新建重疊盾構(gòu)隧道施工順序及加固措施探究

1 研究背景

某城市地鐵9號(hào)線盾構(gòu)隧道與12號(hào)線盾構(gòu)隧道在某路口上下交叉重疊，其中12號(hào)線盾構(gòu)隧道位于9號(hào)線盾構(gòu)隧道下方，重疊長度約70 m，最小凈距為1.87 m；上方9號(hào)線同時(shí)下穿1800 mm×1200 mm雨水箱涵。該雨水箱涵側(cè)墻為片石結(jié)構(gòu)。見圖1、圖2。

圖1 交叉節(jié)點(diǎn)平面關(guān)系

圖2 交叉節(jié)點(diǎn)剖面關(guān)系

兩條線盾構(gòu)隧道襯砌管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片環(huán)寬1.5 m，厚度300 mm。襯砌環(huán)由一塊封頂塊F（15°）、兩塊鄰接塊L（64.5°）、三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊B（72°）組成，均采用C50鋼筋混凝土制作；交叉段采用加強(qiáng)型配筋，受力主筋直徑20 mm螺紋鋼，含鋼量為0.19；管片采用通用楔形環(huán)（楔形量38 mm）錯(cuò)縫拼裝。管片間采用M24彎螺栓連接，螺栓均為機(jī)械性能5.6級，墊片機(jī)械性能等級最低為Hv=140。每環(huán)縫面上設(shè)有10個(gè)縱向螺栓，沿襯砌環(huán)環(huán)向均勻布置，每縱縫面上設(shè)2個(gè)環(huán)間螺栓。

在保證工程自身及周邊建（構(gòu)）筑物安全的前提下，為確保9號(hào)線站后鋪軌工程進(jìn)場條件和試運(yùn)營工期，研究采用“先上后下”施工方案的可行性，即先施工上部9號(hào)線隧道，再施工下部12號(hào)線隧道。在此背景下，對兩條線盾構(gòu)隧道施工順序、施工措施進(jìn)行分析研究，為工程實(shí)施提供技術(shù)支持。

2 工程地質(zhì)條件

重疊隧道區(qū)域上覆地層為素填土、中粗砂、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、中粗砂、礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖等，重疊隧道夾層地質(zhì)主要為淤泥質(zhì)黏土和中粗砂，且砂層廣泛分布在隧道的正上方。巖土設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 巖土設(shè)計(jì)參數(shù)

3 施工順序分析探究

2006年，鄭余朝等［1］以深圳地鐵老街—大劇院區(qū)間重疊隧道為背景，考慮“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”兩種施工順序進(jìn)行了三維彈塑性有限元分析，從先施工隧道的內(nèi)力演變來看，“先施工下洞，后施工上洞”的安全性優(yōu)于“先施工上洞，后施工下洞”的施工順序。

2010年，章慧健等［2］就深圳地鐵3號(hào)線老街站—曬布路站區(qū)間為研究背景，得出結(jié)論：位于先建隧道上方的后挖隧道施工引起的先建隧道不均勻沉降主要出現(xiàn)在掌子面前方約3.5D到后方3D（D為隧道直徑）的范圍內(nèi)。

2011年，周明亮［3］以深圳地鐵2號(hào)線大劇院站至湖貝站上下重疊小凈距盾構(gòu)區(qū)間隧道工程為研究背景，得出結(jié)論：先下后上重疊盾構(gòu)隧道，上部隧道施工過程中，下洞采取鋼管支撐可有效保護(hù)下洞施工安全。

2013年謝雄耀［4］以上海軌道交通13號(hào)線淮海中路—淡水路區(qū)間為背景，研究分析得出結(jié)論：從縱向位移及既有隧道的內(nèi)力改變來看，先下后上施工順序的安全性優(yōu)于先上后下的施工順序。

