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摘要：为提高城市空间利用率，近年来城市地下商业街广泛兴建。地下街一般位于闹市，无法采用明挖施工，大多具有地层软弱、埋深浅、结构跨度大、周边环境复杂、邻近结构众多的特点[1]~[2]，严格控制地层变形，尤其是地表沉降是设计施工的重难点。某地下商业街工程位于闹市区，采用箱体结构，跨度长达14m，最小埋深仅4m，在垂直下穿埋设有大量地下管线的城市主干道的同时，上跨两孔地铁区间隧道，地下街底板与地铁隧道顶部最小净距仅为0.3m，地层变形控制要求极为严格。本文针对以上特点，通过优化设计和施工方案并通过数值模拟，预测地层变形以验证方案的合理性，总结出一套软土小间距隧道地层变形控制技术。
关键词：地层变形控制浅埋暗挖小净距地下街数值模拟
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某大型地下商业街位于市区一条主干道下地铁车站旁，上跨两孔地铁区间隧道（地铁隧道洞径6.8m），地下街底板与地铁隧道顶部最小净距仅为0.3m。地下街南北走向，纵向长度78.5m，由北向南坡度分别为8.7%、0、-8.7%，结构断面拟定为单层两跨矩形框架结构，断面宽×高=14.0m×8.2m。
场地内分布地层自上而下为：人工填土层（Q4ml）、第四系沼泽相沉积层（Q4h）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）和第四系残积层（Q4el），下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩（γ53）。地下街结构主要穿越的地层为有机质砂砾层、冲洪积砾砂层和含粘性土砾砂层及残积砂质粉质粘土层。场地主要含水层为有机质砾砂及冲洪积砾砂层、含粘性土砾砂层，渗透性能较好，为富水、强透水地层。
设计方案优化
由于本地下街下穿城市主干道，交通繁忙，且路面下埋设有大量城市地下管线，不具备明挖或盖挖法施工的条件，设计采用浅埋暗挖法。为确保开挖洞室的稳定，有效控制地层变形，经工程类比[3]~[5]及专家评审，设计采用大管棚超前支护和小导管注浆加固地层相结合的方案。经现场试验，主要设计参数如下：
超前支护设计
大管棚能使钢管与围岩一体化，增加管棚四周围岩的抗剪强度，形成由管棚-围岩棚架体系，具有梁效应和加强效应；掌子面前方采用超前小导管注浆后，可在开挖工作面前方顶部形成一个壳体保护拱，达到加固地层的目的，并可兼作超前锚杆使用，与管棚支护配合使用，对防止软弱围岩大变形效果显著。预支护设计参数如下：
管棚规格：φ159mm热轧无缝钢管，壁厚7mm，节长6m。
小导管规格：φ42mm热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，长3.5m。
管孔布置：管棚在结构断面顶部和边墙单排布设，环向间距350mm，管棚钢管中心距初期支护外缘线350mm。小导管与管棚钢管间隔布置，环向间距350mm，小导管中心距初期支护外缘线175mm。二者布置如图1所示。
管棚长度：由于地下街纵向长度达78.5m，且两端设下坡排水，管棚无法一次施工完成。故管棚从竖井由北向南单向施作，分三个循环完成，两循环交接处设扩大结构，作为管棚室。管棚每循环长度分别为：第一环28.5m、第二环29.5m、第三环25.0m，每环搭接长度不于1.5m。管棚布置如图2所示。
管棚施工要求：仰角第一環为8.5°，第二环为3.5°，第三环为-3.5°。管棚施工误差：水平方向控制在L/600以内，垂直方向控制在L/200以内（L为单向管棚打设长度）。管棚内压注M30水泥砂浆，注浆压力控制在0.2MPa。
小导管施工要求：打设仰角为5~7°，导管搭接长度应不小于1.5m。管内注水泥-水玻璃双浆液。
