北京地鐵17號線東大橋站下穿既有6號線的單層雙洞隧道，擬采用6導(dǎo)洞交叉中隔墻法施工。為控制既有線和地表的沉降，采用Flac3D數(shù)值計算方法，研究4種導(dǎo)洞施工順序?qū)扔兴淼篮偷乇沓两档挠绊懸?guī)律，提出群洞影響系數(shù)以定量研究相鄰隧道施工對變形的影響。計算結(jié)果表明，導(dǎo)洞豎向開挖施工方案，可有效減小既有線隧道最大沉降及群洞效應(yīng)，為最優(yōu)的施工順序。

近年來我國城市地鐵建設(shè)發(fā)展迅速，受城市地下空間的限制及換乘需要，新建地鐵工程常需要近距離下穿既有地鐵線路[1–2]。新建工程下穿既有線路，會引起既有隧道結(jié)構(gòu)的變形，進而影響既有地鐵線路的正常運營。交叉中隔墻法(CRD法)主要用于城市地鐵隧道的施工，劉惠敏等[3]以北京地鐵10號線光華路站單線側(cè)洞為研究對象，運用有限元軟件優(yōu)化了4導(dǎo)洞CRD工法的施工順序。戚玉亮等[4]采用有限元無限元組合方法研究了大斷面淺埋暗挖海底隧道CRD工法對圍巖及支護結(jié)構(gòu)的影響。城市地鐵群洞隧道一般分期分部開挖、逐步形成洞室，即使施工方法相同，施工完成后最終狀態(tài)也可能不唯一，即與施工過程相關(guān)[5–6]。對于凈距較小的CRD工法雙洞隧道，后施工隧道會對先施工隧道產(chǎn)生影響，同時不同導(dǎo)洞開挖支護順序產(chǎn)生的地層變形及群洞效應(yīng)不同，因此必須合理組織群洞隧道的施工方案以減小群洞效應(yīng)的影響[7–9]。本文以北京地鐵17號線東大橋站下穿既有6號線的區(qū)間隧道施工為工程背景，研究CRD法不同導(dǎo)洞施工順序下地表和既有線的沉降變化規(guī)律及群洞影響系數(shù)，優(yōu)化導(dǎo)洞施工方案，可供類似工程施工參考。

工程概況

北京地鐵17號線東大橋位于北京市朝陽區(qū)，下穿既有6號線區(qū)間隧道。由于地鐵17號線東大橋站頂面高于既有6號線區(qū)間隧道的頂面，而東大橋站的底面低于6號線區(qū)間隧道的底面，因此，將17號線東大橋設(shè)計分為三段，南側(cè)標準段、北側(cè)標準段和中間下穿段[10]。本文分析的中間下穿段為單層雙洞隧道，擬采用CRD法施工。下穿段隧道長36.5 m，寬9.9 m，高9.52 m，凈距5.2 m，與6號線隧道凈距約2 m。下穿段與既有線關(guān)系如圖1所示。下穿段進行無水暗挖作業(yè)。在開挖前，對17號線隧道開挖部位采用全斷面深孔注漿，注漿范圍為隧道拱部及側(cè)墻外4.0 m，底板以下2.0 m。隧道拱部180°范圍內(nèi)采用單排小導(dǎo)管注漿對拱部土體進行預(yù)加固，每榀打設(shè)一環(huán)。暗挖導(dǎo)洞初襯采用鋼筋網(wǎng)、格柵鋼架及噴射混凝土聯(lián)合支護形式，厚度350 mm，中隔壁及臨時仰拱由鋼筋網(wǎng)、工字鋼及噴射混凝土組成，厚度250 mm，二襯為筑模鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚1000 mm，側(cè)墻及拱部厚800 mm。施工時首先開挖左線，導(dǎo)洞采用預(yù)留核心土開挖，每循環(huán)進尺0.5 m，各導(dǎo)洞相互錯開距離不小于15 m。待各導(dǎo)洞均貫通后，臨時中隔壁進行隔二換一的換撐處理，并自下而上逐段拆除剩余中隔壁及臨時仰拱、施做拱部防水層和二次襯砌、結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。左線單洞隧道施工完成后再施工右線單洞隧道，施工方法與左線一致。

