盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道小間距并行施工技術(shù)研究

王振田

（中鐵二十一局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，人口擁擠、交通堵塞已成為各大城市亟待解決的主要問題。而城市地鐵因其高效、安全、快捷、環(huán)保等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為各大城市解決上述問題的首要選擇［1-2］。

在我國的城市地鐵建設(shè)中，地鐵線路一般采用雙線平行的方式進(jìn)行布設(shè)。由于城市地下空間有限，為解決線路總體規(guī)劃問題，近年來對(duì)于小凈距隧道的需求逐步呈現(xiàn)。重慶市北部新區(qū)金童路南段道路工程中火風(fēng)山隧道左右線間距約為0.7D0［3］；深圳市地鐵一號(hào)線科（技園）白（石洲）區(qū)間雙線隧道間距約為0.5～1.2D0（D0為隧道開挖跨度）［4］；南京地鐵1號(hào)線小行站-安德門站區(qū)間菊花臺(tái)二號(hào)隧道和南延左線、南延右線隧道三洞并行，三洞間平均間距4 m，最小間距僅為1.69 m［5］；西安市軌道交通工程1號(hào)線棗園北路站-漢城路站區(qū)間為雙線不等大斷面隧道，雙洞間距4.247 m，僅為雙洞外徑的0.7倍和0.38倍［6］。

為同時(shí)滿足雙線正常行車和右線車輛調(diào)度需求，成都地鐵5號(hào)線九興大道站左線采用傳統(tǒng)小斷面盾構(gòu)法施工，右線設(shè)置83 m的大斷面隧道，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，形成了左線盾構(gòu)隧道與右線大斷面淺埋暗挖隧道并行的工況，左右線隧道最小凈距2.9 m，分別是盾構(gòu)隧道外徑的0.48倍和暗挖隧道跨度的0.23倍，遠(yuǎn)小于《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013）中的建議值。雙線在創(chuàng)業(yè)路下方近距離下穿既有地下行車通道結(jié)構(gòu)，從而對(duì)新建隧道施工提出了更高要求。

目前小凈距隧道的研究方法有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)［7］、數(shù)值分析［8-9］等。鑒于依托工程中盾構(gòu)與大斷面淺埋暗挖隧道并行下穿的施工特點(diǎn)，國內(nèi)尚無太多施工經(jīng)驗(yàn)可尋。為確保施工過程安全，盡量減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，本文通過對(duì)依托工程施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，著重探討和分析雙洞施工引起的地表沉降特點(diǎn)以及中間土體應(yīng)力變化等規(guī)律，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及施工措施進(jìn)行了介紹，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

2 工程背景

2．1 工程概況

成都市軌道交通5號(hào)線為成都第七條地鐵線路，5號(hào)線九興大道站位于高朋大道和九興大道交叉路口處（見圖1），為地下兩層11.5 m島式站臺(tái)車站，車站沿九興大道東西向敷設(shè)，兩側(cè)分別連接神仙樹站與科園站。為同時(shí)滿足雙線正常行車和右線車輛調(diào)度需求，車站右線設(shè)置配線段，配線段總長339.5 m，為單列位單停車線，其中包含83 m的斷面隧道，采用暗挖法施工。

雙線隧道中，左線盾構(gòu)隧道采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，開挖直徑約6.28 m，采用單層管片襯砌，襯砌內(nèi)外徑分別為6 m和5.4 m，每環(huán)襯砌寬1.5 m，由三塊標(biāo)準(zhǔn)塊、兩塊鄰接塊和一塊封頂塊組成，環(huán)間錯(cuò)縫拼裝。

圖1 小凈距盾構(gòu)與淺埋暗挖隧道平面布置

右線暗挖隧道開挖跨度為12.6 m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法施工。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)與二次襯砌厚度分別為0.35 m和0.6 m。初期支護(hù)采用鋼格柵+鋼筋網(wǎng)+C25噴射混凝土；二次襯砌采用模筑C25、P8混凝土澆筑。暗挖施工嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的原則進(jìn)行。具體施工流程見下圖2。（1）超前支護(hù)，拱部施作長18.5 mφ108大管棚，上半斷面施作3 m長φ42超前小導(dǎo)管，開挖1部，施作初期支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)，施作自進(jìn)式錨管和鎖腳錨管，拱背回填注水泥漿；（2）開挖2部，施作初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，施作自進(jìn)式錨管和鎖腳錨管；（3）3部開挖，施作初期支護(hù)和臨時(shí)仰拱，拱背回填注水泥漿；（4）4部開挖，施作初期支護(hù)；（5）分段拆除支撐，施工防水層，模筑二襯。

