地道近距离穿越地铁隧道的设计研究

黄中磊，吴 玥

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 河西 300200；2.河南省郑州新区建设投资有限公司，河南 郑州 450018)

1 背 景

随着中国经济的快速发展，各大城市人口密度也迅速的增加，交通工具也越来越多，为了更好的解决城市的交通问题，开发地下空间成为一个热门的解决方案，开发地下空间的施工工法有多种，管幕法作为一种较新型的支护方法，在目前穿越道路、桥梁、地铁、机场、大型构筑物等工程中，取得了一定的应用。

同时，随着我国各大城市轨道交通的迅猛发展，越来越多的构筑物需要在地铁区间附近施工，周围构筑物的施工会改变地铁区间隧道或车站本身的受力状态。从而对结构不利的影响。

本文依托郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程六个连接通道项目，结合管幕工法的施工优点，创造性的采用管幕+顶进的施工工艺，并对管幕和抗拔桩进行设计组合，通过一系列的设计优化使离地铁垂直距离最近的4号通道(通道底板下管幕底底离地铁管片垂直距离2.3 m)顺利顶进穿过地铁隧道上方。并且控制地铁变形在相关规范允许范围内。

2 工程概况

郑州综合交通枢纽东部核心区地下空间综合利用工程项目位于郑东新区东南部。地块长约950 m，宽约1 000 m。工程西接东站东广场，东连规划360 m塔楼、莲湖景区；地铁一号线贯穿通过，并设博学路站。地面道路、地下环路环绕主体，形成立体交通网络。107辅道横跨南北，贯通CBD商务区、新郑机场。

本项目包括地上部分和地下部分，地上部分为人行步道桥、景观公园、附属设施和公共服务设备用房；地下部分为地下一层附属设施，地下二、三层地下车库。工程占地总面积大，投资额度高，其中穿越地铁1号线的六个连接通道是整个项目的设计、施工难点。

图1 地下空间项目效果图

本次连接通道部分由六个人行通道组成。通道沿南北走向，并跨越郑州地铁1号线，其中1～4号连接通道跨越郑州东站～博学路站区间，5～6号连接通道跨越博学路站～市体育中心站区间，均处于地铁保护限界之内。

3 管幕+顶进工艺的设计优化

综合考虑国内外临近地铁的通道的设计、施工方法，考虑到垂直方向上与地铁的近距离关系，本次设计，的采用连接通道顶进基坑采用钻孔桩+冠梁锁扣围护形式。为防止因连接通道施工导致地铁隧道隆起变形，设计采用Φ800@1 500抗拔桩+Φ1 200@1 500管幕+注浆门式加固措施，其中抗拔桩距离地铁隧道边最小距离5.1 m，管幕距离地铁隧道边最小距离2.1 m，最大距离5.03 m。顶管基坑施工期间和顶管顶进期间必须对地连墙墙顶水平位移进行监测，监测频率不小于1次/d。根据计算结果，1、2号通道顶进力不得大于800 KN/m，地连墙墙顶水平位移不得大于10 mm； 3号通道顶进力不得大于800 KN/m，地连墙墙顶水平位移不得大于20 mm；4号通道顶进力不得大于500 KN/m，地连墙墙顶水平位移不得大于24 mm；5号通道顶进力不得大于500 KN/m，地连墙墙顶水平位移不得大于20 mm；6号通道顶进力不得大于700 KN/m，地连墙墙顶水平位移不得大于20 mm。

图2 箱体顶进及管幕立面、横断面图

4 管幕和抗拔桩连接的优化设计

对于本项目来说，在地铁区间隧道或区间车站进行新的构筑物施工前，施工工作坑的支护构件，工作坑的支护构件可为钢板桩，钻孔灌注桩等支护构件形式，确定抗拔桩位，在所述抗拔桩位处依靠回旋机将钢护筒下放至设计高，所述钢护筒直径要略大与抗拔桩外径。抗拔桩要浇注至管幕下1 m以上，顶进管幕，管幕顶进至钢护筒处，钢护筒需切除并提升至地面，在管幕及抗拔桩交汇处切割管幕操作孔，截断管幕以上钢筋并清理桩顶，随后继续顶进管幕。管幕间依靠工字钢但不局限于工字钢作为锁扣连接，抗拔桩与管幕交接处需二次浇注混凝土，保证抗拔桩与管幕的连接，上述管幕内灌注和抗拔桩同标号的混凝土，待管幕和抗拔桩施工完毕后施工地铁上方构筑物即可。