數(shù)值計算分析

計算模型及計算參數(shù)

數(shù)值計算模型如圖1所示，模型尺寸為176 m×36.5 m×76.6 m。模型坐標原點位于17號左右線間底板的起點處。土體及6號線襯砌用實體單元模擬，土體采用摩爾庫倫模型，6號線襯砌為彈性模型，17號線位置的土體在施工前用實體單元，施工完成后用殼單元模擬，模型共包括1267471個單元，610949個節(jié)點。邊界條件為上表面自由，下表面完全約束，四周限制水平位移。

下穿段土層從上到下各層土的力學(xué)參數(shù)如表1所示。初襯和二襯的等效彈性模量分別為2.6×104MPa和3.45×104MPa，中隔壁和臨時仰拱的等效彈性模量為3.12×104MPa。

計算工況及計算步驟

17號線位置土體在CRD法施工過程中，導(dǎo)洞不同的開挖順序引起的沉降不同。為減少17號線下穿段的單層雙洞隧道施工對既有線和地表的影響，下面分析圖2所示CRD法施工導(dǎo)洞4種不同施工方案下，既有線和地表沉降的變化規(guī)律。單側(cè)導(dǎo)洞的施工方案1為①②③④⑤⑥，施工方案2為①④②③⑤⑥，施工方案3為①④②⑤③⑥，施工方案4為①②④⑤③⑥，左右線工序相同，其中施工方案1為豎向開挖導(dǎo)洞，施工方案3為橫向開挖導(dǎo)洞，施工方案2及施工方案4為橫向開挖與豎向開挖相結(jié)合。

根據(jù)施工工序，計算過程分為以下幾個步驟：(1)在重力作用下，計算得到包含6號線模型的初始應(yīng)力場；(2)17號線隧道開挖區(qū)域進行深孔注漿，注漿區(qū)彈性模量為原始土層彈性模量的1.2倍；(3)每循環(huán)開挖前，隧道拱部進行超前小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管注漿區(qū)等效寬度為0.8 m，每個循環(huán)的注漿影響區(qū)長度為3 m；(4)采用null單元模擬隧道開挖，模擬各導(dǎo)洞循環(huán)開挖時，每開挖0.5 m，然后，施做襯砌、中隔壁及臨時仰拱；(5)左線各導(dǎo)洞依次開挖至貫通后施做二襯；(6)17號右線模擬方法同左線。

計算結(jié)果分析

地表沉降

圖3為地表y=5.11 m測線處4種施工方案下17號線左線及右線施工完成后的沉降槽曲線。對于4種施工方案，17號線左線隧道施工完成后，地表沉降槽曲線峰值都位于左線隧道中線處，呈均寬而淺的“V” 型。但不同施工方案的最大沉降值不同，方案1的沉降最小僅為2.29 mm，而最大的為施工方案3，達2.61 mm。

當(dāng)17號線右線隧道施工時，沉降槽曲線向右下偏移。由于兩隧道的凈距僅為5.2 m，為近距離相鄰隧道，從而導(dǎo)致左線隧道位于右線隧道沉降槽的影響范圍內(nèi)而存在群洞效應(yīng)。群洞效應(yīng)一方面使左線隧道的沉降繼續(xù)增加，另一方面，使沉降槽曲線峰值不再位于隧道的中心線，而是位于左右兩隧道中間。

既有線沉降

6號線左線隧道軸線沉降及不同施工階段下左線中點沉降對比圖如圖4所示，由圖4(a)可知左線隧道施工完成后沉降槽曲線均呈“V字形”，較地表更加窄而深，待右線隧道施工完成后，由于左右線間土體對上穿6號線隧道起到了一定的支撐作用，限制了右線施工對6號線隧道的影響，因此沉降槽曲線形似“W”。