圖2 大斷面隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工示意

2．2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)鉆孔揭示，場(chǎng)地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Qml4），其下土層主要包括黏質(zhì)粉土、細(xì)砂、稍密-密實(shí)卵石、中砂以及強(qiáng)風(fēng)化泥巖（見圖3）。其中，新建隧道主要穿越卵石地層（2-9），成分以巖漿巖、變質(zhì)巖類巖石為主，形狀以亞圓形為主，少量圓形，磨圓度較好，分選性差，風(fēng)化程度為中風(fēng)化-微風(fēng)化。卵石含量一般在60%～70%之間，卵石粒徑以2～15 cm為主，最大粒徑大于20 cm，充填物主要為細(xì)、中砂及圓礫，巖石單軸抗壓強(qiáng)度多在27.1～84.9 MPa之間，卵石為較軟巖-堅(jiān)硬巖，曲率系數(shù)為0.5～60.1，不均勻系數(shù)為77.0～407.4，為級(jí)配不良卵石（見圖4）。

砂卵石地層為典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其主要特征為巖體松散、孔隙率大、黏聚力幾乎為0，單個(gè)巖體強(qiáng)度高但整體強(qiáng)度較低，塊體之間由于骨架作用易形成臨界拱，砂卵石地層中開挖隧道易造成突然坍塌且失穩(wěn)機(jī)制較為復(fù)雜。僅在成都地鐵1號(hào)線人民路沿線施工中就曾發(fā)生多次因地面塌陷造成的房屋基礎(chǔ)懸空和行駛車輛掉入空洞等事故［10］。

圖3 依托工程地質(zhì)橫斷面

圖4 依托工程砂卵石地層樣貌

3 數(shù)值計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

3．1 數(shù)值計(jì)算模型的建立

同時(shí)考慮邊界條件和模型計(jì)算效率，建立的模型尺寸為長（y）×寬（x）×高（z）＝60 m×101.5 m×44.7 m，模型共包括142 280個(gè)單元，148 789個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型如圖5所示。

3．2 本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)的選取

計(jì)算中采用摩爾-庫侖模型模擬圍巖材料，該模型為巖土工程通用本構(gòu)模型［11］，被廣泛應(yīng)用于松散或膠結(jié)的顆粒狀材料、土體、巖石以及混凝土材料的剪切破壞分析中，依托工程中的土層特點(diǎn)比較符合該模型的使用條件。

加強(qiáng)與重慶銀監(jiān)會(huì)溝通協(xié)調(diào)。加大對(duì)金融機(jī)構(gòu)開展涉農(nóng)信貸業(yè)務(wù)的鼓勵(lì)措施，強(qiáng)化其農(nóng)業(yè)支持和扶貧攻堅(jiān)責(zé)任和義務(wù)，同時(shí)適度降低其涉農(nóng)貸款存貸比、壞賬率等指標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)；鼓勵(lì)擔(dān)保公司業(yè)務(wù)下基層，將分支機(jī)構(gòu)進(jìn)一步延伸至區(qū)縣和中心鎮(zhèn)。

根據(jù)地勘報(bào)告，對(duì)土層進(jìn)行適當(dāng)簡化，計(jì)算中選取的各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖5 模型網(wǎng)格圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)管片、盾殼、盾尾注漿層以及暗挖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采用各項(xiàng)同行的彈性模型。其中，盾構(gòu)管片彈性模量的選取考慮了0.8的剛度折減系數(shù)，暗挖隧道鋼拱架作用按照剛度等效的原則折算到初期支護(hù)及臨時(shí)支撐中。彈性材料計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 各彈性材料物理力學(xué)參數(shù)

