重疊交叉隧道施工關鍵技術研究

□文/高菊英

我國隧道及地下工程建設發展迅猛；受土地利用程度、地下市政管線、地面建筑物、地上交通、已建地下工程等因素影響，重疊交叉隧道逐漸成為發展趨勢。如廣州地鐵5號線沙—鳳區間[1]，深圳地鐵一期工程羅湖站—國貿站—老街站—大劇院站區間[2～4]，上海明珠線近距離交疊隧道[5]，深圳地鐵5號線太怡區間[6]，北京地鐵6 號線北海北—南鑼鼓巷區間[7]。重疊隧道施工有較大的風險；因此，對盾構施工過程中重疊隧道互相影響，周邊環境的安全考慮以及施工方法和技術控制至關重要。國內有許多學者對重疊隧道的施工技術進行了研究，如臺啟民[7]對暗挖交疊隧道地表沉降進行實測分析，李圍[8]結合深圳地鐵7號線筍洪區間盾構重疊隧道下穿高鐵26條軌道群實例，針對“軌道支撐+路基加固+夾層土體加固+下隧道內支撐”的技術體系進行研究，陳先國等[9]、雷江松[10]對重疊隧道的施工力學以及對鄰近建筑物影響與控制措施進行研究，葉至盛等[11]研究市政下穿隧道與地鐵車站空間上下重疊、同步設計、同步實施的關鍵技術，付仁鵬[12]對長距離重疊隧道連續下穿平瓦房的施工技術研究，范恒秀[13]、劉向陽[14]對小凈距重疊隧道的施工技術進行研究。本文通過三維數值模擬方法，武漢地鐵4、6 號線鐘家村同站臺換乘站重疊交叉隧道施工為例，研究重疊隧道段掘進技術。

1 工程概況

武漢地鐵鐘家村站為4、6號線同站臺換乘站（4號線二期與6 號線一期換乘），地下三層。4 號線鐘家村站區間兩端分別為漢陽火車站站和攔江路站；6 號線鐘家村站區間兩端分別為馬鸚路站和琴臺站；要實現4、6號線在鐘家村站同站臺換乘，區間兩端4、6號線均要重疊交叉。4 號線站臺長118 m，6 號線站臺長140 m。在到達鐘家村站前約250 m的范圍內4號線與6號線區間互相穿越、上下重疊及近接：其中6號線左線穿越4號線左線；6號線右線與4號線左線部分疊行；6號線左線與4號線右線部分疊行；4號線右線與6號線左線部分近接。換乘站臺處4號線與6號線均為左線在上，右線在下。見圖1。

圖1 鐘家村站4、6號線重疊關系

2 三維數值模擬及分析

鐘家村站位于漢陽區鸚鵡大道與漢陽大道十字路口的繁華主干道上，交通非常繁忙，周邊高層建筑眾多，地下管線和建構筑物復雜，對沉降變形控制要求嚴格；地層差異大，地質復雜多變，巖層強度高，巖面起伏較大且下部有巖溶。

本文利用大型有限元軟件ANSYS對4號線施工順序對地表沉降以及與后施工6號線相互間的影響進行模擬。

2.1 模型建立

四條隧道設計尺寸相同，分別以4L、4R 和6L、6R表示4號線左右線和6號線左右線隧道。設計隧道最終直徑6.0 m。模型取地下空間90 m×60 m×60 m（長×寬×深），有限元ANSYS所劃分網格和隧道的相對位置見圖2。

圖2 重疊段三維數值分析模型

為便于分析不同開挖順序下圍巖及地層位移的變化規律，分別取隧道拱頂、拱底、左腰、右腰四個位置作為監測點，見圖3。

圖3 重疊段三維數值分析模型監測點布置

2.2 計算工況

采用4種工況進行數值模擬。

1）工況1：開挖順序4L→4R→6L→6R。

2）工況2：開挖順序4L→4R→6R→6L。

3）工況3：開挖順序4R→4L→6L→6R。

4）工況4：開挖順序4R→4L→6R→6L。

按照開挖順序，將各工況分成步驟①、步驟②、步驟③和步驟④。如在工況1 中：步驟①為4L 開挖完畢，4R、6L 和 6R 未開挖；步驟②為4L 和4R 開挖完畢，6L 和6R 未開挖；步驟③為 4L、4R、6L 開挖完畢，6R 為開挖；步驟④為4L、4R、6R、6L均開挖完畢。

2.3 結果分析

1）4號線隧道開挖次序對地表的影響。計算工況1 和工況3 中步驟①和步驟②所引起的豎向位移累計值，見圖4。

圖4 工況1和3中前兩步的豎向地表沉降值

從圖4可以看出，工況3中4號線開挖引起地表最大沉降量達到18.3 mm，而工況1中4號線開挖引起地表最大沉降量達到17.6 mm，故4 號線采用“先上后下”的施工順序較好。

2）當4號線采用“先上后下”的施工順序時，后建6號線對4號線的影響見圖5。

圖5 工況1和工況2地層豎向位移

當4號線采用“先下后上”的施工順序時，后建6號線對4號線的影響見圖6。

圖6 工況3和工況4地層豎向位移

隧道開挖造成下方局部地層回彈隆起，而隧道上部和兩側都產生了豎向下沉，由此可知隧道開挖使得局部地層卸荷，地層的回彈將有利于減小隧道開挖造成的地表沉降。

后建6 號線的開挖造成4 號線拱頂、拱底、左腰和右腰的豎向位移最大值見表1。

表1 隧道4號線豎向位移最大值 cm

續表1

從表1 可以看出：4 種工況下，后建6 號線造成4L整體“下沉”，4R整體“隆起”，下沉最大值發生在拱底，隆起最大值發生在拱頂。以拱頂的豎向位移為研究對象，4種工況下4L的下沉值工況1最小，4R的隆起值也是工況1最小。故從4號線拱頂的豎向位移值來看，工況1 中后建6 號線對4 號線的影響最小，即4 號線和6號線均采用先上后下的施工順序較好。