圖4(b)為不同施工階段下6號線隧道左線中點沉降圖，由圖可知6號線左線底板中點沉降曲線均呈臺階式下降，當(dāng)各施工方案開始施工上層④、⑦、⑩號導(dǎo)洞時沉降急劇增加，造成這種現(xiàn)象的直接原因是不同形狀的洞室對控制土體變形的效果不同。城市地鐵隧道工程一般埋深較淺，初始應(yīng)力場可認為是重力場。對于非圓形隧道，當(dāng)隧道斷面長邊順著初始地應(yīng)力的最大主應(yīng)力方向即重力場方向時，可降低隧道周邊切向應(yīng)力集中現(xiàn)象，進而減小隧道開挖對土層的擾動[3]。因此當(dāng)開挖上層④、⑦、⑩號導(dǎo)洞時擴大了洞室上方土體的橫向影響范圍，顯著削弱了土體抵抗變形的能力，而導(dǎo)洞豎向開挖的橫向影響范圍較小，并且在開挖中層及下層導(dǎo)洞之前，上層導(dǎo)洞的初支已經(jīng)形成，上導(dǎo)洞初支對洞室周圍的土體起到一定保護作用，減小了下層導(dǎo)洞開挖時對土體的擾動作用，因此豎向開挖的方式較橫向開挖可以更好地控制地層變形。

群洞效應(yīng)

為定量研究群洞效應(yīng)影響，可定義群洞影響系數(shù)

式中：r0和r分別為先開挖隧道和后開挖隧道完成施工后同一位置的反應(yīng)。群洞影響系數(shù)ξ反映了后開挖隧道施工引起先開挖隧道的變形或內(nèi)力增量的百分比，ξ越接近0表示后開挖隧道的施工對先開挖隧道的影響越小。

A點為y=5.11 m處17號線左線隧道中線所對應(yīng)的地表點，B點為17號左線和6號左線軸線平面投影的交叉點所對應(yīng)的6號線左線隧道底板點，A點和B點的位置見圖1。則A點和B點在17號線左線和右線隧道施工完成后的沉降值如表2所示，表3為A點和B點的群洞影響系數(shù)。顯然，隨著17號右線隧道的施工，A點和B點的沉降都進一步增加。施工方案1不僅沉降最小，而且群洞影響系數(shù)也最小，而施工方案3先橫向后豎向的導(dǎo)洞開挖方式，在右線施工完成后，A點和B點的沉降比施工方案1分別大17.5%和16.2%。這表明，對于淺埋暗挖大斷面CRD法施工時，采用一側(cè)導(dǎo)洞先開挖，然后進行另一側(cè)導(dǎo)洞施工，減少了每側(cè)導(dǎo)洞開挖時的橫向斷面，使地表沉降小，同時有效降低施工對地層的擾動范圍而有效降低群洞影響系數(shù)，可推薦實際施工時優(yōu)先使用。

結(jié)束語

以北京地鐵17號線東大橋站下穿既有6號線的兩個相鄰隧道施工為研究對象，分析CRD法施工時不同施工方案對地表和既有線沉降的影響。由數(shù)值計算結(jié)果可知：

(1)對于單層雙洞CRD法，導(dǎo)洞先豎向后橫向的開挖順序，使地表和既有線的沉降相對最小，為最優(yōu)方案。而導(dǎo)洞先橫向后豎向的開挖順序引起的沉降最大，因此在多導(dǎo)洞CRD法中應(yīng)優(yōu)先采取導(dǎo)洞先豎向后橫向的開挖方式。

(2)對于近距離相鄰隧道施工時，后開挖隧道的施工會使先開挖隧道的沉降進一步增大，對于多導(dǎo)洞CRD法，采用先豎向后橫向的開挖順序，有效降低施工對地層的擾動范圍而有效降低群洞影響系數(shù)。

文章來源——金屬世界