地下商业街施工技术论文

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1工程概况

根据新乡市总体规划和人防规划的要求，新建新乡市平原路隧道工程沿城市主干道平原路敷设，东起劳动街东侧，西至西华大道与高村路交叉口东侧，道路全长2903m，其中隧道共长2782m，位于地下2层，双向4车道，设计时速40km／h，并建设地下1层商业街1km及相关设施。下穿温州商业街隧道纵断面为＋0.3％、－0.3％的人字坡，新建隧道拱顶距既有商业街底板约2.5m，商业街顶板距平原路路面1.6m，隧道穿越地层主要为粉土夹粉质黏土，褐黄色，湿，中密－密实，摇震反应中等，无光泽反应，低干强度，低韧性，砂粒含量稍高，具锈染，局部夹薄层粉质黏土。平原路隧道工程需下穿既有温州商业街、新乡火车站站房及站场等设施，工程建设环境极其复杂。温州地下商业街位于劳动街至胜利街段，为既有建筑物，该商场基础为筏板基础，主体主要采用钢筋混凝土无梁楼板结构，东西总长610.55m，南北总宽52m，基础埋深约－7.52m，高5.75m，底板厚50cm，边墙30cm，顶板45cm。平原路隧道位于地下2层，双向4车道隧道下穿既有温州商业街610.55m。

2隧道断面形式优化

新乡隧道下穿商业街工程，由于地下1层既有商业街的存在，且商业街610.5m，平行下穿，施工难度很大，所以施工中要严格控制沉降量，保证商业街结构安全，同时又经济合理地确保隧道的安全贯通。主要采用分离式、双连拱和双孔矩形等不同隧道断面形式的隧道方案，模拟计算了不同情况下隧道施工的力学效应。分别就这3种工况进行对比分析，主要包括洞周、商业街基础底板以及地表位移分布的演变规律；隧道初期支护的最大主应力和最小主应力的大小和分布；商业街结构的应力变化规律，通过对上述数据项的总结，结合经济合理的因素，最终确定隧道下穿的最优断面形式。

2.1数值模拟

为了探寻不同施工步骤土体的位移规律，发现施工主要控制点，建立三维有限元模型能较好地模拟隧道开挖。分别对隧道断面采取双连拱隧道、双洞分离式隧道和整体式双孔矩形隧道断面进行数值模拟比较分析。考虑到隧道开挖对围岩初始地应力的影响范围，为减少其影响，模型计算范围的左右边界距隧道中心线距离约为5倍洞径，指定y的正方向为开挖方向，竖直向上为z轴正向，隧道掘进横断面向右方向为x轴正向，隧道计算模型采用ansys建立，模型建好后导入FLAC3D进行计算。初期支护喷射C25混凝土，厚度为30cm，开挖工法采用CRD法，先开挖左侧隧道，右侧隧道开挖晚于左侧12m，超前管棚采用外径159mm，厚15mm，施作管棚工作室，一次性打设120m，管棚内加设钢筋笼并注水泥双液浆，整个加固圈厚度为3m，整个计算模型在x，y，z3个方向上的尺寸为130m×50m×60m，除地表为自由边界外，其他模型边界均施加法向约束，另外在地表x＝－13m和x＝13m范围内施加竖直向下、大小为－20kPa的车辆荷载。

2.2计算结果分析

隧道的超前加固范围主要是拱部180°及商业街底板与隧道顶之间的土柱，它是影响结构变形大小的最重要因素，也对商业街底板沉降和隧道拱顶沉降等位移值有着明显的作用。同时从对比数据中可以看出，超前支护加固土层的方法，比较适用于分离式和双孔矩形隧道，尤其是分离式隧道，加固效果较好，可相对有效地控制和降低变形量的发生；而超前加固土层对于双连拱隧道来说，效果不理想，既有商业街结构底板与隧道顶间的土柱超前加固前、后其结构的变形量相差不大，并且超前加固措施会增加人力物力和财力的投入，从这个角度来看，下穿隧道在双连拱断面形式下进行超前支护的加固措施是值得商榷的。在三者均能满足变形要求的情况下，CRD法施工简单，理论成熟，而双连拱隧道施工断面大，工序多而复杂，相关控制标准多，控制难度大，对地表的影响范围广，地层扰动性大，对工程的投资和对工期的控制十分不利。从这些方面来看，双连拱断面劣势明显，故可放弃该方案。对于在超前支护下施工的分离式断面和双孔矩形断面的比较，主要从隧道开挖所产生的商业街结构应力和隧道初支应力的角度加以筛选，由表4可以看出，在最大主应力和最小主应力上，双孔矩形隧道均小于分离式隧道，且均在结构承受的范围之内，低于混凝土的抗压强度值，可有效防止大应力的产生，确保商业街结构不被破坏和隧道初期支护正常的发挥应有的作用。双孔矩形断面相对于分离式断面来说，开挖面积和地层扰动范围更小，施工简单，更有利于控制工程投资和减小地层的位移，性价比更高。