图1大管棚和小导管布置示意图
图2地下街大管棚纵向示意图
图3地下街支护结构示意图
地下街支护设计
地下街采用临时钢架与复合式衬砌相结合的支护方式，支护体系如图3所示。
初期支护为四肢格栅钢架，全环封闭。分部开挖时，各导洞上下台阶拱脚处分别设两根φ42mm锁脚锚管，长3.0m。各导洞格栅配合工25型钢临时竖撑、工16型钢临时仰拱及时封闭成环，节点处采用钢板焊接。临时竖撑、仰拱分别采用300mm厚、200mm厚C25网喷混凝土覆盖。格栅与临时支护纵向间距均为0.5m。
施工方案优化
经各方案对比优化[6]~[8]，最终选择的施工方案为：前期在隧道顶部和边墙施作大管棚和小导管注浆作为超前支护和预加固，开挖断面分4个导洞（依次编号为A、B、C、D）、上下台共阶8个洞室进行开挖，相邻导洞前后错开开挖，每个导洞采用短进尺、环形开挖预留核心土法施工，开挖后及时施作初期支护和临时仰拱形成封闭框架，最后浇注二次衬砌。
地下街隧道施工工序如下：
（1）施作大管棚预支护和进行小导管注浆加固地层，检验达到设计效果后再开挖。
（2）B导洞超前，D导洞滞后10m，短台阶预留核心土环形开挖，循环进尺严格控制在0.5m以内，并及时施作初支及临时支护（见图4）。
（3）A导洞滞后D导洞10m，C导洞滞后A导洞10m，短台阶预留核心土环形开挖，初支尽快封闭成环。
（4）浇筑B导洞底梁底板、中柱及顶梁顶板，D导洞滞后B导洞10m，浇筑导洞底板、边墙顶板（图5）。
（5）A、C导洞前后错开10m，浇筑底板、顶板。
（6）铺筑地下街地面、沟槽等。
各导洞边墙、顶板在二衬拆模后需要及时回撑，回撑采用工25型钢，纵向间距1.5m，根据监测信息，若位移过大或出现不稳定信息时，可适当调整各导洞中竖撑的纵向间距。
上跨地铁隧道段地下街下导洞开挖前，对地铁隧道结构与地下街底部空隙处注水泥浆加固，浆体达到设计强度后方可开挖下导洞。
图4B、D导洞开挖示意图图5B、D导洞二次衬砌施作示意图
地层变形预测
控制指标与模型
根据地下街结构设计和施工优化后的方案，应用有限差分软件FLAC3D模拟该段地下街施工的全过程，包括超前支护、分部开挖、支护架设等共18个施工步骤，对施工期间地层变形和地面沉降进行预测。
地层变形主要控制指标[9]为：
（1）地面下沉不大于30mm；
（2）结构拱顶下沉不大于30mm，底板隆起不大于30mm。
模型尺寸：地下街横断面左右两侧（y方向）各取35m，地下街纵向（x方向）取60m，地下街底板竖直向下（z方向）取40m，向上取至地表（12.1m）。在三维模型中，地铁左右线隧道中线断面分别为x=±6.5面，地下街中心纵断面为y=0面（图6）。地下街模拟开挖为从左线地铁端开始。
图6 计算模型
地表沉降
计算表明，地下街开挖支护完成后，地面最大沉降量为15.7mm，满足控制指标。最大沉降发生在地表x=±13，y=0.7m处，即横向在地下街中柱近大跨端附近、纵向在地铁隧道结构两侧的地表。
地下街位移预测
图7和图8分别为地下街横向位移矢量图和纵向位移矢量图。
图7 左线地铁隧道中线断面（x=-6.5）位移矢量图 图8地下街结构跨中断面（y=0）位移矢量图
图9地下街顶板下沉纵向分布图10地下街顶板下沉横向分布
图11地下街底板隆起纵向分布图12地下街底板隆起横向分布
图9、图10分别是地下街顶板下沉纵向及横向分布图。由图可知，结构顶板最大沉降量为20.4mm，满足要求。最大沉降纵向发生在x=15m附近（即地下街开挖通过地铁隧道约1倍洞径处），横向发生在上跨结构立柱大跨侧。结构顶板最大沉降发生位置与地表最大沉降出现位置较吻合。
图11、图12分别为地下街底板隆起纵向及横向分布图。由图可知，结构底板最大隆起量为27.2mm，满足要求。最大隆起发生位置纵向及横向上与结构顶板下沉基本一致。
