深圳地鐵小凈距盾構重疊隧道施工工序及加固方案

崔光耀，倪嵩陟，伍修剛，周濟民，王明年

（1.北方工業大學土木工程學院，北京100144；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；3.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031）

深圳地鐵小凈距盾構重疊隧道施工工序及加固方案

崔光耀1，倪嵩陟1，伍修剛1，周濟民2，王明年3

（1.北方工業大學土木工程學院，北京100144；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京100082；3.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031）

深圳地鐵3號線紅嶺中路站—老街站區間設計為盾構重疊隧道。2條線凈距小、夾土層受擾動較大。本文對該區間隧道的施工工序和加固方案進行了有限元數值模擬和對比分析。結果表明：采用“先下后上”工序略優于“先上后下”工序，為減少對夾土層和圍巖的擾動建議采用“先下后上”工序施工；夾土層宜采用鋼花管注漿加固；上隧道開挖期間下隧道加固采用液壓輪式臺車方案略優于十字鋼支撐方案，在預算允許的條件下建議下隧道加固采用液壓輪式臺車方案。

小凈距；盾構重疊隧道；施工工序；加固方案

1　工程概況

紅（嶺中路站）—老（街站）區間隧道采用土壓平衡盾構施工，為兩條分修的單線隧道，盾構機直徑為5.4 m，管片寬為1.5 m，錯縫拼接。為滿足老街站重疊段車站建設要求，區間隧道從紅嶺中路站先以線間距14.0 m出發，通過多次曲線調整，逐漸過渡到上下重疊。老街站西側（ZCK7+870—ZCK7+924）上下重疊段最小凈距為1.6 m，上線隧道拱頂最小埋深約為9.6 m。紅老區間隧道位置示意如圖1。

圖1　紅老區間隧道位置示意

2　盾構重疊隧道施工工序有限元分析

2.1計算模型

以老街站西側上下重疊段為研究背景，建立計算模型。隧道位于模型中部，上下及左右邊界距隧道均為40 m，縱向長度取54 m，上下重疊隧道凈距為1.6 m。圍巖采用實體單元，管片采用殼單元模擬。

2.2計算工況

對“先上后下”和“先下后上”2種工序進行模擬計算，施工步驟及內容見表1。

表1　計算工況及施工步驟

2.3計算參數

計算模型中土層及支護的物理力學參數見表2。

2.4監測斷面及監測點

選取上下隧道中間斷面作為監測斷面，考慮到結構受力對稱，監測點布置在斷面的左邊，見圖2。

表2　土層及支護的物理力學參數

圖2　監測點布置示意

2.5計算結果與分析

2.5.1地表沉降

“先上后下”和“先下后上”2種施工工序下橫向地表沉降曲線見圖3。

圖3　2種施工工序下橫向地表沉降曲線

由圖3可知：①2種施工工序造成的橫向主沉降區在隧道中線左右各20 m范圍，20 m外地表有略微隆起現象。②“先上后下”工序上隧道開挖造成的沉降占71.7%，下隧道開挖造成的沉降占28.3%。對于下隧道開挖造成的沉降，當開挖到監測斷面正下方時沉降約為45%，穿越監測斷面后沉降約為55%。采用“先上后下”工序施工地表最終沉降值為21.2 mm。③“先下后上”工序下隧道開挖造成的沉降值占49.2%，上隧道開挖造成的沉降值占50.8%。最大沉降（18.7 mm）發生在上隧道盾構通過監測斷面約18 m時。采用“先下后上”工序施工地表最終沉降值為18.5 mm。

2.5.2結構內力

提取“先上后下”和“先下后上”2種工序施工完成后上下隧道各監測點結構內力，并計算各監測點安全系數，見圖4、圖5。

圖4　“先上后下”工序施工完成后結構內力及安全系數

圖5　“先下后上”工序施工完成后結構內力及安全系數

“先上后下”工序上隧道施工過程中，最大彎矩位于拱頂，為66 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-917 kN；最小安全系數位于拱頂，為1.9。下隧道施工對已開挖上隧道結構內力的影響較小。

由圖4可以看出：上下隧道均施工完成后，上隧道最大彎矩位于拱頂，為50.1 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-535.1 kN；最小安全系數位于拱頂，為2.3。下隧道最大彎矩位于拱頂，為42.2 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-787.7 kN，最小安全系數位于拱頂，為4.0。

“先下后上”工序下隧道施工過程中，最大彎矩位于拱頂，為62.4 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-566.6 kN；最小安全系數位于拱頂，為2.0。上隧道施工對已開挖下隧道有卸載作用，下隧道結構內力值有所減小。

由圖5可以看出：上下隧道均施工完成后，上隧道最大彎矩位于拱腰，為-44.4 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-862.7 kN；最小安全系數位于仰拱，為4.4。下隧道最大彎矩位于拱頂，為52.7 kN·m；最大軸力位于拱腰，為-525.1 kN，最小安全系數位于拱頂，為2.1。