3双孔矩形隧道施工优化

虽然双孔矩形隧道方案较优，能有效控制地表及既有结构沉降，保证既有结构的安全，但地表下沉和结构的变形量仍相对比较大。就目前来说，国内对隧道下穿工程引起的沉降控制标准尚未统一，大多数工程是根据类似工程的施工经验和相关专家的意见，将地表沉降量的标准定为不大于30mm。在此标准下，双孔矩形隧道施工方案地表沉降量已达到了27.2mm，十分接近30mm的上限值，这就对建筑物的安全产生了巨大的隐患。因此有必要在双孔矩形施工方案的基础上，讨论是否有优化的可能性，以达到降低沉降、控制变形的目的。

3.1方案优化比选

矩形隧道施工方案中，隧道拱顶距地下商业街底板之间约2m土柱，施工过程中该段覆土层中部分区域已达到塑性破坏的状态，力学性能变差，易发生大的变形，故在优化方案中，考虑“去掉”这部分覆土柱，即不再进行大管棚的超前加固，直接将双孔矩形隧道拱顶紧贴商业街底板。另外，在双孔矩形隧道方案中，中间土柱采取超前加固措施，按加固后土层弹性模量提高为原土层的27，3，35倍，即弹性模量为73，81，945MPa3种不同加固参数方案。在上述4种工况下，分析隧道开挖后所引起的拱顶沉降、结构底板沉降和地表沉降量的大小，以评判优化方案及提高土层加固参数的合理性。

3.2小结

1）通过对不同施工方案和不同加固参数下的隧道拱顶沉降、商业街底板沉降和地表沉降的对比分析，无论是从控制隧道变形还是从减小对既有地下商业街和地表建筑物影响的角度来看，优化后的方案都远远优于超前加固方案，不但大幅度降低了因开挖引起的结构物的变形量，避免了不均匀沉降的发生，而且值得注意的是，在优化方案下，无需超前支护等加固措施，节约了工程成本，缩短了施工工期，降低了施工难度。

2）适当提高土层强度，可相对有效地控制隧道变形，降低结构因沉降而引起开裂的可能性，在一定程度上增加了隧道和既有结构的安全性，但当强度提高到一定范围时，隧道和结构等的变形量降低很缓慢，整体上看差距几乎可以忽略不计。并且过大的提高计算时的加固参数，其土层预计的强度在实际施工中也是很难达到的。所以，就本工程来讲，为良好地控制变形，仅依靠超前加固措施提高土层强度，是不可行的。

3）隧道与地下商业街紧贴施工，隧道拱顶上方是商业街混凝土底板，力学性能好，弹性模量高，隧道是在上部有混凝土底板的情况下开挖；隧道与商业街留有2m的土柱时，隧道是在上部存有覆土的情况下开挖，土层土质软，力学性能差，弹性模量低，即使在施作大管棚超前支护的情况下，虽然会提高土层性能，但是由于注浆的局限性，无法达到完全密实的注浆效果，该区域内土体很难连接成一个整体，因此注浆后土层的力学性能较混凝土底板来说仍有较大差距；当初始地应力平衡后，由于隧道开挖，地应力发生变化，在变化过程中，相同的受力状态下，弹性模量高的会比弹性模量低的应变小，混凝土底板的变形量肯定会明显小于质地较软的中间覆土层。

4结论与建议

结合新乡市平原路隧道下穿地下1层61055m既有商业街这一工程实例，通过数值计算及相关类似工程调研，得到了合理的施工方案，充分保证了既有结构的安全，研究得到以下结论：

1）新乡市平原路隧道大距离、大跨度下穿61055m既有商业街工程，国内尚属首例，研究的必要性至关重要。

2）根据本工程案例的实际情况，对比分离式隧道、双连拱隧道和双孔矩形隧道3种施工方案，双孔矩形断面相对于分离式断面和双连拱断面，开挖面积和地层扰动范围更小，施工简单，更有利于控制工程投资和减小地层的位移，最终确定施工方案是采用双孔矩形横断面，CRD法施工，并在隧道拱腰以上周围3m的部位，施作超前支护用来加固原地层。

3）针对双孔矩形隧道施工方案施工变形量与控制标准上限较为接近、工程安全系数低等问题，提出优化方案，优化内容包括：①将双孔矩形隧道与地下商业街紧贴，充分利用商业街作用，控制沉降量，减小对地表的扰动性，提高建筑物的安全度；②施工中应注重加固参数的选取，在适当的范围内对相应土层进行加固，当设计参数达到原有土层强度的3～4倍时，不但施工中难以实现，而且加固控制变形的效果不再明显。

4）本工程零距离平行下穿既有建筑物（610.55m）尚处于研究阶段，后续还需通过工程实践加以验证。

5）通过本工程的实践，也为其他类似工程设计提供了一定的借鉴，在中、细砂不良软弱地层，沉降控制严格的工程，必须采取多方案数值模拟与实践相结合，主动采取相应的措施来保证工程安全、顺利完成。

作者:谢勇涛单位:中铁第五勘察设计院集团有限公司