图3 管幕和抗拔桩的优化设计

5 通道对即有区间隧道的影响预测

常规基坑支护采用规范推荐的弹性地基梁法，仅用于分析基坑本身变形和安全。考虑到周边地铁隧道和车站的安全，需要采用连续介质有限元法进行分析。最终采用的是plaxis 3d三维分析软件，对基坑全过程的模拟分析。

5.1 结构参数

基坑地连墙、围护桩、地铁站结构、隧道的结构用板单元来模拟，基坑的水平支撑简化为板单元模拟，均采用弹性模型，地铁隧道板单元的弹性模量取值考虑了隧道管片间的连接作用，轴向刚度折减了25%，横向折减了75%。

表1 各结构参数表

5.2 数值分析模型

本项目共有6个连接通道，分别为1号～6号通道。其中1号和2号通道连接AC基坑，3号～6号基坑连接BD基坑。针对这6个连通道，建立了6个小模型，以研究其建造过程对其下的地铁隧道的影响。

模型的建立以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴，竖直方向为Z轴，网格划分采用10节点四面体单元，每个模型生成的节点数约53 000个，单元数约40 000个。连通道采用预制箱涵、带土顶进工艺实施，在预制箱涵与区间隧道之间利用直径1 200顶管设置U形隔离保护层，同时在区间隧道中间及两侧打隔离桩(后续可作为连通道的抗拔桩)，U形隔离保护层与隔离桩、两侧基坑围护结构连接。

隔离保护层和隔离桩均按照刚度等效的原则，简化为板单元模拟，1号通道的建立的模型如图4、图5。

图4 1号连通道模型示意图(整体)

图5 1号连通道模型示意图(网格)

5.3 数值分析模型

计算中按实际施工顺序模拟各个连接连通道施工过程，具体模拟步骤为:连通道两端明挖工作井基坑围护结构施作一工作井基坑开挖一隔离桩及管幕施作一预制箱涵顶进一箱涵内土体清除。由于四号、五号通道竖直方向离地铁仅有2.1 m，现以四号五号通道计算结果为例。经计算4号连通道两端明挖工作井基坑开挖后，基坑底部最大隆起约18 mm，由于4、5号通道尺寸较小，本无位移产生两端工作井基坑开挖施工对隧道基本无影响，隧道结构竖向和水平方向基本无位移产生。

隔离桩及管幕施作完成后，隧道结构产生下沉，竖向位移值-1.2～-2.5 mm，水平方向基本无位移产生。

通道箱涵施工完成后，由于土体的卸载，箱涵及隧道结构整体呈现上浮趋势，其中隧道结构最终竖向位移值为0.9～1.6 mm，最大水平位移值0.43 mm。隧道结构最大收敛值0.61 mm。箱涵结构上浮0～2 mm。

图6 隔离桩及管幕施作后地层位移云图

图7 隔离桩及管幕施作后管片竖向位移云图

图8 通道箱涵施工完成后地层位移云图

图9 通道箱涵施工完成后管片竖向位移云图

4、5号连通道施工全过程中，不同部位施工引起的隧道变形情况不尽相同，隧道竖向位移呈现上下波动。明挖工作井围护施作完成后，隧道呈下沉趋势，最大下沉量约2.2 mm;工作井基坑开挖完成后，隧道产生上浮，竖向位移最大值变为-0.03 mm;隔离桩及管幕施作完成后，隧道又出现下沉，竖向位移值变为-1.2～-2.6 mm;通道箱涵施工完成后，隧道再次产生上浮，最终竖向位移值为0.9～1.6 mm。整个过程中水平方向基本无位移产生，最大水平位移值0.43 mm。隧道结构最大收敛值0.61 mm。

6 结 论

(1)本项目开工前，新博区间上方存在大量堆土，在既有堆土作用下，隧道己产生很大的下沉，且管片结构己产生较大变形。施工以来的堆土清除必然会引起隧道结构会有所回弹，且回弹有一定滞后性。1～6号连通道施工会引起隧道产生额外的隆起，但隆起值较小。

(2)根据隧道轮廓扫描结果及管片病害调查并结合结构计算判断，目前隧道管片变形小，安全阀值等均在可控范围内。

(3)通过对管幕+顶进施工工艺的设计优化，保证在通道顶进过程中地铁结构的安全及稳定，通过管幕与抗拔桩的连接，为同类型地道近距离穿越地铁隧道提供技术借鉴。