2.5.3施工工序比選

“先上后下”和“先下后上”2種工序地表位移、襯砌結構內力及安全系數對比見表3。

表3　2種工序地表位移、襯砌結構內力及安全系數對比

由表3可知，從地表位移及結構內力看，“先下后上”工序略優于“先上后下”工序。為減小開挖對重疊隧道夾土層及圍巖的擾動，推薦采用“先下后上”工序施工。

3　在后施工隧道開挖期間先施工隧道的加固

由于土壓平衡盾構機較重，夾土層又較薄（最小僅為1.6 m），為保障施工及運營安全，上隧道施工過程中需對夾土層和下隧道采取一定的加固措施。

3.1夾土層加固措施

紅老區間隧道上下隧道夾土層為殘積層和全風化花崗片麻巖層，為增強夾土層的抗壓及抗剪能力，采用鋼花管（壁厚t為3.5 mm），通過同步注漿和二次注漿，對夾土層進行加固，見圖6。同步注漿量每環＞7 m3；二次注漿量每孔＞2 m3，注漿漿液為水泥-水玻璃漿液，注漿壓力0.6～1.2 MPa。

3.2下隧道加固方案

3.2.1十字鋼支撐加固

為降低上隧道盾構開挖對已建下隧道的影響，可采用十字鋼支撐（圖7）進行下隧道加固。十字鋼支撐一般置于管片中部，每環均設置。優點是施工方便，傳力路徑明確，可配合現場監測調整十字鋼支撐布設間距。缺點是不能與土壓平衡盾構機同時前進，且拆卸較麻煩。

圖6　夾土層鋼花管注漿加固示意（單位：mm）

圖7　十字鋼支撐加固示意

3.2.2液壓輪式臺車加固

液壓輪式臺車（圖8）長為22.5 m，由4節小臺車（單節長為4.5 m）組成，節間距為1.5 m。臺車可在鋼軌上行進，每節臺車沿縱向間隔750 mm設置1道支撐。優點是能與土壓平衡盾構機同時前進，且受力合理。缺點是造價及使用費用較高。

3.3下隧道加固方案有限元分析

3.3.1計算情況

計算模型、計算參數、監測斷面及監測點同第2節。計算工況見表4。

圖8　液壓輪式臺車加固示意

表4　計算工況

3.3.2計算結果與分析

1）洞周位移

下隧道5個監測點（圖2）水平位移值及下沉值，工況2、工況3相對于工況1的減小百分比分別見表5、表6。

表5　各監測點水平位移值

表6　各監測點下沉值

由表5、表6可知：①工況2、工況3洞周水平位移值及下沉值明顯小于工況1，說明下隧道加固措施有效；②液壓輪式臺車加固方案優于十字鋼支撐加固方案。

2）結構內力

下隧道5個監測點結構內力及工況2、工況3相對于工況1的減小百分比見表7、表8。

表7　各監測點軸力值

表8　各監測點彎矩值

由表7、表8可知：①工況2、工況3內力值明顯小于工況1，說明下隧道加固措施有效；②液壓輪式臺車加固方案略優于十字鋼支撐加固方案。

3）加固方案比選

比較洞周位移及結構內力可知，十字鋼支撐和液壓輪式臺車2種加固方案在承受上隧道施工期間臨時荷載方面都起到了應有的作用。液壓輪式臺車加固方案略優于十字鋼支撐加固方案。由于液壓輪式臺車在移動方面的優勢，故在預算允許的條件下，建議下隧道加固采用液壓輪式臺車方案。

4　結論

1）從地表位移及結構內力看，“先下后上”工序略優于“先上后下”工序。為減小開挖對盾構重疊隧道夾土層及圍巖的擾動，推薦采用“先下后上”工序施工。

2）盾構重疊隧道施工過程中，夾土層采用鋼花管注漿加固，上隧道開挖期間下隧道的加固采用液壓輪式臺車方案略優于采用十字鋼支撐方案。由于液壓輪式臺車在移動方面的優勢，故在預算允許的條件下，建議下隧道加固采用液壓輪式臺車方案。

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Construction Sequence and Reinforcement Scheme of Shenzhen Metro Overlap Shield Tunnels with Small Space Apart

CUI Guangyao1，NI Songzhi1，WU Xiugang1，ZHOU Jimin2，WANG Mingnian3
（1.School of Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China；2.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100082，China；3.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T he interval between Hongling middle road station and Laojie station in Shenzhen metro line No.3 is designed as the shield overlap tunnels.Due to the small space apart and the large disturbance of clip soil layer，the construction sequence and the reinforcement scheme for this interval tunnel was compared and analysed through finite element numerical simulation.T he research results show that“down-hole-first”construction sequence is slightly better than“up-hole-first”construction sequence，the construction sequence of“down-hole-first”is recommended in order to reduce the disturbance of the clip soil layer and surrounding rock，steel pipe grouting reinforcement is used for the clip soil layer，the hydraulic wheel trolley scheme is better than cross steel support scheme for reinforcing the down hole during the up-hole tunnel excavation，the hydraulic wheel trolley scheme is suggested for down hole reinforcement under the conditions of the budget.

Small space apart；Shield overlap tunnel；Construction sequence；Reinforcement scheme

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.17

1003-1995（2016）09-0066-05

（責任審編葛全紅）

2016-01-20；

2016-07-05

國家自然科學基金（51408008）；北方工業大學青年拔尖人才培育計劃（XN070017）

崔光耀（1983—），男，副教授，博士。