从地下街纵向的顶板下沉、底板隆起变化趋势分析，地铁隧道对上跨结构变形的影响范围约为地铁隧道两侧各1.5倍洞径。
地铁隧道拱顶变形
图13为地铁隧道拱顶隆起量分布图，最大隆起量为1.48mm，发生在上跨地下街横断面跨中位置，总体位移较小，在地下街横断面范围内（-7m
图13地铁隧道拱顶变形分布
图14围岩塑性区分布
地下街修建后塑性区分布
已有的地铁隧道施工完成后，隧道周边地层内已形成一定范围的塑性区。上跨地下街施工过程中进一步扰动隧道围岩，在地下街与隧道交叉处隧道围岩塑性区进一步扩大。计算表明：地下街施工完成后，左右线地铁隧道上部塑性区连通，但隧道底部塑性区范围不大（图14）。因此，地下街下导洞开挖前，对下部地铁隧道拱顶范围进行补浆加固是必要的。
结论
（1）采用大管棚和小导管注浆加固的超前支护措施，对软弱地层大跨度地下街施工中控制地层变形效果显著。
（2）對于城市软弱地层大跨度隧道施工，采用多导洞分部开挖，导洞洞径宜控制在3~4m，各导洞宜采用上下台阶预留核心土开挖，循环进尺宜控制在0.5m左右，并配合临时竖撑、临时仰拱支撑体系、拆模后加设回撑，多措施综合运用，是减小地层变形、确保隧道安全施工的有效手段。
（3）浅埋暗挖上跨既有地铁隧道的大跨结构施工，在地铁隧道两侧约1.5倍洞径范围，二者相互影响明显，地层变形与结构位移较大，结构最大沉降及隆起量均超过20mm，施工该段落时应严格控制开挖进尺、及时支护并加强隧道变形监测。
（4）上跨既有地铁隧道时，地铁隧道拱部范围的结构与地层为薄弱区，施工上跨结构前应对该区域进行加固处理。
参考文献
段东旭．大跨度地下通道的浅埋暗挖法施工[J]．铁道建筑，2008.
谢大鹏．浅埋暗挖隧道开挖变形规律的探讨[J]．城市轨道交通研究，2008.
张悦．地铁新线穿越既有地铁车站的设计与施工[J]．广州建筑，2005
都海江．超浅埋暗挖过街地下通道的设计与施工[J]．石家庄铁道学院学报，1995.
章劲松等．超浅埋暗挖大跨度隧道过饱和富水砂层开挖与支护[J]．公路交通科技.
程芳卉，陈寿根，王建新．浅埋暗挖近接隧道施工技术研究[J]．四川建筑，2009.
杨其新，王明年．地下工程施工与管理[M]．成都：西南交通大学出版社，2005.
崔玖江．隧道与地下工程修建技术[M]．北京：科学出版社，2005.
杨虹．穿越既有线超浅埋暗挖通道的质量监控[J]．铁道工程学报，2005.
作者简介：程芳卉（1986－），男，湖北咸宁人，硕士，主要从事隧道及地下工程设计工作。
关键词：地层变形控制浅埋暗挖小净距地下街数值模拟
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
工程概况
某大型地下商业街位于市区一条主干道下地铁车站旁，上跨两孔地铁区间隧道（地铁隧道洞径6.8m），地下街底板与地铁隧道顶部最小净距仅为0.3m。地下街南北走向，纵向长度78.5m，由北向南坡度分别为8.7%、0、-8.7%，结构断面拟定为单层两跨矩形框架结构，断面宽×高=14.0m×8.2m。
场地内分布地层自上而下为：人工填土层（Q4ml）、第四系沼泽相沉积层（Q4h）、第四系冲洪积层（Q4al+pl）和第四系残积层（Q4el），下伏基岩为燕山期粗粒花岗岩（γ53）。地下街结构主要穿越的地层为有机质砂砾层、冲洪积砾砂层和含粘性土砾砂层及残积砂质粉质粘土层。场地主要含水层为有机质砾砂及冲洪积砾砂层、含粘性土砾砂层，渗透性能较好，为富水、强透水地层。
设计方案优化
由于本地下街下穿城市主干道，交通繁忙，且路面下埋设有大量城市地下管线，不具备明挖或盖挖法施工的条件，设计采用浅埋暗挖法。为确保开挖洞室的稳定，有效控制地层变形，经工程类比[3]~[5]及专家评审，设计采用大管棚超前支护和小导管注浆加固地层相结合的方案。经现场试验，主要设计参数如下：
超前支护设计