結(jié)合以上研究成果分析國內(nèi)已建成重疊隧道工程實(shí)例可知，國內(nèi)重疊隧道大部分采用“先下后上”施工順序來控制重疊隧道的施工安全。

針對本工程9號(hào)線盾構(gòu)隧道與12號(hào)線盾構(gòu)隧道上下重疊情況，采用ANSYS軟件計(jì)算分析“先上后下”“先下后上”兩種施工工序。盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，地層采用實(shí)體單元模擬；單元總數(shù)為4424，兩種施工順序的計(jì)算參數(shù)與地質(zhì)勘查參數(shù)完全相同；根據(jù)結(jié)構(gòu)分析需要，計(jì)算模型尺寸為70 m×41 m（水平×豎直）。采用自重應(yīng)力場，左右邊界設(shè)置為水平方向約束，下邊界設(shè)置為垂直方向約束，地表為自由面不設(shè)置約束。根據(jù)分析計(jì)算，圖3、圖4分別給出先上后下、先下后上施工工況的豎向位移云圖、襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖。

圖3 豎直位移云圖（單位：mm）

圖4 雙洞開挖結(jié)構(gòu)彎矩（單位：N·m）

根據(jù)分析結(jié)果可知：本工程采用“先上后下”施工順序時(shí)地表最大沉降值為2.95 mm；采用“先下后上”施工順序時(shí)地表最大沉降值為3.03 mm。兩種工序拱頂沉降最大值均位于上洞，分別為5.84、6.04 mm；仰拱隆起最大值均位于下洞，分別為2.05、2.06 mm。

“先上后下”施工順序開挖時(shí)，上洞開挖完后最大塑性應(yīng)變?yōu)?.002532，兩洞全部開挖完成后最大塑性應(yīng)變?nèi)詾?.002532，最大塑性區(qū)集中在上洞周邊3 m圍巖區(qū)域；“先下后上”開挖時(shí)，下洞開挖完成后最大塑性應(yīng)變?yōu)?.001105，兩洞全部開挖完成后最大塑性應(yīng)變?yōu)?.003643，最大塑性區(qū)集中在上洞周邊3 m圍巖區(qū)域。

由單洞開挖后結(jié)構(gòu)剪力及雙洞開挖后結(jié)構(gòu)彎矩分析可知，“先上后下”開挖最大彎矩值位于上洞拱底部位，最大值為12881 N·m；“先下后上”開挖最大彎矩值位于下洞拱腰部位，最大值為10635 N·m。但“先上后下”開挖仰拱處大彎距范圍較小，而“先下后上”開挖上洞拱腰處大彎距范圍較大。

綜上分析，本工程在“先上后下”“先下后上”兩種工序下，地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力值變化，采用“先上后下”施工比“先下后上”施工較為有利。

本文所論述交錯(cuò)隧道的凈距僅1.87 m（幾乎為設(shè)計(jì)中的最小值），無論施工順序?yàn)椤跋壬虾笙隆边€是“先下后上”，重疊段后建隧道對先建隧道影響均較大，都必須采取有效措施控制隧道之間的相互影響。

4 加固措施分析研究

根據(jù)上節(jié)分析，采用“先上后下”的施工方案技術(shù)可行。為確保后建12號(hào)線隧道下穿先建9號(hào)線隧道時(shí)的施工安全，保證成型隧道的施工質(zhì)量，提前對隧道重疊區(qū)域進(jìn)行全斷面地基加固，改良隧道周邊的不良地層，提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

由于后挖隧道對先挖隧道的“卸載”效應(yīng)，先挖隧道的襯砌管片朝后挖隧道方向變形，嚴(yán)重者可引起管片開裂滲水，影響隧道的正常使用。另一方面，這種影響是隨著后挖隧道掌子面的推進(jìn)而推進(jìn)的，只在掌子面前后一定范圍內(nèi)存在，也就是說，對于先挖隧道某一點(diǎn)的影響是臨時(shí)的，待到后挖隧道施工完成后，先挖隧道相對于朝后挖隧道方向移動(dòng)了一定距離，縱向效應(yīng)消失或大幅減小。因此，通過提高先建隧道管片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度可有效應(yīng)對重疊隧道施工的縱向效應(yīng)［2］。圖5、圖6分別為先建上部隧道斷面最大縱向彎矩、橫斷面最大縱向剪力圖。