但是，根據表2 和表3 可知：先上后下工序上部管片步驟②較步驟①：最大豎向位移減小了14%，最大彎矩增大了24.9%，最大軸力增大了2%。先下后上工序下部管片步驟②較步驟①：最大豎向位移增大了24%，最大彎矩增大了553%，最大軸力減小了39.8%。

表2 “先下后上”施工管片結構受力參數

表3 “先上后下”施工管片結構受力參數

對比兩種工序：管片結構最大豎向位移“先下后上”大于“先上后下”工序；但是管片結構最大彎矩“先下后上”小于“先上后下”工序；管片結構最大軸力“先下后上”大于“先上后下”工序，使得管片受力得到優化，分析主要因為“先下后上”工序進行盾構掘進對上下隧道之間結構內力影響很小。

綜上，在對地面沉降沒有特殊要求，滿足規范（30mm）的情況下，從隧道管片受力、施工難度和風險角度考慮，推薦采用“先下后上”施工工序。

3 重疊隧道段施工措施

1）通過合理的施工組織安排，做到先修4 號線下方隧道，再修建上方隧道。

2）應根據盾構穿越的地層和上覆地層情況，設定盾構的推進參數并進行嚴格控制，其中主要包括：刀盤和土倉的壓力，出土量和掘進速度、螺旋機轉速，千斤頂總推力等，以保證開挖掌子面的穩定，盡量減少對地層擾動和開挖過程中的地層損失。出土量導致地層損失率應控制在3‰以內。

3）施工過程中嚴格控制同步注漿量和漿液質量，嚴格、合理地選擇注漿材料配合比，減少填充材料凝固收縮產生的沉降。同時要求漿液強度≥周圍加固土體的強度。同步注漿量一般控制在建筑空隙的150%～180%，注漿壓力控制在0.3 MPa左右，使管片周圍土體盡量恢復原始應力狀態，減少土體的固結沉降和變形。實際施工中漿液的用量及注漿壓力結合前一階段施工的用量以及監測報表進行合理選擇，合理選擇注漿孔位，同步注漿盡可能保證勻速、連續的壓注，防止推進尚未結束而注漿停止的情況發生。

4）隧道空間凈距＜0.8D時，上部隧道施工的同時，應在下部隧道內進行二次注漿施工，減少因上部隧道施工，導致下部既有隧道向上部隧道偏離的影響。二次注漿施工應與盾構掘進同步并應遵循少量多次原則。

隧道空間凈距＜0.75D，開挖上方隧道時，應對既有下方隧道采取洞內支撐加固，加固范圍為盾構刀盤前25 m，盾構刀盤后50 m。洞內支撐應滿足：

（1）抵抗上方隧道施工過程中，盾體下方既有隧道管片環縫之間的因垂直錯動產生的剪力；

（2）提高下方既有隧道縱向剛度，減小其垂直彎曲變形；

（3）洞內支撐在盾構施工過程中不能卸力，必須能提供持續支撐。

隧道空間凈距＜0.5D段，考慮從隧道管片內側對周圍地層進行注漿加固，下部隧道掘進完成后對上部土層進行加固，上部隧道施工后對下部隧道進行注漿加固。見圖7和圖8。

圖7 左右線隧道上下重疊段注漿加固

圖8 左右線隧道近接區段注漿加固

5）上部隧道施工時，應加強對既有隧道的監測。施工過程中，對相應范圍內的隧道結構、地層地表、建構筑物以及地下管線進行全面監控測量，實行信息化施工。根據監測反饋信息，調整優化各項施工參數，以確保盾構施工和建構筑物安全及地下管線的正常使用，必要時采取應急措施。監控測量項目主要包括隧道結構和內力變形、地層變形和地表沉隆、建構筑物外觀檢查和建構筑物及地下管線的變形變位等，根據建構筑物、地下管線的具體情況以及相關部門的技術要求確定監控測量方案。盾構隧道引起的地面沉降一般控制在30 mm以內，風險源地段控制在10 mm之內，地面隆起控制在10 mm范圍內并以最大值的70%作為警界值，當穿越重要構建筑物以及重要管線時，沉降控制值應按相關規范、規程允許值從嚴確定。

6）上部隧道施工時，對下部隧道的保護標準：

（1）下部隧道附加沉降（上浮）≤10 mm，水平位移≤5mm，管片附加縱、橫徑變形≤5 mm；

（2）上部隧道推進時對下部隧道引起的附加曲率半徑應＞15 000 m，相對彎曲＜1/2 500。

4 結語

1）采用先下后上的施工順序，后建隧道的施工對地表沉降和已建隧道周圍巖位移擾動更小。

2）依據重疊隧道段空間不同凈距離，對下方先施工隧道采取必要的洞內支撐。

3）在后施工隧道施工時，應對先施工隧道范圍內的隧道結構、地層地表、建構筑物以及地下管線進行全面的監控測量，以確保盾構施工和建構筑物安全。