重疊隧道施工順序研究

呂奇峰,黃明利,韓雪峰

(1.北京交通大學(xué)隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044;2.中鐵南方投資發(fā)展有限公司,深圳 518055)

1 概述

重疊隧道屬于近接隧道的一種。關(guān)于近接隧道及其相關(guān)的概念有以下的定義:人們把新建結(jié)構(gòu)物鄰近既有結(jié)構(gòu)物施工,并可能對(duì)既有結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響的工程稱為近接工程,有關(guān)近接工程的施工稱為近接施工;與隧道及地下工程有關(guān)的近接工程稱為近接隧道及地下工程,近接隧道及地下工程的施工稱為隧道及地下工程近接施工。在近接工程中問題最為突出的是巖土類近接工程,而近接隧道及地下工程更是首當(dāng)其沖[1]。所以該問題一直以來都是研究的重要課題。但以往的研究類型相對(duì)單一,主要集中在盾構(gòu)隧道中并行或交叉的情況,這些情況主要出現(xiàn)在日本。日本于 1987年出版了“近接施工設(shè)計(jì)指南”一書,初步給出了隧道結(jié)構(gòu)相互影響的基本條件,影響范圍的分類及劃分,影響預(yù)測(cè)和施工對(duì)策等內(nèi)容。日本學(xué)者對(duì)近接施工的研究主要集中在盾構(gòu)隧道中,并且局限于既有隧道和新建隧道之間的近接施工。像深圳地鐵 5號(hào)、7號(hào)線中出現(xiàn)的這種采用淺埋暗挖法同時(shí)開挖的小凈距重疊隧道,國(guó)外較少出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)僅有深圳地鐵一期工程中有過類似情況,即為一條線的兩個(gè)隧洞上下重疊后又分叉成平行的兩條單洞的情況,和本工程相比,其斷面尺寸較小,且為一條線,最終的施工方案又改為上下兩層的一條單洞,所以不是真正意義上的重疊隧道。由于目前國(guó)內(nèi)各大城市大規(guī)模的修建地鐵,可以預(yù)見,這種同時(shí)施工的雙線重疊隧道將會(huì)大量出現(xiàn)。因此,有必要結(jié)合現(xiàn)在正在施工的深圳地鐵 5號(hào)、7號(hào)線重疊隧道來做全面的研究,為將來類似的工程提供借鑒。

2 工程概況及施工中遇到的主要問題

該段重疊隧道位于在建的深圳地鐵 5號(hào)線太怡區(qū)間,太怡區(qū)間連接太安路站和怡景路站。太安路站為換乘車站,5號(hào)線、7號(hào)線同時(shí)接入,5號(hào)線在上,為雙連拱隧道,7號(hào)線在下,為兩個(gè)單洞隧道。其重疊段橫斷面和平面如圖1、圖2所示。

該段隧道所處地層呈現(xiàn)明顯的上軟下硬的特點(diǎn)。該段地層上覆第四系人工堆積層(Q4ml)、沖洪積層(Q4al+pl)、坡積層(Q3dl)、殘積層(Qel),下伏震旦系混合巖(Z)。其中第四系土主要是人工堆積素填土、雜填土,沖、洪積粉質(zhì)黏土、粉砂、中砂、粗砂、坡積黏土、粉質(zhì)黏土,殘積礫質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土。震旦系混合巖的主要成分為石英、長(zhǎng)石、云母?；w粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖。

圖1 深圳地鐵 5號(hào)、7號(hào)線重疊段橫斷面

圖2 深圳地鐵 5號(hào)、7號(hào)線重疊段平面

在修建該段隧道時(shí),首要的難題就是施工順序的問題,即先開挖上面的 5號(hào)線有利,還是先開挖下面的7號(hào)線有利?由于以往類似的工程不多,值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少,該問題也成為整個(gè)深圳地鐵 5號(hào)線施工中的重點(diǎn)難題。