圖5 斷面最大縱向彎矩(單位：N·m)

圖6 橫斷面最大縱向剪力(單位：N)

盾構(gòu)隧道直徑為6 m，共有10根縱向螺栓，故每個(gè)螺栓承擔(dān)的環(huán)向長度應(yīng)為1.885 m，即拱頂位置（最不利位置）螺栓應(yīng)承擔(dān)的縱向彎矩應(yīng)力76.4 kN·m，由于軸力為壓力，偏于安全，按純彎構(gòu)件進(jìn)行螺栓驗(yàn)算。由于縱向鋼筋配置較小，導(dǎo)致容許阻力矩過小，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)彎矩。

盾構(gòu)隧道環(huán)間縱向設(shè)10個(gè)連接螺栓，管片縱、環(huán)向手孔標(biāo)準(zhǔn)段均采用8.8級（抗剪強(qiáng)度為150 MPa）M24連接。經(jīng)檢算，螺栓需承受的剪應(yīng)力為352.23 MPa，大于抗剪承載強(qiáng)度。經(jīng)分析可知盾構(gòu)隧道施工過程中，縱向剪力與縱向彎矩具有很強(qiáng)的臨時(shí)性，在上盾構(gòu)隧道施工過程中，可對上部盾構(gòu)隧道設(shè)置臨時(shí)鋼架支撐，用以分擔(dān)螺栓上承受的剪力與彎矩，以確保盾構(gòu)管片螺栓的安全［5］。

根據(jù)盾構(gòu)隧道縱向螺栓抗彎、抗剪驗(yàn)算，需采用臨時(shí)支撐縱向連接來承受盾構(gòu)掘進(jìn)過程中后建隧道引起先建隧道環(huán)縫超過螺栓承載能力的臨時(shí)彎矩、剪力。擬采用20a工字鋼（容許剪應(yīng)力為100 MPa）臨時(shí)鋼架支撐加固，分別采用6、7、8根20a工字鋼支撐對先建隧道進(jìn)行加固，計(jì)算得出螺栓承受剪應(yīng)力見表2。

表2 臨時(shí)支撐剪力驗(yàn)算

在12號(hào)線隧道下穿9號(hào)線隧道期間，先建9號(hào)線隧道對應(yīng)位置采用鋼架支撐或液壓支撐臺(tái)車［6］來支撐重疊段隧道以控制后建隧道對先建隧道洞內(nèi)支撐體系的相關(guān)要求。防止先建隧道發(fā)生變形，確保隧道的安全和質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文結(jié)合重疊隧道已有研究成果，針對本工程9號(hào)線與12號(hào)線70 m重疊，保證工程自身及周邊建（構(gòu)）筑物安全的前提下，為確保9號(hào)線站后鋪軌工程進(jìn)場條件和試運(yùn)營工期，研究采用“先上后下”施工方案的可行性，得到如下結(jié)論：

1）本工程重疊段隧道“先上后下”施工順序可行，而且采用“先上后下”施工比“先下后上”施工有利。

2）無論施工順序?yàn)椤跋壬虾笙隆边€是“先下后上”，重疊段后建隧道對先建隧道影響均較大，都必須采取有效措施控制隧道之間的相互影響。近距離重疊隧道工程周邊環(huán)境、地質(zhì)條件各有不同，根據(jù)各工程特點(diǎn)具體分析“先下后上”或“先上后下”施工順序的利弊，并采取相應(yīng)措施控制后施工隧道對先施工隧道的影響。重疊區(qū)段應(yīng)設(shè)置鋼架支撐等結(jié)構(gòu)以控制后建隧道對先建隧道洞內(nèi)支撐體系是必要的。

3）類似工程中，控制后建隧道對先建隧道影響的建議：①有條件的情況下，線路專業(yè)盡量將重疊隧道線間距拉大，降低工程風(fēng)險(xiǎn)、控制工程造價(jià)；②施工順序、加固措施應(yīng)根據(jù)重疊隧道所處地層、周邊環(huán)境、隧道間距離具體分析。