我国城市综合管廊建设经过几十年的酝酿,到2015年进入了爆发式建设期。但随着综合管廊建设的快速发展,各种问题相继出现,尤其是临近和穿越建(构)筑物的问题越来越多 ^[1]。由于地铁埋深较大,综合管廊大多位于已运行的地铁区间隧道之上,在管廊施工过程中上方土体开挖卸载会引起地应力的重分布,对地铁隧道产生附加位移和附加应力,导致地铁隧道结构产生隆起、收敛变形 ^[2]。已运营的地铁车辆对隧道的变形极为敏感,CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》 ^[3]要求,外部施工引起的地铁结构设施绝对沉降量及水平位移≤20mm,隧道变形曲率半径≥15 000m,相对弯曲≤1/2 500,直径累计变化量<5‰D(D为盾构隧道外径)。在此类立体交叉工程中,如何采取有效措施控制隧道变形,确保地铁结构安全,成为管廊施工控制的关键。政通东路综合管廊从既有地铁6号线盾构区间上方穿过,在既有地铁隧道上方进行综合管廊顶进在北京地区尚属首例。本文详细介绍了管廊顶进施工过程中的隧道变形控制措施,通过管廊顶进施工的数值模拟和监测数据分析,得出综合管廊在顶进施工过程中地铁盾构隧道的变形情况,为类似工程提供参考。

　　 政通东路综合管廊是北京城市副中心行政办公区启动区综合管廊工程之一,政通东路综合管廊工程沿政通东路路中南北向敷设,管廊总长度约121m,采用明挖法施工。管廊与既有地铁区间垂直相交,平面位置关系如图1a所示。管廊上跨既有地铁6号线郝家府站—东夏园站区间为本工程控制性节点,该段管廊为四舱结构(能源舱、电力舱、水信舱和燃气舱),结构宽16.4m、高5.2m,覆土1.1m,管廊结构底距地铁区间结构顶3.96m。管廊与既有地铁区间竖向位置关系如图1b所示。

　　 政通东路综合管廊上穿地铁段结构(1)素填土层、(2)重粉质黏土层、(2)₁黏质粉土～砂质粉土层及(3)粉砂～细砂层,基底位于粉砂～细砂层,该层整体为中低压缩性土,中密～稍密。地下水为浅层潜水,地下水位位于管廊结构底板以下4.7～5.3m,而地铁盾构隧道位于(4)细砂、中砂层及(4)₁细砂、粉砂层中。土层情况如表1所示。

　　 根据莫尔-库仑强度破坏准则,地铁区间向上45°范围内的土体扰动和卸载对隧道结构的影响最大 ^[4],因此对此范围的综合管廊采用顶进法施工,顶进长度40m,分2段顶进,每段20m,中间设置中继间,如图2所示。

　　 政通东路综合管廊顶进工作坑长48.5m、宽34.125m,开挖深度4.5～6.63m。工作坑采用钻孔灌注+锚索的支护方案,并在坑内侧设置后背梁,以保证顶管顶力作用下结构安全。工作坑布置如图3所示。

　　 北京地铁6号线郝家府站—东夏园站区间为东西走向,盾构内径5.4m、外径6.0m,管片厚0.3mm,每节管片长度为1.2m,每环由6片组成,即3块标准管片、2块邻接管片、1块封顶管片,采用错缝拼装。洞顶最小覆土厚度约为8.5m,两区间结构水平净距约为9m(见图4)。

　　 对于管廊顶进施工而言,其力学行为是箱涵掘进与周围地层的相互作用。在管廊顶进施工过程中,土体加固、开挖面掘进、土体输出等均会产生应力变化,致使土层挤压隆起、损失松动变形,下方地铁区间也因上覆土体的应力变化和卸载而产生上浮变形 ^[5]。因此,在管廊顶进过程中对周边土体进行预加固,具体加固方法如图5所示。

　　 1)管廊与盾构隧道间土体加固

　　 保留盾构隧道上方2m范围的原状土体,对管廊底板以下1.9m范围的土体进行深孔注浆加固,提高此部分的土体强度。在管廊顶进过程中,底部加固后的土体能提供较好的承载力,同时又对既有盾构隧道起到隔离保护作用。此外,还能较好地避免顶进过程中掌子面前方土体塌陷、管廊“扎头”等工程问题,降低管廊顶进过程中的风险。

