深圳地鐵并行疊落隧道施工相互影響的數值模擬分析

孫 波，肖龍鴿，江 華，孫正陽，李邵庭

(1.深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026;2.中建南方投資有限公司，廣東深圳 518026; 3.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083;4.中建交通建設集團有限公司，北京 100044)

0 引言

城市化進程不斷發展，城市軌道交通因其具有運量大、速度快、安全、準點、環保和節約用地等優點，逐漸成為了緩解城市交通擁堵、提高城市運行效率和城市公共服務水平的主要途徑。因此，在今后幾十年的時間里，城市軌道交通將成為我國政府主導投資建設的發力點。

城市地鐵形成了地下交通網絡，受地下空間的局限性以及地質、水文等客觀條件的復雜性等影響，越來越多的城市在建地鐵與既有線或者規劃線出現交叉或者上下并行疊落相加的情況。在這種施工條件下，如何保證既有隧道的安全以及規劃線路的相互干擾是至關重要的，國內外對于此類工程已有一定的研究［1－8］，如白冰等［1］運用ANSYS軟件建立仿真模型，研究了列車振動作用對疊落隧道的影響，為運營隧道安全和環保提供了技術保障。劉衛鐸［2］采用超前爆破技術、對爆破質量進行控制、對施工進行監控等保證了礦山法疊落隧道的施工。范永波等［3］采用數值模擬軟件研究分析了交叉并行疊落隧道。潘秀明等［4］采用數值模擬軟件研究分析了盾構疊落隧道。黎杰等［5］采用數值模擬軟件研究分析了疊落隧道列車載荷對襯砌結構的影響。關于盾構隧道正交及近似正交下穿或上跨既有線隧道也有很多的數值模擬研究，李磊等［6］對上海地鐵某區間段近距離疊交盾構施工對既有隧道的影響進行了研究。張瑾［7］等通過對暗挖法施工隧道下穿既有隧道的數值模擬得出由于先后2次施工的擾動會增大圍巖塑性區體積，導致新舊隧道的塑性破壞區相互連通，使得穿越段上方地表沉降槽顯著增大的結論，并提出在下穿之前有必要對上部隧道進行預先加固處理。張成平等［8］通過對北京地鐵5號線的實測研究發現施工引起的既有地鐵隧道結構變形以沉降為主，沉降主要發生在導洞施工階段。

上述研究雖均對疊落隧道進行了研究，但與本文研究重點與工況有所不同。深圳地鐵9號線銀湖站西端與后期建設6號線存在五線并行疊落隧道，9號線建設期間同期施工，施工過程前期采用數值模擬分析，著重對盾構法與礦山法隧道并行疊落施工的力學行為和變形特征進行了深入探究。

1 工程概況

1.1 同期建設規劃線路交叉重疊段的設想

深圳地鐵9，6號線為深圳地鐵3，4期工程中的規劃線路;其中9號線已于2012年正式開工，預期2016年底正式投入使用，6號線規劃建設時間為2014—2019年。

基于后期建設隧道對運營隧道的影響，深圳地鐵提出了同期建設疊落并行區段的設想，主要涉及建設6號線南延段(如圖1所示)與7，9，11號線同期建設。

1.2 五線并行段概況

銀湖站原設計為地下2層車站，因受6號線南延段影響，將其變更為6，9號線換乘3層車站，在銀湖站處，6號線埋深18.2 m，9號線埋深10.8 m。

銀湖站西端原設計有負2層9號線左、右線以及出場線共3條隧道，加上負3層6號線左、右線，共5條隧道;銀湖站西端頭呈五線并行疊落，并逐漸分開，如圖2所示。

根據鉆孔揭示，場地巖土分層及特征自上而下為:素填土〈1－1〉;粉質黏土層〈3－2〉;中粗砂層〈3－4〉;可塑狀殘積砂質黏性土(礫質黏性土)〈6－1〉;硬塑狀殘積砂質黏性土(礫質黏性土)〈6－2〉;混合巖全風化帶〈11－1〉(Z);混合花崗巖強風化帶〈11－2〉(Z);混合巖中風化帶〈11－3〉;混合巖微風化帶〈11－4〉(Z);9號線與6號線位置關系及地層分布如圖3所示。

圖1 6號線南延段示意圖Fig.1 Sketch of south extension section of Line 6 of Shenzhen Metro

圖2 銀湖站西端頭五線并行疊落示意圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of 5 parallel overlapping Metro lines to the west end of Yinhu station(mm)

圖3 9號線與6號線疊落位置地質情況Fig.3 Geological conditions of overlapping section of Line 9 and Line 6 of Shenzhen Metro

