□文/高菊英

我國隧道及地下工程建設(shè)發(fā)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(fā)展趨勢。如廣州地鐵5號線沙—鳳區(qū)間[1]，深圳地鐵一期工程羅湖站—國貿(mào)站—老街站—大劇院站區(qū)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(qū)間[6]，北京地鐵6 號線北海北—南鑼鼓巷區(qū)間[7]。重疊隧道施工有較大的風險；因此，對盾構(gòu)施工過程中重疊隧道互相影響，周邊環(huán)境的安全考慮以及施工方法和技術(shù)控制至關(guān)重要。國內(nèi)有許多學者對重疊隧道的施工技術(shù)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(jié)合深圳地鐵7號線筍洪區(qū)間盾構(gòu)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(nèi)支撐”的技術(shù)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(shè)計、同步實施的關(guān)鍵技術(shù)，付仁鵬[12]對長距離重疊隧道連續(xù)下穿平瓦房的施工技術(shù)研究，范恒秀[13]、劉向陽[14]對小凈距重疊隧道的施工技術(shù)進行研究。本文通過三維數(shù)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(shù)。

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(qū)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(qū)間兩端分別為馬鸚路站和琴臺站；要實現(xiàn)4、6號線在鐘家村站同站臺換乘，區(qū)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(nèi)4號線與6號線區(qū)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(guān)系

2 三維數(shù)值模擬及分析

鐘家村站位于漢陽區(qū)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(gòu)筑物復雜，對沉降變形控制要求嚴格；地層差異大，地質(zhì)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?qū)Φ乇沓两狄约芭c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(shè)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(shè)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(wǎng)格和隧道的相對位置見圖2。

圖2 重疊段三維數(shù)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(guī)律，分別取隧道拱頂、拱底、左腰、右腰四個位置作為監(jiān)測點，見圖3。

圖3 重疊段三維數(shù)值分析模型監(jiān)測點布置

2.2 計算工況

采用4種工況進行數(shù)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(jié)果分析

1）4號線隧道開挖次序?qū)Φ乇淼挠绊?。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(cè)都產(chǎn)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(xù)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(fā)生在拱底，隆起最大值發(fā)生在拱頂。以拱頂?shù)呢Q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?shù)呢Q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(jù)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(jié)構(gòu)受力參數(shù)

表3 “先上后下”施工管片結(jié)構(gòu)受力參數(shù)

對比兩種工序：管片結(jié)構(gòu)最大豎向位移“先下后上”大于“先上后下”工序；但是管片結(jié)構(gòu)最大彎矩“先下后上”小于“先上后下”工序；管片結(jié)構(gòu)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(yōu)化，分析主要因為“先下后上”工序進行盾構(gòu)掘進對上下隧道之間結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響很小。

綜上，在對地面沉降沒有特殊要求，滿足規(guī)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(yīng)根據(jù)盾構(gòu)穿越的地層和上覆地層情況，設(shè)定盾構(gòu)的推進參數(shù)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(zhuǎn)速，千斤頂總推力等，以保證開挖掌子面的穩(wěn)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(yīng)控制在3‰以內(nèi)。

3）施工過程中嚴格控制同步注漿量和漿液質(zhì)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(chǎn)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(yīng)力狀態(tài)，減少土體的固結(jié)沉降和變形。實際施工中漿液的用量及注漿壓力結(jié)合前一階段施工的用量以及監(jiān)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(xù)的壓注，防止推進尚未結(jié)束而注漿停止的情況發(fā)生。

4）隧道空間凈距＜0.8D時，上部隧道施工的同時，應(yīng)在下部隧道內(nèi)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(yīng)與盾構(gòu)掘進同步并應(yīng)遵循少量多次原則。

隧道空間凈距＜0.75D，開挖上方隧道時，應(yīng)對既有下方隧道采取洞內(nèi)支撐加固，加固范圍為盾構(gòu)刀盤前25 m，盾構(gòu)刀盤后50 m。洞內(nèi)支撐應(yīng)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(huán)縫之間的因垂直錯動產(chǎn)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(nèi)支撐在盾構(gòu)施工過程中不能卸力，必須能提供持續(xù)支撐。

隧道空間凈距＜0.5D段，考慮從隧道管片內(nèi)側(cè)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(qū)段注漿加固

5）上部隧道施工時，應(yīng)加強對既有隧道的監(jiān)測。施工過程中，對相應(yīng)范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)、地層地表、建構(gòu)筑物以及地下管線進行全面監(jiān)控測量，實行信息化施工。根據(jù)監(jiān)測反饋信息，調(diào)整優(yōu)化各項施工參數(shù)，以確保盾構(gòu)施工和建構(gòu)筑物安全及地下管線的正常使用，必要時采取應(yīng)急措施。監(jiān)控測量項目主要包括隧道結(jié)構(gòu)和內(nèi)力變形、地層變形和地表沉隆、建構(gòu)筑物外觀檢查和建構(gòu)筑物及地下管線的變形變位等，根據(jù)建構(gòu)筑物、地下管線的具體情況以及相關(guān)部門的技術(shù)要求確定監(jiān)控測量方案。盾構(gòu)隧道引起的地面沉降一般控制在30 mm以內(nèi)，風險源地段控制在10 mm之內(nèi)，地面隆起控制在10 mm范圍內(nèi)并以最大值的70%作為警界值，當穿越重要構(gòu)建筑物以及重要管線時，沉降控制值應(yīng)按相關(guān)規(guī)范、規(guī)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?。?0 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(yīng)＞15 000 m，相對彎曲＜1/2 500。

4 結(jié)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(jù)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(nèi)支撐。

3）在后施工隧道施工時，應(yīng)對先施工隧道范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)、地層地表、建構(gòu)筑物以及地下管線進行全面的監(jiān)控測量，以確保盾構(gòu)施工和建構(gòu)筑物安全。