富水地層重疊隧道施工結(jié)構(gòu)及地層變形分析

劉 鵬，劉 維

(1．中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳 518052;2．浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，杭州 310058)

0 引言

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，城市地下軌道交通建設(shè)對城市地下空間的開發(fā)利用提出了新的要求。城市地下軌道交通建設(shè)以隧道建設(shè)為主。伴隨著地下交通的不斷擴張，隧道布置形式呈現(xiàn)多樣化的趨勢。受施工條件的制約，同時為了節(jié)約地下空間，重疊隧道在設(shè)計中被廣泛采用。目前國內(nèi)外學(xué)者對重疊隧道的研究獲得了一定成果。章慧健等［1］研究了重疊隧道施工中，后挖隧道對先建隧道的縱向影響，提出了在先建隧道中設(shè)置臨時壓重控制隧道變形。陳先國等［2］通過研究重疊隧道的布置形式，揭示了不同開挖順序及支護方式下的地表和拱頂下沉規(guī)律。張成平等［3］在重疊隧道監(jiān)測研究基礎(chǔ)上提出在該類圍巖條件下施工淺埋暗挖重疊隧道控制地層變形的技術(shù)措施，亦有學(xué)者從施工技術(shù)角度對重疊隧道進(jìn)行研究［4-6］。基于不排水假設(shè)，有研究采用數(shù)值方法對暗挖隧道地層和隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析［7-12］。考慮到隧道建設(shè)中的排水滲流效應(yīng)，吳波等［13］采用數(shù)值方法研究了隧道開挖與失水引起的地層沉降。黃俊等［14］通過對深圳地鐵一期工程的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)地表沉降大于土體沉降的現(xiàn)象，并明確地下水滲流是主要原因。可以發(fā)現(xiàn)，以上文獻(xiàn)只對重疊隧道的開挖、施工等技術(shù)做了單一探討，而對重疊、富水、斷面形式變化多的城市暗挖隧道施工的隧道結(jié)構(gòu)和地層變形研究較少。本文以深圳地鐵5號線太安站至怡景站區(qū)間暗挖重疊隧道工程為背景，通過對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，研究重疊隧道富水地層施工過程中地層和隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，以期為類似工程的施工設(shè)計提供參考。

1 工程概況

深圳地鐵5號線太怡區(qū)間5307標(biāo)段包含5號線和7號線接入段，均為礦山法施工的暗挖區(qū)間隧道，其中5號線由2#豎井往太安站方向與7號線接入段設(shè)置為上下重疊隧道。重疊段隧道左線長175 m，右線長232 m，5號線在上，7號線在下，平面位置關(guān)系如圖1所示。重疊段隧道5號線為單洞雙線雙聯(lián)拱隧道，7號線為雙洞雙線隧道，典型斷面形式如圖2所示。隧道埋深為17．2～25．1 m，上部覆蓋土層主要為回填土(厚3～5 m)、砂質(zhì)黏土(厚約4 m)、粉質(zhì)黏土(厚2～12 m)和混合巖(厚約8 m)。重疊隧道7號線主要位于富水強風(fēng)化巖層，5號線位于粉質(zhì)黏土及全風(fēng)化巖中，圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

重疊隧道5號線和7號線上下凈距平均為1m，最小處為0．9 m。7號線左右凈距3．0～7．8 m，隧道斷面寬為6．4m，高為6．56m，開挖面積為34．6m2。5 號線隧道斷面寬為13．4 m，高為7．45 m，開挖面積為87．2 m2。7號線初期支護為錨噴網(wǎng)，厚0．25 m;輔助措施為單層超前小導(dǎo)管注雙液漿，拱部土體徑向注漿加固;二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，厚0．35 m。5號線初期支護為錨噴網(wǎng)，厚0．3 m;輔助措施為雙層超前小導(dǎo)管注雙液漿，拱部土體徑向注漿加固;二次襯砌為模筑鋼筋混凝土，厚0．5 m。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

隧道開挖過程中，控制周邊土體產(chǎn)生變形是該區(qū)段施工的重點。眾多重疊隧道工程施工經(jīng)驗及研究均表明，重疊隧道施工時，采用先開挖下洞后開挖上洞的施工順序能有效地控制地層變形［4-6］。該工程實際施工中采用“先下后上”的施工順序。下洞7號線采用臺階法施工，上臺階長為3～5 m，如圖3所示。上洞5號線采用中導(dǎo)洞法施工，如圖4所示。開挖中導(dǎo)洞之前，導(dǎo)洞頂部打設(shè)3 m超前小導(dǎo)管;開挖中導(dǎo)洞區(qū)域后，修筑中墻并打設(shè)左線上臺階超前小導(dǎo)管，注漿后分別開挖左線上下臺階;完成左線初期支護后，于右線上臺階頂部打設(shè)超前小導(dǎo)管，注漿后分別開挖右線上下臺階;完成右線初期支護后，拆除中導(dǎo)洞并施作二次襯砌。下洞全部貫通后進(jìn)行上洞施工會大幅降低施工效率，且不能顯著地控制地層變形。實際施工中，采取上洞掌子面落后于下洞掌子面25 m步距的上下洞同時施工方案，既能較好地控制地層變形，又能提高施工效率。