區間終點里程段屬山前沖積地貌，地下水位埋深0.00～11.00 m，標高22.32～37.57 m，平均標高29.58 m。

1.3 同期建設的重要意義

調整后的設計線路，6號線在負3層、9號線在負2層，如先期完成9號線建設，6號線將在9號線運營隧道下并行疊落穿行施工，將極大程度地增加施工難度，同時由于6號線大部分位于巖石地段，對9號線的運營安全風險更大，因此采用同期施工，以更大程度降低將來運營隧道的安全風險。

2 五線并行疊落模擬分析及工法研究

2.1 五線并行疊落工況分析

理論及實踐經驗表明，并行疊落隧道在上下隧道中心軸線重合(間距最近)時，相互間影響最大［2］;故本文僅考慮疊落隧道中心軸線重合的情形，即節點1至節點4，如圖4所示。

圖4 銀湖站西端頭并行疊落工況示意圖Fig.4 Critical positions of parallel overlapping tunnels to the west end of Yinhu station

選取2014年12月31日銀湖站西端隧道實際施工進度情況進行數值模擬，具體進度情況如下:6號線礦山法隧道圖4中淺紫色部分已施作完成二次襯砌，圖4中黃色部分尚未施作二次襯砌;9號線左線(上)盾構已于2014年12月15日完成始發，右線(下)盾構于2015年1月15日始發;出場線盾構施工進度較為滯后，預計將在6號線礦山法隧道施作完成之后方進行盾構施工。

選取以下3種情況進行研究:

1)節點1(節點4):9號線盾構上跨6號線礦山法隧道(已施作二次襯砌)，為更好的研究，分別取6號線礦山法隧道二次襯砌強度為100%，80%和60%;

2)節點2:9號線盾構上跨6號線礦山法隧道(未施作二次襯砌);

3)節點3:6號線礦山法下穿9號線盾構隧道。

2.2 五線并行疊落模擬分析

2.2.1 模型建立

建立地鐵隧道施工二維數值模型進行計算分析。模型中，土體用二維平面四邊形應變單元(CPE4)模擬，X方向為水平方向，Y方向為豎直深度方向，Z方向為隧道掘進方向。模型尺寸X方向取60 m，Y方向取50 m。9號線管片外徑為6 m，開挖直徑取6.28 m，其中0.28 m為盾構開挖直徑與管片外徑的差值，用同步注漿填充;6號線為馬蹄形隧道，初期支護厚度0.3 m，二次襯砌厚度0.35 m，二次襯砌完成后隧道拱頂底板間凈距5.5 m，左右間距5.2 m。基于隧道的相對位置關系和地質等客觀條件，分別建立模型并劃分網格，如圖5—7所示。其中，盾構隧道上跨和礦山法隧道下穿凈距分別為1.39 m和1.28 m。

圖5 節點1和節點2處斷面模型Fig.5 Model of parallel overlapping tunnels at critical positions 1 and 2

圖6 節點4處斷面模型Fig.6 Model of parallel overlapping tunnels at critical position 4

圖7 節點3處簡化模型Fig.7 Simplified model of parallel overlapping tunnels at critical position 3

盾構管片、襯砌和注漿層選用線彈性材料，設計計算參數如表1所示。土體選用M－C模型，土層厚度根據地質勘察報告提供的地質斷面圖確定，計算參數如表2所示。

對于二維平面問題，每點均具有2個單獨的自由度，為了減少邊界效應，并且能夠更好地模擬工程實際情況，分析時采用齊次邊界條件，在模型左右邊界施加X向的水平約束;模型的上邊界取自由邊界，下邊界取固定邊界。刀盤通過時在隧道范圍內施加體力，臺車通過時體力減小為20 kPa，注漿壓力為300 kPa。

表1 數值模擬中襯砌結構的計算參數Table 1 Parameters of lining used for numerical simulation

2.2.2 數值模擬過程分析

1)9號線盾構上跨已施作二次襯砌的6號線礦山法隧道。9號線盾構隧道開挖模擬包括盾構施工時振動、盾構刀盤與臺車集中荷載以及開挖后同步注漿對既有6號線隧道的影響。

該部分模擬含有5個分析步，時長總計為9:第1步為地應力平衡步，時長為1，模擬初始地應力狀態;第2步模擬盾構施工產生的振動，時長為5，X方向和Y方向各施加一個0.1g振幅的正弦函數［5］;第3步模擬盾構刀盤集中荷載，時長為1，在開挖區施加相當于盾構質量的體力;第4步模擬盾構臺車荷載并加入襯砌和同步注漿，時長為1;第5步模擬盾構隧道開挖完成后的最終狀態。

