD法由于尽可能细化单次开挖范围，并且于施工过程中采用了刚度较大的临时支护结构，有效地限制了隧道周边岩体的收缩，致使CRD法施工后路面沉降最小，约为-10mm，相较于台阶法，路面沉降量降低37.5%；CD法施工后路面沉降介于另两种工法之间，路面最大沉降量约为-14mm。

为充分分析路面沉降影响，于地表相同位置(A-A)布置监测点，提取路面沉降数值，所得路面沉降曲线如图6所示。

图6 路面沉降曲线

由沉降曲线可以看出，无论何种工法，在先行隧道施工完毕后，地面沉降曲线均呈V字型，之后伴随后行隧道的施工，围岩扰动范围进一步加大，地面沉降槽逐渐拓宽且其形状由V字型转化成W型，且地面沉降峰值不同程度的有所增加，三种工法中由于后行隧道施工所导致的路面沉降峰值增加量最大为-2mm(留核心土台阶法)，最小为-1mm(CRD法)。

留核心土台阶法先行隧道施工结束后，路面沉降影响范围约为35m，此时路面最大沉降值约为-14mm,双线隧道全部贯通后，沉降槽宽度增至48m，增幅约为37%，路面最大沉降增长14%，最终路面稳定最大沉降为-16mm。该沉降量已超过规范所规定的路面变形允许控制值(15mm)，将对路面结构产生破坏，无法有效保证行车安全。

CD法施工结束后，路面变形稳定后沉降槽宽度约为45m，在影响范围方面该工法相较于留核心土台阶法略有降低(约6%)，路面最大沉降缩小至-13.5mm，满足现行规范中关于既有道路结构变形控制值的相关要求，且由于路面沉降所引起的道路坡度变化未超过1%，满足《公路工程技术标准》规定，可有效保证路面行车的舒适度。

CRD法施工结束后，路面沉降槽宽度约为42m，为三种工法中最小，路面最大沉降不足-10mm，低于规范中所规定的路面沉降警戒值(-9mm)，由路面沉降所引起的道路坡度变化仅为0.61‰，影响很小，可最大限度地保证行车的舒适性及安全性。

4 建议

(1)在围岩岩性及整体性较差的情况下，若采用台阶法进行施工，应充分考虑施工对于下穿道路的影响，进行安全评估，并根据实际工程情况，增加围岩加固措施或路面保护措施，避免隧道上方既有道路沉降变形较大，对路面结构产生破坏，造成安全风险。

(2)从计算结果上看，CD法及CRD法施工导致路面沉降趋势相似，两种工法施工后，均可保证路面沉降量处于现行规范要求的变形控制值之内，但CRD法可以更好地限制路面沉降及影响范围宽度，可最大限度地保证路面行车安全及道路结构安全，在道路安全等级较高或对路面沉降变形要求严苛的区域建议优先考虑CRD法施工。

(3)从计算结果可以看出，后行隧道施工会进一步加大共同影响区内岩体的竖向位移，且沉降增加量与施工工法有关，建议先行隧道施工过程中应进行围岩的加固处理，尤其是针对双线隧道中间区域岩体应更为重视，以降低后续施工时该区域岩体的竖向位移。

5 结论

针对浅埋小净距双线隧道平行下穿既有道路设施施工工法影响进行研究分析，所得结论如下：

(1)地表最大沉降出现在隧道开挖区在路面垂直投影范围内。拱腰外侧路面沉降量伴随距开挖区域距离的增加呈下降趋势。

(2)通过有限元模拟计算，对比不同施工工法下穿施工对既有道路的影响，发现留核心土台阶法由于单次开挖区域面积较大，施工过程中未设置临时支撑结构，对围岩的变形控制能力较差，最终导致既有道路路面沉降幅度过大，超出规范规定的变形控制值，若采用该工法施工应增加围岩加固措施及道路保护措施。

(3)CD法及CRD法由于将开挖断面合理细化，并在每一部分开挖支护后形成独立的闭合单元，利于围岩的稳定，可以有效控制施工过程中地面沉降，施工结束后路面沉降均符合现行规范要求，但从路面结构保护及最大限度保证行车安全的角度考虑，建议优先采用CRD法进行施工。

(4)在双线隧道施工过程中，建议先行隧道增加围岩加固措施，以限制后续施工对该部分岩体的影响，降低路面沉降增加量。