大管棚能使钢管与围岩一体化，增加管棚四周围岩的抗剪强度，形成由管棚-围岩棚架体系，具有梁效应和加强效应；掌子面前方采用超前小导管注浆后，可在开挖工作面前方顶部形成一个壳体保护拱，达到加固地层的目的，并可兼作超前锚杆使用，与管棚支护配合使用，对防止软弱围岩大变形效果显著。预支护设计参数如下：
管棚规格：φ159mm热轧无缝钢管，壁厚7mm，节长6m。
小导管规格：φ42mm热轧无缝钢管，壁厚3.5mm，长3.5m。
管孔布置：管棚在结构断面顶部和边墙单排布设，环向间距350mm，管棚钢管中心距初期支护外缘线350mm。小导管与管棚钢管间隔布置，环向间距350mm，小导管中心距初期支护外缘线175mm。二者布置如图1所示。
管棚长度：由于地下街纵向长度达78.5m，且两端设下坡排水，管棚无法一次施工完成。故管棚从竖井由北向南单向施作，分三个循环完成，两循环交接处设扩大结构，作为管棚室。管棚每循环长度分别为：第一环28.5m、第二环29.5m、第三环25.0m，每环搭接长度不于1.5m。管棚布置如图2所示。
管棚施工要求：仰角第一環为8.5°，第二环为3.5°，第三环为-3.5°。管棚施工误差：水平方向控制在L/600以内，垂直方向控制在L/200以内（L为单向管棚打设长度）。管棚内压注M30水泥砂浆，注浆压力控制在0.2MPa。
小导管施工要求：打设仰角为5~7°，导管搭接长度应不小于1.5m。管内注水泥-水玻璃双浆液。
图1大管棚和小导管布置示意图
图2地下街大管棚纵向示意图
图3地下街支护结构示意图
地下街支护设计
地下街采用临时钢架与复合式衬砌相结合的支护方式，支护体系如图3所示。
初期支护为四肢格栅钢架，全环封闭。分部开挖时，各导洞上下台阶拱脚处分别设两根φ42mm锁脚锚管，长3.0m。各导洞格栅配合工25型钢临时竖撑、工16型钢临时仰拱及时封闭成环，节点处采用钢板焊接。临时竖撑、仰拱分别采用300mm厚、200mm厚C25网喷混凝土覆盖。格栅与临时支护纵向间距均为0.5m。
施工方案优化
经各方案对比优化[6]~[8]，最终选择的施工方案为：前期在隧道顶部和边墙施作大管棚和小导管注浆作为超前支护和预加固，开挖断面分4个导洞（依次编号为A、B、C、D）、上下台共阶8个洞室进行开挖，相邻导洞前后错开开挖，每个导洞采用短进尺、环形开挖预留核心土法施工，开挖后及时施作初期支护和临时仰拱形成封闭框架，最后浇注二次衬砌。
地下街隧道施工工序如下：
（1）施作大管棚预支护和进行小导管注浆加固地层，检验达到设计效果后再开挖。
（2）B导洞超前，D导洞滞后10m，短台阶预留核心土环形开挖，循环进尺严格控制在0.5m以内，并及时施作初支及临时支护（见图4）。
（3）A导洞滞后D导洞10m，C导洞滞后A导洞10m，短台阶预留核心土环形开挖，初支尽快封闭成环。
（4）浇筑B导洞底梁底板、中柱及顶梁顶板，D导洞滞后B导洞10m，浇筑导洞底板、边墙顶板（图5）。
（5）A、C导洞前后错开10m，浇筑底板、顶板。
（6）铺筑地下街地面、沟槽等。
各导洞边墙、顶板在二衬拆模后需要及时回撑，回撑采用工25型钢，纵向间距1.5m，根据监测信息，若位移过大或出现不稳定信息时，可适当调整各导洞中竖撑的纵向间距。
上跨地铁隧道段地下街下导洞开挖前，对地铁隧道结构与地下街底部空隙处注水泥浆加固，浆体达到设计强度后方可开挖下导洞。
图4B、D导洞开挖示意图图5B、D导洞二次衬砌施作示意图
地层变形预测
控制指标与模型
根据地下街结构设计和施工优化后的方案，应用有限差分软件FLAC3D模拟该段地下街施工的全过程，包括超前支护、分部开挖、支护架设等共18个施工步骤，对施工期间地层变形和地面沉降进行预测。
地层变形主要控制指标[9]为：
（1）地面下沉不大于30mm；
（2）结构拱顶下沉不大于30mm，底板隆起不大于30mm。