由數值模擬計算得到的數據分析可知，3種情況下各項指標基本一樣，差值在0.1 mm左右，如圖8—10所示。圍巖穩定后位移云圖亦大致相同，差值在0.1 mm以內，位移云圖如圖11所示。

9號線盾構施工刀盤震動時，6號線礦山法隧道拱頂最大上浮量為0.6 mm，底板最大上浮量為0.3 mm;盾構刀盤通過時，拱頂最大沉降量為3.0～3.3 mm (60%強度最大)，底板最大沉降量為1.4～1.5 mm (100%強度最大);盾構臺車通過時，拱頂沉降量為0.1～0.2 mm(60%強度最大)，底板沉降量幾乎為0;盾構完全通過后，拱頂最大上浮量為2.7～2.9 mm (60%強度最大)，底板最大上浮量為1.2～1.3 mm (100%強度最大)。

圖8 二次襯砌強度達設計值100%時6號線豎向位移Fig.8 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 100%of the design value

圖9 二次襯砌強度達設計值80%時6號線豎向位移Fig.9 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 80%of the design value

2)9號線盾構上跨未施作二次襯砌的6號線礦山法隧道。本部分與1)模擬大致相同，區別在于不加入二次襯砌單元，且假定此時6號線隧道周圍圍巖應力已完全釋放。由數值模擬計算得到的數據分析可知，9號線盾構施工震動時，6號線礦山法隧道拱頂最大上浮量為0.8 mm，底板最大上浮量為0.2 mm;盾構刀盤通過時，拱頂最大沉降量為5.8 mm，底板最大沉降量為0.8 mm;盾構臺車通過時，拱頂沉降量為1.3 mm，底板上浮量為0.1 mm;盾構完全通過后，拱頂最大上浮量為3.6 mm，底板最大上浮量為0.8 mm，如圖12所示。

圖10 二次襯砌強度達設計值60%時6號線豎向位移Fig.10 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 60%of the design value

圖11 圍巖穩定后位移Fig.11 Displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the surrounding ground becomes stable

圖12 未施作二次襯砌時6號線豎向位移Fig.12 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro without secondary lining

3)6號線礦山法下穿9號線盾構隧道。6號線礦山法隧道開挖模擬包括超前小導管注漿加固、上臺階開挖、隧道上部施加初期支護、下臺階開挖、隧道下部施加初期支護、整體施加二次襯砌及施工步圍巖應力釋放對既有9號線隧道的影響。

本部分模擬含有9個分析步:第1步為地應力平衡步，時長為1，模擬初始地應力狀態;第2步模擬超前小導管注漿加固，時長為1，提高隧道上半部外側圍巖的彈性模量和密度;第3步模擬上臺階開挖，時長為1，衰減開挖區彈性模量和密度，通過分步衰減彈性模量及密度以模擬應力釋放過程;第4步模擬施加上臺階初期支護，時長為1，激活上臺階初期支護單元;第5步模擬下臺階開挖，時長為1，衰減開挖區彈性模量和密度，通過分步衰減彈性模量以模擬應力釋放過程;第6步模擬施加下部初期支護，時長為1，激活下部初期支護單元;第7步模擬施作初期支護至施作二次襯砌的間隔時間內圍巖的應力釋放，時長為1，分步衰減彈性模量及密度;第8步模擬作做二次襯砌，時長為1，激活二次襯砌單元;第9步模擬二次襯砌施加完至隧道變形完全收斂之間的應力釋放，時長為1，移除開挖區全部單元。

由數值模擬計算得到的數據分析可知，6號線超前小導管注漿加固時，9號線盾構隧道管片頂部上浮量為0.3 mm，底部上浮量為0.5 mm;斷面開挖完成(不考慮時間效應)并施加初期支護后，管片頂部沉降量為2.1 mm，管片底部沉降量為2.4 mm;隧道施工完成且圍巖變形穩定后，頂部沉降量為2.5 mm，底部沉降量為2.9 mm，如圖13所示。

圖13 6號線施工引起的9號線隧道豎向位移Fig.13 Vertical displacement of tunnel of Line 9 of Shenzhen Metro caused by construction of tunnel of Line 6

2.2.3 豎直模擬結果分析

1)對比二次襯砌強度不同時9號線盾構對既有6號線隧道拱頂和底板的豎向位移影響，由圖14和圖15曲線可知，隨著二次襯砌強度的增加，6號線隧道豎向位移變化不明顯，總體趨勢為拱頂位移量減小，底板位移量增加。

圖14 二次襯砌強度不同時6號線拱頂豎向位移對比Fig.14 Settlement of crown of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with different strengths of secondary lining

圖15 二次襯砌強度不同時6號線底板豎向位移對比Fig.15 Vertical displacement of floor of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with different strengths of secondary lining