3．3 雙線隧道施工模擬方案

（1）淺埋暗挖隧道施工模擬

數(shù)值計(jì)算中對(duì)暗挖隧道施工過程進(jìn)行適當(dāng)簡化，模擬中每次開挖后控制圍巖應(yīng)力釋放20%后施作初期支護(hù)，不同開挖步之間掌子面間距6 m?？紤]到實(shí)際施工中二次襯砌在圍巖變形穩(wěn)定后施作且遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于初期支護(hù)施作時(shí)間，因此計(jì)算中不考慮二次襯砌的作用［12］。

（2）盾構(gòu)隧道施工模擬

盾構(gòu)施工模擬中考慮的因素包括掌子面支護(hù)力、盾尾注漿壓力、漿液硬化、拖車荷載等。具體流程為：①開挖前方1.5 m的土體單元，同時(shí)弱化開挖面前方1.5 m范圍內(nèi)的土體，并在掌子面上施加相應(yīng)的支護(hù)壓力；②在盾殼所在范圍激活預(yù)設(shè)的盾殼shell單元；③按照前兩步的方法推進(jìn)5環(huán)，盾殼完全進(jìn)入土體后，開始在盾尾后方施加環(huán)向面力模擬盾尾注漿壓力；④盾構(gòu)繼續(xù)向前推進(jìn)后，再激活管片及注漿層單元，注漿層賦予硬化前材料參數(shù)，再推進(jìn)6環(huán)后，將前6環(huán)管片之后的注漿體賦予硬化后材料參數(shù)；⑤按照上述過程依次循環(huán)至盾構(gòu)開挖完成。

模擬中暗挖隧道共開挖26步，后文分析中以S1～S26表示；盾構(gòu)隧道共開挖52步，后文分析中以D1～D52表示。

4 地表沉降分析

圖6所示為雙洞不同開挖次序下模型中間斷面處左右線施工分別造成的地表沉降曲線以及最終地表沉降曲線。比較圖中曲線可以看出，無論哪種施工次序，先行隧道的施工均會(huì)造成后行隧道地表沉降在先行洞一側(cè)明顯增大，而另一側(cè)的地表沉降基本不變，故先行隧道的通過對(duì)土體造成了擾動(dòng)，從而造成后行隧道施工引起的地層損失有所增大；比較兩開挖順序造成的最終地表沉降曲線可以看出，先盾構(gòu)后暗挖造成的地表沉降值在兩洞中間區(qū)域略大于先暗挖后盾構(gòu)造成的地表沉降。

圖6 不同開挖次序下左右線施工造成的地表沉降曲線

依托工程中，先行隧道貫通后，后行隧道將面臨同時(shí)近接上方行車道和側(cè)方既有隧道施工的情況，這種情況后行隧道對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)提出了更為苛刻的要求，而相對(duì)右洞，左洞結(jié)構(gòu)斷面小，且盾構(gòu)施工本身相對(duì)暗挖施工對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)較小，故左線盾構(gòu)隧道施工對(duì)周圍環(huán)境的影響程度應(yīng)小于右線淺埋暗挖隧道施工，因此先暗挖通過后盾構(gòu)通過的方式將在總體的施工擾動(dòng)和施工風(fēng)險(xiǎn)的控制上也優(yōu)于先盾構(gòu)后暗挖的開挖順序。

綜合上述分析，在雙洞施工順序的選擇上，建議依托工程中先施工右線暗挖隧道，后施工左線盾構(gòu)隧道，且應(yīng)盡量在工期上延長雙洞施工的時(shí)間間隔。

取暗挖先行、盾構(gòu)后行工況下的地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7所示為模型中間斷面處暗挖隧道各導(dǎo)洞通過時(shí)的地表沉降槽曲線，可以看出，1號(hào)導(dǎo)洞通過后地表沉降產(chǎn)生的范圍大致在隧道軸線兩側(cè)20 m，最大沉降值約為1.2 mm，占最終沉降最大值的48%，之后隨著其它導(dǎo)洞的通過，軸線處沉降量不斷增大，而地表沉降槽覆蓋范圍基本不變，即隨著暗挖隧道各導(dǎo)洞的通過，其造成的地表沉降曲線形狀朝著“窄而深”的方向發(fā)展；2號(hào)導(dǎo)洞、3號(hào)導(dǎo)洞、4號(hào)導(dǎo)洞通過造成的地表沉降值分別占最終沉降最大值的28%、16.7%、7.3%。