模型尺寸：地下街横断面左右两侧（y方向）各取35m，地下街纵向（x方向）取60m，地下街底板竖直向下（z方向）取40m，向上取至地表（12.1m）。在三维模型中，地铁左右线隧道中线断面分别为x=±6.5面，地下街中心纵断面为y=0面（图6）。地下街模拟开挖为从左线地铁端开始。
图6 计算模型
地表沉降
计算表明，地下街开挖支护完成后，地面最大沉降量为15.7mm，满足控制指标。最大沉降发生在地表x=±13，y=0.7m处，即横向在地下街中柱近大跨端附近、纵向在地铁隧道结构两侧的地表。
地下街位移预测
图7和图8分别为地下街横向位移矢量图和纵向位移矢量图。
图7 左线地铁隧道中线断面（x=-6.5）位移矢量图 图8地下街结构跨中断面（y=0）位移矢量图
图9地下街顶板下沉纵向分布图10地下街顶板下沉横向分布
图11地下街底板隆起纵向分布图12地下街底板隆起横向分布
图9、图10分别是地下街顶板下沉纵向及横向分布图。由图可知，结构顶板最大沉降量为20.4mm，满足要求。最大沉降纵向发生在x=15m附近（即地下街开挖通过地铁隧道约1倍洞径处），横向发生在上跨结构立柱大跨侧。结构顶板最大沉降发生位置与地表最大沉降出现位置较吻合。
图11、图12分别为地下街底板隆起纵向及横向分布图。由图可知，结构底板最大隆起量为27.2mm，满足要求。最大隆起发生位置纵向及横向上与结构顶板下沉基本一致。
从地下街纵向的顶板下沉、底板隆起变化趋势分析，地铁隧道对上跨结构变形的影响范围约为地铁隧道两侧各1.5倍洞径。
地铁隧道拱顶变形
图13为地铁隧道拱顶隆起量分布图，最大隆起量为1.48mm，发生在上跨地下街横断面跨中位置，总体位移较小，在地下街横断面范围内（-7m
图13地铁隧道拱顶变形分布
图14围岩塑性区分布
地下街修建后塑性区分布
已有的地铁隧道施工完成后，隧道周边地层内已形成一定范围的塑性区。上跨地下街施工过程中进一步扰动隧道围岩，在地下街与隧道交叉处隧道围岩塑性区进一步扩大。计算表明：地下街施工完成后，左右线地铁隧道上部塑性区连通，但隧道底部塑性区范围不大（图14）。因此，地下街下导洞开挖前，对下部地铁隧道拱顶范围进行补浆加固是必要的。
结论
（1）采用大管棚和小导管注浆加固的超前支护措施，对软弱地层大跨度地下街施工中控制地层变形效果显著。
（2）對于城市软弱地层大跨度隧道施工，采用多导洞分部开挖，导洞洞径宜控制在3~4m，各导洞宜采用上下台阶预留核心土开挖，循环进尺宜控制在0.5m左右，并配合临时竖撑、临时仰拱支撑体系、拆模后加设回撑，多措施综合运用，是减小地层变形、确保隧道安全施工的有效手段。
（3）浅埋暗挖上跨既有地铁隧道的大跨结构施工，在地铁隧道两侧约1.5倍洞径范围，二者相互影响明显，地层变形与结构位移较大，结构最大沉降及隆起量均超过20mm，施工该段落时应严格控制开挖进尺、及时支护并加强隧道变形监测。
（4）上跨既有地铁隧道时，地铁隧道拱部范围的结构与地层为薄弱区，施工上跨结构前应对该区域进行加固处理。
参考文献
段东旭．大跨度地下通道的浅埋暗挖法施工[J]．铁道建筑，2008.
谢大鹏．浅埋暗挖隧道开挖变形规律的探讨[J]．城市轨道交通研究，2008.
张悦．地铁新线穿越既有地铁车站的设计与施工[J]．广州建筑，2005
都海江．超浅埋暗挖过街地下通道的设计与施工[J]．石家庄铁道学院学报，1995.
章劲松等．超浅埋暗挖大跨度隧道过饱和富水砂层开挖与支护[J]．公路交通科技.
程芳卉，陈寿根，王建新．浅埋暗挖近接隧道施工技术研究[J]．四川建筑，2009.
杨其新，王明年．地下工程施工与管理[M]．成都：西南交通大学出版社，2005.
崔玖江．隧道与地下工程修建技术[M]．北京：科学出版社，2005.
杨虹．穿越既有线超浅埋暗挖通道的质量监控[J]．铁道工程学报，2005.
作者简介：程芳卉（1986－），男，湖北咸宁人，硕士，主要从事隧道及地下工程设计工作。