圖3 下洞7號線施工示意圖Fig．3 Construction of lower tunnel of No．7 Metro line

圖4 上洞5號線施工示意圖Fig．4 Construction of upper tunnel of No．5 Metro line

2 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

2．1 隧道變形監(jiān)測

2．1．1 上洞拱頂沉降監(jiān)測

5號線在重疊段為雙聯(lián)拱隧道，采用中導(dǎo)洞分區(qū)域開挖。由于隧道跨度較大，開挖區(qū)域較多，土體受到較大擾動，因此，開挖過程中對5號線拱頂和側(cè)墻進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測頻率為1次/d，測點位置如圖5所示。5號線拱頂最終沉降監(jiān)測如圖6所示。比較圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，左拱頂沉降略大于右拱頂沉降，因為5號線開挖左線時，右線上方土體應(yīng)力已經(jīng)部分釋放，開挖右線時，右線周邊土體應(yīng)力釋放小于左線周邊土體，所以右線拱頂沉降略小于左線拱頂沉降。5號線隧道拱頂工后沉降延掘進(jìn)方向緩慢增大，平均工后沉降為10mm，小于30mm工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，同時表明，隧道結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大程度的工后沉降。挖左線隧道周邊土體時，應(yīng)力釋放的同時右線隧道周邊土體應(yīng)力也隨之釋放，待開挖右線隧道時，右線隧道周邊土體殘余的應(yīng)力釋放造成土體變形小于左線隧道。

圖5 監(jiān)測點布置圖Fig．5 Layout of monitoring points

2．1．2 上洞側(cè)墻水平位移監(jiān)測

5號線側(cè)墻最終水平位移監(jiān)測如圖7所示。由于施工中采用了橫向鋼支撐，隧道側(cè)墻變形控制較好。隧道兩側(cè)側(cè)向變形小于左右拱頂變形沉降，說明雙聯(lián)拱隧道開挖過程中，設(shè)置水平橫向鋼支撐對控制隧道變形是有作用的。左右墻側(cè)向位移趨勢和左右拱頂沉降趨勢表現(xiàn)出一致的規(guī)律，左墻水平位移略大于右墻。因為開

2．2 地表沉降監(jiān)測

地表沉降監(jiān)測點的位置集中在5號線的縱向方向，主要觀測重疊隧道施工階段對地表變形的縱向影響。下洞7號線和上洞5號線施工造成的地表縱向沉降如圖8所示。7號線施工時引起的地表變形大于5號線施工時引起的地表變形，原因是7號線所處的強風(fēng)化巖層為富水地層，而7號線初期支護完成后為了加快施工進(jìn)度，并未施作二次襯砌，而采取壁后注漿來止水。由于壁后注漿臨時止水效果不如永久性襯砌，造成裂隙水滲入隧道內(nèi)，引起隧道上覆土層及地表變形加大。5號線上部基本位于粉質(zhì)黏土層，施工時主要控制拱頂應(yīng)力釋放引起的土層變形，因此，7號線造成的隧道中段處地表變形為200 mm，遠(yuǎn)大于5號線施工造成約90 mm的地表變形。隧道開挖時，土體應(yīng)力釋放造成地層變形，同時地下水的滲入會造成巨大沉降，破壞周邊建筑或已有管線。重疊隧道施工時，除了控制周邊土體應(yīng)力釋放，施工防水控制尤為重要。5號線施工造成的地表變形可以分為施工時沉降和工后沉降2部分，如圖9所示。5號線施工時引起的隧道中段地表沉降約為75 mm，而從施工完畢直到沉降穩(wěn)定，這段時間內(nèi)的工后沉降量約為20 mm。可以發(fā)現(xiàn)，在弱滲流情況下，礦山法隧道施工時土體應(yīng)力釋放是引起地表沉降的主要原因，工后沉降是由殘余應(yīng)力繼續(xù)釋放造成的。比較圖6和圖9可以看出，5號線拱頂最終平均沉降約40 mm，而5號線施工引起的地表沉降略大于拱頂沉降，拱頂工后平均沉降為10 mm，小于地表工后平均沉降，表明上部隧道結(jié)構(gòu)施工過程中并未出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)明顯下沉的現(xiàn)象。施工時5號線隧道中段沉降較大，工后沉降隨著掘進(jìn)方向增加，表明隧道前段施工造成的地表沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，而隧道后段施工造成的地表沉降還在發(fā)展中。

3 結(jié)論與討論

本文以深圳地鐵5號線太怡區(qū)間重疊段工程為背景，采取實地監(jiān)測的方法，對重疊隧道富水地層施工中引起的隧道結(jié)構(gòu)周邊土層變形進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論。

1)下部隧道穩(wěn)定后施工上部隧道，施工過程中未出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)明顯下沉的現(xiàn)象，說明重疊隧道采用“先下后上”的施工順序有利于保證隧道的整體穩(wěn)定性。

2)在無滲流影響下，上線隧道開挖時應(yīng)力釋放是造成土層變形的主要原因，工后沉降小于開挖時沉降。在富水地層中，滲流作用造成下線隧道工后沉降極大，滲流和應(yīng)力釋放是造成地層變形的主要原因。因此，在富水弱巖地層中開挖隧道，利用超前支護控制圍巖應(yīng)力釋放的同時，工后止水措施尤為重要。

3)重疊隧道中段拱頂沉降和地表沉降均大于隧道兩端區(qū)域，而由于地下水的滲流作用，重疊隧道中段亦出現(xiàn)了地表沉降大于拱頂沉降的現(xiàn)象。

從上述結(jié)論可以發(fā)現(xiàn)，在富水地層中開挖重疊隧道，滲流作用對地層變形具有重要的影響，今后可同時從現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬2個方面做進(jìn)一步研究。

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