圖7 暗挖隧道引起地表沉降隨開挖過程的變化

模型中間斷面處左右洞正上方測(cè)點(diǎn)地表沉降隨開挖過程的變化規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯?，由于間距較小，左右雙洞隧道的開挖均會(huì)引起另一隧道上方發(fā)生地表沉降，先行暗挖隧道通過研究斷面時(shí)引起左線盾構(gòu)隧道正上方地表沉降量為5.45 mm，占最終沉降量的18.4%；而后行盾構(gòu)隧道開挖造成右線隧道正上方位置的地表沉降量為3.88 mm，占最終沉降量的13.3%。先行暗挖隧道對(duì)盾構(gòu)隧道地表沉降的影響相對(duì)后行隧道對(duì)先行暗挖隧道的影響更大，究其原因，是右線大斷面隧道雙側(cè)壁施工對(duì)土體擾動(dòng)較大所致（見表3）。

表3 先后行隧道開挖在雙洞軸線處造成的地表沉降量

圖8 左右洞軸線處地表沉降隨開挖過程的變化

圖9 所示為暗挖隧道先行、盾構(gòu)隧道后行分別引起的地表沉降以及雙線貫通后總的地表沉降曲線。從圖中可知，暗挖先行通過后造成的地表沉降最大值為25.36 m，引起的沉降槽寬度約為40 m，暗挖隧道先行貫通后盾構(gòu)隧道通過單獨(dú)造成的地表沉降增量最大值約為24 mm，引起的沉降槽寬度約為35 m，雙線通過后地表沉降最大值約為32 mm，位于雙洞中間位置，地表沉降槽呈現(xiàn)出“U”形狀態(tài)，沉降槽橫向約為50 m，盾構(gòu)隧道的通過造成地表沉降影響范圍增加了約1／4，且雙線引起的地表沉降在兩洞之間的疊加導(dǎo)致地表沉降曲線在兩洞軸線之間區(qū)域的形狀較為平緩。

圖9 暗挖隧道先行、盾構(gòu)隧道后行造成的地表沉降曲線

5 中間土體應(yīng)力分析

對(duì)于小凈距隧道施工，中間土體的穩(wěn)定性同樣是施工安全控制的重要因素，因此取模型中間斷面處中間土體兩側(cè)最大主應(yīng)力進(jìn)行分析（見圖10）。從圖中可以看出，暗挖隧道通過期間，暗挖隧道一側(cè)土體最大主應(yīng)力由241.16 kPa迅速增大至645.46 kPa，增幅達(dá)170%。盾構(gòu)隧道通過期間該側(cè)土體最大主應(yīng)力緩慢增長，待盾構(gòu)通過后增長至745.77 kPa，增幅約15%。對(duì)于盾構(gòu)隧道一側(cè)土體，暗挖隧道通過期間其最大主應(yīng)力基本無明顯增長，盾構(gòu)隧道通過期間該側(cè)最大主應(yīng)力由248.43 kPa緩慢增長至316.66 kPa，增幅約27.4%。上述結(jié)果表明，雙線施工期間應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注暗挖隧道一側(cè)的穩(wěn)定性，同時(shí)也印證了上文中暗挖隧道施工擾動(dòng)較盾構(gòu)隧道施工更大的觀點(diǎn)，進(jìn)一步說明了所建議施工順序的合理性。

圖10 中間土體最大主應(yīng)力發(fā)展規(guī)律

6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及施工安全措施

6．1 監(jiān)控量測(cè)方案

為保證雙線隧道施工的安全性，在隧道開挖過程中對(duì)地面及上方既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)措施。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置（見圖11）圖中三角形表示地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；實(shí)心圓表示上方既有結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。與此同時(shí)，新建隧道周邊建筑結(jié)構(gòu)及地下管線也制定了嚴(yán)格的沉降變形要求和監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃，限于篇幅這里不再具體贅述。在以上監(jiān)控措施下，可以及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)、優(yōu)化施工控制方案，確保新建隧道施工和運(yùn)營期的安全。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)地表及結(jié)構(gòu)沉降測(cè)點(diǎn)布置