3 初步分析

對(duì)于重疊隧道的施工順序問題,有兩種選擇:工況1,先修上層隧道;工況 2,先修下層隧道。國(guó)外對(duì)該問題的研究主要集中在盾構(gòu)隧道上,對(duì)于礦山法修筑的重疊隧道,1998年 9月,日本“隧道與地下工程”中一篇文章詳細(xì)說明了采用礦山法修筑的一座雙層重疊隧道,文章指出:應(yīng)先修上層隧道后修下層隧道[1],即采用工況 1的方法。國(guó)內(nèi)對(duì)于該問題的研究,在深圳地鐵 1號(hào)線上曾出現(xiàn)過類似的情況,深圳地鐵一期工程中羅湖—大劇院區(qū)間出現(xiàn)的雙洞重疊段隧道,該段隧道的施工順序問題,文獻(xiàn)[1～3]中認(rèn)為應(yīng)該先修上層隧道后修下層隧道(工況 1)。而文獻(xiàn)[4]中的觀點(diǎn)正好相反,即認(rèn)為工況 2是有利的。

鑒于該問題還未有明確的結(jié)論,故需結(jié)合深圳地鐵 5號(hào)線太怡區(qū)間重疊隧道的實(shí)際情況做進(jìn)一步的分析。該段隧道采用淺埋暗挖的方法進(jìn)行施工,對(duì)于淺埋隧道的開挖,其對(duì)上部地層的影響要遠(yuǎn)大于對(duì)下部地層的影響,如圖3所示。圖3中為淺埋隧道施工后的典型位移云圖,從該圖可明顯看出,淺埋隧道開挖后,其上部地層變形很大,下部地層的變形則相對(duì)較小。

圖3 淺埋隧道施工后的典型位移云圖

在深圳地鐵 5號(hào)線太怡區(qū)間重疊隧道段,若采用工況 1施工,即先修建上層的 5號(hào)線隧道,然后再開挖下層的 7號(hào)線隧道。而開挖 7號(hào)線時(shí),地層變形主要分布在 7號(hào)線上方,而 7號(hào)線上方正好有已建好的 5號(hào)線,上方的 5號(hào)線隧道將是一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu),勢(shì)必對(duì)其造成嚴(yán)重影響。若采用工況 2,即先修下層的 7號(hào)線,等 7號(hào)線周圍的地層變形穩(wěn)定后,再修上層的 5號(hào)線隧道,而此時(shí) 5號(hào)線對(duì)地層的影響主要在其上方,對(duì)其下方的 7號(hào)線所處的地層影響較小,故和工況 1相比,工況 2較為有利。

另外,該段隧道所處地層上軟下硬,因此下層的 7號(hào)線需要爆破施工,若按照工況 1來修建,即先施工上層的 5號(hào)線隧道,等到下層的 7號(hào)線隧道爆破施工時(shí),勢(shì)必會(huì)對(duì)已建好的 5號(hào)線造成不利的影響。若改用工況 2,即先把下層的 7號(hào)線打通,再暗挖上層的 5號(hào)線,由于該段 5號(hào)線不需爆破施工,因此對(duì)已建好的 7號(hào)線影響較小。故從爆破施工這方面來分析,也應(yīng)該是工況 2較為有利。

綜合上述兩方面的分析,可以初步得出結(jié)論,認(rèn)為工況 2是有利的,即在采用淺埋暗挖法施工的重疊隧道中,應(yīng)該先施工下層的隧道,然后再修建上層隧道。鑒于上述分析都為定性分析,故還不能完全認(rèn)定得出的結(jié)論就是完全可靠的。若要對(duì)該問題給出明確的結(jié)論,就需有準(zhǔn)確的計(jì)算數(shù)據(jù)來對(duì)比兩種工況的優(yōu)劣性。

4 計(jì)算模型

考慮到工況的復(fù)雜性,擬采用數(shù)值計(jì)算的方式來比較兩種工況的優(yōu)劣。數(shù)值計(jì)算軟件采用 PLAXIS3D Tunnel,該軟件為荷蘭代爾伏特技術(shù)大學(xué)開發(fā)的有限元軟件,經(jīng)過多年的改進(jìn)和在全世界范圍的應(yīng)用,已擴(kuò)展成為世界知名的巖土與隧道工程軟件。

計(jì)算中所用參數(shù)如表1所示。

4.1 工況 1時(shí)的計(jì)算模型

工況 1即先修建上層的 5號(hào)線,其計(jì)算模型如圖4所示。該模型中上層的 5號(hào)線已經(jīng)修建完畢,準(zhǔn)備開挖下層的 7號(hào)線,7號(hào)線采用分步開挖的方式,其開挖步驟示意如圖5所示。