　　 2)管廊两侧的土体加固

　　 对顶进段管廊两侧的土体采用直径0.6m旋喷桩进行加固,可减小管廊两侧土体变形,还可减小顶进过程中箱涵两侧面的摩阻力,从而减少对既有盾构隧道上方土体的扰动。

　　 在管廊顶进过程中,由于前方土方开挖产生了既有盾构隧道上方土体的卸载,为降低因土体卸载而致使盾构隧道上浮的风险,在管廊顶进过程中采取临时增加配重措施。选取0.5m钢锭,按“卸一还一”的原则,补偿开挖土体自重。钢锭放置于管廊内部底板上,在顶进过程中,还可根据盾构隧道变形值来调整配重数量,如隆起变形值接近预警值,可再增加配重,确保盾构隧道变形值在安全可控范围内。待管廊结构完成后,根据监测结果分段将临时配重取出。

　　 式中:K=1.2;N₁为框构顶上载重(t);N₂为框构自重(t);f₁为框构顶板与基底土的摩阻系数,取f₁=0.8;f₂为框构底板与基底土的摩阻系数,取f₂=0.8;E为框构两侧土压力(t/m²);f₃为侧面摩阻系数,取0.8;R为钢刃角正面阻力(t/m²);A为钢刃角正面积(m²)。

　　 将表1中各参数代入,可得管廊的最大顶力P=99 230k N。

　　 采用有限元软件MIDAS/GTS对管廊顶进进行三维施工阶段模拟,模型计算域为40m×50m×30m,土体采用莫尔-库仑本构模型,基本物理力学参数如表1所示;隧道、管廊结构相对于周围土体的强度和刚度均很大,一般不出现塑性变形,因此模拟时采用弹性本构模型 ^[6]。模型的上边界为自由边界,底部全部约束,各侧边采用水平向约束;计算工况按顶管现场施工工序进行模拟;有限元模型如图6所示。

　　 在综合管廊开始顶进时,管廊的顶推及土体开挖过程对既有地铁盾构隧道产生了一定程度的影响,而这种影响随着管廊的顶进距离增加而不断变化。管廊顶进40m后的盾构隧道竖向位移云图如图7所示,由图可知,顶进施工主要使下方的盾构隧道产生较大位移,并以竖向位移为主,在管廊顶进至盾构隧道结构中线附近时变形最大。其中,由于管廊顶进方向由左线向右线进行,故对右线盾构隧道产生的影响最大,引起最大竖向位移约为0.67mm,处于容许范围内,小于既有线盾构区间变形控制标准1.4mm(见图8)。

　　 政通东路综合管廊自8月3日开始顶进施工,8月25日顺利完成顶进施工。根据第三方监测数据,管廊顶进整个过程中既有线盾构隧道结构竖向变形0.73mm,其中因工作坑开挖引起既有线隧道结构竖向变形0.26mm,顶进期间引起既有线隧道结构竖向变形0.47mm。具体监测数值如图9所示。

　　 通过既有线盾构隧道变形监测,可看出随着管廊累计顶进距离的增加,盾构隧道结构变形整体呈增大趋势,在8月12日和8月23日出现变形峰值。第1个变形峰值产生在累计顶进14m时,此时管廊结构已顶进过左线区间结构边线,距左线区间结构中心线1.0m;第2个变形峰值产生在累计顶进28m时,此时管廊结构已顶进超出右线区间结构中线0.5m。在8月14—17日,顶进施工由于现场的外部客观因素停工4d,因而图9中盾构变形有一段回落趋势。综上可看出管廊结构顶进至既有地铁隧道结构中线附近时对盾构的变形影响最大,与数值模拟的计算结果基本一致。

　　 1)通过三维有限元模拟了“大断面、浅覆土、近距离”综合管廊采用顶进法上穿既有地铁盾构隧道的施工过程,并分析对盾构隧道的影响。计算结果表明,采用顶进法上穿既有线盾构区间可有效控制盾构隧道的变形,保证地铁的安全运营。

　　 2)在管廊顶进过程中对周边土体进行预加固和增设临时配重,可对既有盾构隧道起到隔离、保护作用,减小既有线区间上方土体的变形,降低因土体卸载而致使盾构隧道上浮的风险,保证了顶进施工的顺利进行,为类似工程提供借鉴。