6．2 暗挖隧道臨近區(qū)間加撐保護(hù)

對(duì)于先行施工的淺埋大斷面暗挖隧道，為保證盾構(gòu)通過時(shí)其結(jié)構(gòu)安全性，盾構(gòu)隧道通過期間在洞內(nèi)每隔1 m設(shè)置3道型鋼支撐，待盾構(gòu)順利通過后可拆除支撐。橫向和豎向支撐型鋼采用 20a工字鋼，支撐型鋼設(shè)置接頭鋼板，采用膨脹螺栓與模筑砼連接。有永久中隔墻的部位，利用中隔墻預(yù)留孔作為中間支撐點(diǎn)，無中隔墻的部位設(shè)置 20a工字鋼作為中立柱（見圖12）。

圖12 盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)時(shí)暗挖隧道加撐保護(hù)示意

6．3 左線盾構(gòu)掘進(jìn)控制

盾構(gòu)臨近右線先行大斷面淺埋暗挖隧道期間，采用掘進(jìn)控制措施如下：（1）盾構(gòu)通過前對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢查、維修，盡量不停機(jī)通過；（2）優(yōu)化并匹配盾構(gòu)施工參數(shù)，相應(yīng)地減小盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)程度；（3）必須嚴(yán)格控制土艙壓力，同時(shí)也必須嚴(yán)格控制與土艙壓力有關(guān)的施工參數(shù)；（4）嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，盾構(gòu)姿態(tài)的變化不宜過大、過頻，以降低土層的損失和對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，減少沉降；（5）嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，通過同步注漿及時(shí)填充建筑空隙，減少施工過程中土體的變形；（6）在管片上增設(shè)注漿孔、預(yù)埋注漿管，根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況，選擇合適的時(shí)機(jī)對(duì)隧道周邊一定范圍內(nèi)的地層進(jìn)行注漿加固。

7 結(jié)論

對(duì)成都地鐵5號(hào)線九興大道站盾構(gòu)與大斷面淺埋暗挖隧道施工工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重分析了雙線施工造成的地表沉降規(guī)律及對(duì)中間土體的影響。

（1）無論何種開挖次序，先行隧道的通過均會(huì)導(dǎo)致后行隧道開挖造成的地表沉降曲線向先行洞一側(cè)偏移并有所增大。另外考慮到小斷面盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)小的特點(diǎn)，建議實(shí)際施工中先貫通右線淺埋暗挖隧道后盾構(gòu)隧道以近接施工的方式通過。

（2）暗挖隧道雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，隨著各導(dǎo)洞的通過，其造成的地表沉降形狀朝著“窄而深”的方向發(fā)展，1～4號(hào)導(dǎo)洞通過導(dǎo)致的地表沉降分別占最終沉降值的48%、28%、16.7和7.3%。

（3）先淺埋暗挖后盾構(gòu)施工的情況下，暗挖隧道通過造成的地表沉降槽寬度為40 m，盾構(gòu)隧道通過造成的地表沉降槽寬度約為35 m，暗挖隧道通過造成的地表沉降值較盾構(gòu)隧道更大。雙線通過后，地表沉降槽呈現(xiàn)出“U”形狀態(tài)，沉降槽范圍約為50 m，盾構(gòu)隧道的通過造成地表沉降影響范圍增加了約1／4，且雙線引起的地表沉降在兩洞之間的疊加導(dǎo)致地表沉降曲線在兩洞軸線之間區(qū)域的形狀較為平緩。

（4）雙線開挖過程中，中間土體最大主應(yīng)力在暗挖隧道一側(cè)相較于盾構(gòu)隧道一側(cè)受施工過程的影響更為明顯，因此在現(xiàn)場(chǎng)施工中應(yīng)格外關(guān)注。

（5）施工中對(duì)地表沉降和臨近結(jié)構(gòu)物沉降制定了嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)方案，并通過暗挖隧道襯砌加撐保護(hù)、盾構(gòu)隧道掘進(jìn)控制等措施保障了雙線隧道的安全、順利施工。