表1 數(shù)值計(jì)算中采用的各項(xiàng)參數(shù)

圖4 工況1時(shí)的計(jì)算模型

圖5 深圳地鐵7號(hào)線開挖步驟示意

4.2 工況 2時(shí)的計(jì)算模型

工況 2即先修建下層的 7號(hào)線,其計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 工況2時(shí)的計(jì)算模型

該模型中下層的 7號(hào)線已經(jīng)修建完畢,準(zhǔn)備開挖上層的 5號(hào)線,5號(hào)線采用分步開挖的方式,其開挖步驟示意如圖7所示。

5 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于兩種工況下的計(jì)算結(jié)果,主要從塑性區(qū)的分布和襯砌內(nèi)力的變化兩方面來進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7 深圳地鐵5號(hào)線開挖步驟示意

5.1 塑性區(qū)分布

將工況 1和工況 2的塑性區(qū)分布圖列于表2中。

表2 兩種工況下的塑性區(qū)分布

對(duì)比分析表2中的塑性區(qū)分布情況,可見,工況 1(先上后下)的塑性區(qū)較大并且延伸到已經(jīng)建好的 5號(hào)線襯砌底部,說明后建的 7號(hào)線隧道對(duì)已建成的 5號(hào)線隧道的影響很大,它們之間的土體難于維持穩(wěn)定。而工況 2(先下后上)正好相反,塑性區(qū)小且對(duì)下層已經(jīng)建好的 7號(hào)線影響很小。因此,從塑性區(qū)的分布來看,工況 2(先下后上)的施工順序較工況 1(先上后下)的施工順序有利。

5.2 襯砌內(nèi)力的改變

襯砌內(nèi)力主要考慮環(huán)向彎矩和環(huán)向軸力兩項(xiàng),規(guī)定彎矩以外側(cè)受拉為負(fù),內(nèi)側(cè)受拉為正;軸力以受壓為負(fù),受拉為正。在工況 1(先上后下)下,只研究上層 5號(hào)線隧道襯砌內(nèi)力的變化。在工況 2(先下后上)下,只研究下層 7號(hào)線隧道襯砌內(nèi)力的變化。故若要比較兩種工況下襯砌內(nèi)力的變化就只能考慮相對(duì)變化值,所以首先定義一個(gè)參數(shù) λi為工況 i對(duì)隧道襯砌內(nèi)力的影響率,其值為襯砌內(nèi)力最大變化值和施工前內(nèi)力最大值之比。

(1)在工況 1下,上層 5號(hào)線隧道襯砌的初始內(nèi)力圖和變化后的內(nèi)力圖列于表3中。

(2)在工況 2時(shí),襯砌內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果及其分析如表4所示。

對(duì)比表3和表4的計(jì)算結(jié)果,很明顯,不論是彎矩還是軸力,都有 λ2＜λ1。因此按照影響率的定義,從隧道襯砌的內(nèi)力變化來說,工況 2是比較安全的,即先下后上的施工順序比較有利。

表3 工況 1下襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

6 結(jié)論

通過以上分析及數(shù)值模擬研究,對(duì)于該段重疊隧道,可得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)在重疊隧道施工中,建議采用工況 2的施工順序,即先施工下層隧道后施工上層隧道。

(2)對(duì)于深圳地鐵 5號(hào)線太怡區(qū)間重疊隧道段,若采用工況 2的方法施工,下層的 7號(hào)線隧道受上層的 5號(hào)線隧道的開挖影響較小,7號(hào)線隧道襯砌內(nèi)力改變劇烈處為兩個(gè)導(dǎo)洞的右上角處,在該處應(yīng)相應(yīng)的提高襯砌的承載能力,另外,7號(hào)線隧道仰拱處受力巨大,也應(yīng)該提高襯砌的承載能力。

表4 工況 2下襯砌內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

(3)通過數(shù)值軟件模擬巖土工程的施工問題,雖然會(huì)受到巖土參數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)量的限制,但在對(duì)比選擇方案時(shí),卻可以忽略巖土參數(shù)的影響,因?yàn)楦鞣桨钢胁捎玫膮?shù)都一樣,所以該方法具有科學(xué)、快速、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn),在所有的方案對(duì)比的工程中,采用數(shù)值模擬的方法都是值得推廣應(yīng)用的。

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