2)對比二次襯砌強度達到設計值100%時和未施作二次襯砌時9號線盾構對既有6號線隧道拱頂和底板的豎向位移影響，由圖16和圖17曲線可知，二次襯砌完成后隧道拱頂上浮量為3.0 mm，底板上浮量為1.5 mm，未施作二次襯砌時6號線隧道拱頂上浮量升至5.8 mm，底板上浮量降至0.7 mm，盾構上跨未施作二次襯砌與已施作二次襯砌的6號線礦山法隧道相比，隧道豎向位移變化較明顯，趨勢為拱頂位移量增加，底板位移量減小。

3)6號線礦山法隧道下穿既有9號線盾構隧道時，既有9號線呈現出沉降的趨勢，9號線管片底部最終沉降量達2.9 mm。

3 施工組織原則與關鍵技術

根據上述數值模擬計算結果可知:9號線盾構隧道和6號線礦山法隧道嚴格按設計要求進行施工時，疊落施工的風險是可控的，新建隧道上跨或下穿既有隧道時，既有隧道的變形均能控制在合理范圍內。在實際施工過程中，應注意以下施工組織原則與關鍵施工技術的控制。

3.1 施工組織原則

施工組織應遵循“先下后上”的原則，并保證下部暗挖隧道完成二次襯砌，確保二次襯砌的強度達到60%以上。

圖16 有無二次襯砌情況下6號線拱頂位移對比Fig.16 Settlement of crown of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with/without secondary lining

圖17 有無二次襯砌情況下6號線底板位移對比Fig.17 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with/without secondary lining

3.2 施工關鍵技術

1)對已完成二次襯砌段采用模板臺車進行同步支撐，即將10 m長的臺車在盾構主機通過段起到支架作用。

2)9號線盾構隧道與6號線礦山法隧道的最小凈距較小，最小凈距分別只有1.39 m和1.28 m，因此疊落施工段暗挖隧道采用密排超短小導管，小導管長度2 m，保證外插高度不大于50 cm，保證盾構通過時減少對暗挖隧道的影響。

3)9號線盾構施工參數宜小不宜大，推力不大于9 000 kN，土壓力按主動土壓力設置，推進速度2～3 cm/min，盡可能減少對6號線隧道的影響。

4)9號線盾構施工同步注漿要及時，二次注漿根據監測數據及時調整。

5)盾構通過時在暗挖隧道段設置拱頂、底部的沉降監測點，以指導修正施工參數。

4 現場應用情況與效果

9號線左線盾構于2015年1月31日完成重疊段上跨通過，右線盾構于同年2月22日完成重疊段，采取措施后盾構通過時暗挖隧道已全部完成了二次襯砌，二次襯砌的完成時間為1個月左右，期間在6號線共設置10個監測斷面，并采用移動模板臺架承受部分盾構通過時的上部壓力，以減少對既有6號線隧道的影響，同步注漿采用快硬技術，盡快將管片與周邊土層形成受力整體。根據現場監測結果可知，6號線隧道底部沉降與上浮呈正態分布(如圖18所示)，6號線隧道拱頂存在1～2 mm的整體上浮，與2.2.2的計算結果相比略有減少，說明采用整體模板臺車在通過時進行支頂具有一定的限制隧道變形的作用。

圖18 盾構并行穿越過程對6號線隧道的影響Fig.18 Influence of shield boring on tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro

5 結論和展望

1)對于新建盾構隧道上跨既有礦山法隧道的工程，二次襯砌對限制隧道豎向位移有重要意義，總體趨勢為:二次襯砌強度越高，隧道整體剛度越大;當礦山法隧道二次襯砌鋼筋混凝土結構強度達到設計值的60%以上時，可保證既有隧道在新建隧道施工工程過程中的安全。

2)新建盾構隧道在開挖過程中，當位于其下方的既有礦山法隧道尚未施作二次襯砌時，既有礦山法隧道拱頂上浮量較大，底板上浮量較小，初期支護可能出現較大裂紋。

3)基于數值模擬的理論研究以及現場施工實踐，探究了盾構法和礦山法隧道疊落施工的關鍵技術。深圳地鐵9號線建設充分考慮后期6號線建設，將與之重疊建設部分前移與9號線同期建設，大大減少了后期6號線建設時對9號線運營隧道的影響，對今后城市地鐵規劃與建設計劃具有重要指導意義。

4)本文研究計算基于二維模擬分析，計算結果顯示礦山法施工對既有盾構法隧道影響較大，圍巖力學行為更加復雜，施工過程中圍巖的應力釋放系數難以確定;不過這種影響在依托工程現場施工沒有得到實例驗證，需在以后類似工程中進一步研究驗證，同時可開展三維計算進行更深入的研究。

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