地鐵疊線隧道小凈距盾構施工工序研究

金乃麒 徐劍旋 高躍峰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

進入21世紀以來，我國城市化進程明顯加快，地鐵、城市地下空間得到進一步開發和利用。受地下既有建構筑物影響，大規模的地鐵建設勢必會出現各種形式的臨近施工，上下平行重疊區間隧道布置形式也大量出現在軌道交通工程中。由于重疊隧道盾構施工過程中，對地層多次擾動，地層損失大，近接施工相互影響大，這就需要對疊線隧道中后建隧道施工對已建隧道施工影響進行研究。關于這一難題，近年來，學者和專家已有大量有價值的研究。

何川等[1]通過模型試驗和三維有限元對地鐵盾構隧道重疊下穿施工進行了深入研究；宋浩然等[2]通過數值模擬與現場實測相結合的研究手段，對疊落盾構隧道施工產生的地層變形及結構受力進行分析；李圍等[3]通過構建“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，并結合自動化監測，對盾構重疊隧道下穿引起的高鐵正線軌道進行了研究；郭晨[4]采用大型通用有限元軟件對疊線隧道夾土體注漿加固進行三維彈塑性數值模擬計算；張興麗等[5]通過建立新舊隧道的有限元模型，分析新盾構隧道施工時對既有盾構隧道產生的影響；葉雅圖等[6]采用通用有限元程序對整個施工過程中的盾構管片內力分布、地層位移等關鍵因素進行了深入分析；張曉軍[7]結合數值模擬對水平平行、豎直重疊、斜交度兩隧道不同位置關系時的橫向影響程度進行了研究；趙巧蘭[8]采用多種軟件進行詳細的理論分析,確定重疊盾構隧道“先下后上”的施工順序；范曉真等[9]對小凈距上下重疊盾構隧道的施工擾動進行了研究。

綜上可知，目前國內學者針對疊線隧道近接施工已取得大量有價值的研究成果。本文在歸納前人研究基礎上，以鄭州軌道交通3號線工程金—太區間盾構重疊隧道工程為工程背景，選取上下重疊近距1.8 m斷面工況，建立三維有限元模型，分析采用加固處理措施后，疊線盾構隧道不同施工工序下，后建隧道對已建隧道影響，并結合現場監控量測進行對比驗證。

1 工程概況

金—太區間為南北走向，沿南陽路往南，下穿大石橋立交橋、金水河后沿銘功路中向南，途經金水路、彭公祠街等市政道路。該區間位于黃河泛濫平原，地層以第四紀松散沉積物為主，下伏基巖埋置較深，沿線第四紀覆蓋層厚度均大于50 m。右線區間隧道主要穿越②33、②34黏質粉土夾砂質粉土，左線區間隧道主要穿越②51細砂，②51B粉質黏土地層。重疊隧道平面位置關系如圖1所示，剖面關系如圖2所示。

2 三維數值模擬研究與監控量測

2.1 計算模型的建立

采用三維有限元軟件分析后建隧道對已建隧道影響，模型X方向取80 m，模型Y方向取60 m，模型Z方向取60 m，模型中巖土體以實體單元模擬，襯砌以板單元模擬，土體本構模型采用摩爾庫侖模型進行模擬，模型共計28 389個單元，23 235個節點。有限元數值計算分析模型如圖3所示，各巖土層物理力學參數如表1所示。數值分析計算工況如表2所示。

表1 地層的主要物理力學參數

表2 疊線隧道盾構施工工序

2.2 計算結果與分析

由圖4可知，工況1采用先上后下盾構開挖施工順序，地表最大沉降-27.71 mm；工況2采用先下后上盾構開挖施工順序，地表最大沉降值為-20.65 mm，監測方案實測數據為-21.94 mm，與數值計算結果基本吻合；采用工況2施工工序，對地層產生擾動更小，地面沉降減少了25%，說明采用先下后上盾構施工工序對控制地面沉陷更為有效。

由圖5可知，工況1采用先上后下盾構開挖施工順序，左線盾構隧道拱頂最大沉降值為-6.70 mm；工況2采用先下后上盾構開挖施工順序，左線盾構隧道拱頂最大沉降值為-4.30 mm，監測方案實測數據-3.87 mm；采用工況2施工工序，左線盾構隧道減少了35%。

3 結語

本文依托鄭州軌道交通3號線工程金—太區間盾構重疊隧道工程為研究背景，采用“疊線隧道夾土體加固+洞內移動臺車支撐”技術方案，通過三維有限元方法分析考慮“先上后下”和“先下后上”兩種施工工序，并結合現場監控量測，得出如下結論：

1)工況1采用先上后下盾構施工工序，地表最大沉降為-27.72 mm，拱頂最大沉降為-6.7 mm；工況2采用先下后上盾構施工工序，地表最大沉降為-20.65 mm，拱頂最大沉降為-4.3 mm，均滿足城市軌道交通監測規范要求。2)工況2相對于工況1施工工序，地表最大沉降減少了25%，左線盾構隧道拱頂沉降減少了35%，在類似上下重疊隧道工程中，建議采用先盾構開挖下行隧道，后施工上行隧道工序。3)采用“疊線隧道夾土體加固+洞內移動臺車支撐”技術方案，能夠有效保證疊線盾構隧道施工安全。根據現場監測方案實測數據，與數值計算結果基本吻合，驗證了有限元計算的準確性和加固方案的可靠性。