重叠隧道施工顺序研究

2010-08-03吕奇峰黄明利韩雪峰

铁道标准设计 2010年10期

吕奇峰,黄明利,韩雪峰

(1.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044;2.中铁南方投资发展有限公司,深圳 518055)

1 概述

重叠隧道属于近接隧道的一种。关于近接隧道及其相关的概念有以下的定义:人们把新建结构物邻近既有结构物施工,并可能对既有结构物产生不利影响的工程称为近接工程,有关近接工程的施工称为近接施工;与隧道及地下工程有关的近接工程称为近接隧道及地下工程,近接隧道及地下工程的施工称为隧道及地下工程近接施工。在近接工程中问题最为突出的是岩土类近接工程,而近接隧道及地下工程更是首当其冲[1]。所以该问题一直以来都是研究的重要课题。但以往的研究类型相对单一,主要集中在盾构隧道中并行或交叉的情况,这些情况主要出现在日本。日本于 1987年出版了“近接施工设计指南”一书,初步给出了隧道结构相互影响的基本条件,影响范围的分类及划分,影响预测和施工对策等内容。日本学者对近接施工的研究主要集中在盾构隧道中,并且局限于既有隧道和新建隧道之间的近接施工。像深圳地铁 5号、7号线中出现的这种采用浅埋暗挖法同时开挖的小净距重叠隧道,国外较少出现。国内仅有深圳地铁一期工程中有过类似情况,即为一条线的两个隧洞上下重叠后又分叉成平行的两条单洞的情况,和本工程相比,其断面尺寸较小,且为一条线,最终的施工方案又改为上下两层的一条单洞,所以不是真正意义上的重叠隧道。由于目前国内各大城市大规模的修建地铁,可以预见,这种同时施工的双线重叠隧道将会大量出现。因此,有必要结合现在正在施工的深圳地铁 5号、7号线重叠隧道来做全面的研究,为将来类似的工程提供借鉴。

2 工程概况及施工中遇到的主要问题

该段重叠隧道位于在建的深圳地铁 5号线太怡区间,太怡区间连接太安路站和怡景路站。太安路站为换乘车站,5号线、7号线同时接入,5号线在上,为双连拱隧道,7号线在下,为两个单洞隧道。其重叠段横断面和平面如图1、图2所示。

该段隧道所处地层呈现明显的上软下硬的特点。该段地层上覆第四系人工堆积层(Q4ml)、冲洪积层(Q4al+pl)、坡积层(Q3dl)、残积层(Qel),下伏震旦系混合岩(Z)。其中第四系土主要是人工堆积素填土、杂填土,冲、洪积粉质黏土、粉砂、中砂、粗砂、坡积黏土、粉质黏土,残积砾质黏性土、砂质黏性土。震旦系混合岩的主要成分为石英、长石、云母。基体粒状变晶结构,块状构造。按风化程度可分为全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩。

图1 深圳地铁 5号、7号线重叠段横断面

图2 深圳地铁 5号、7号线重叠段平面

在修建该段隧道时,首要的难题就是施工顺序的问题,即先开挖上面的 5号线有利,还是先开挖下面的7号线有利?由于以往类似的工程不多,值得借鉴的经验较少,该问题也成为整个深圳地铁 5号线施工中的重点难题。

3 初步分析

对于重叠隧道的施工顺序问题,有两种选择:工况1,先修上层隧道;工况 2,先修下层隧道。国外对该问题的研究主要集中在盾构隧道上,对于矿山法修筑的重叠隧道,1998年 9月,日本“隧道与地下工程”中一篇文章详细说明了采用矿山法修筑的一座双层重叠隧道,文章指出:应先修上层隧道后修下层隧道[1],即采用工况 1的方法。国内对于该问题的研究,在深圳地铁 1号线上曾出现过类似的情况,深圳地铁一期工程中罗湖—大剧院区间出现的双洞重叠段隧道,该段隧道的施工顺序问题,文献[1～3]中认为应该先修上层隧道后修下层隧道(工况 1)。而文献[4]中的观点正好相反,即认为工况 2是有利的。

鉴于该问题还未有明确的结论,故需结合深圳地铁 5号线太怡区间重叠隧道的实际情况做进一步的分析。该段隧道采用浅埋暗挖的方法进行施工,对于浅埋隧道的开挖,其对上部地层的影响要远大于对下部地层的影响,如图3所示。图3中为浅埋隧道施工后的典型位移云图,从该图可明显看出,浅埋隧道开挖后,其上部地层变形很大,下部地层的变形则相对较小。

图3 浅埋隧道施工后的典型位移云图

在深圳地铁 5号线太怡区间重叠隧道段,若采用工况 1施工,即先修建上层的 5号线隧道,然后再开挖下层的 7号线隧道。而开挖 7号线时,地层变形主要分布在 7号线上方,而 7号线上方正好有已建好的 5号线,上方的 5号线隧道将是一个悬臂结构,势必对其造成严重影响。若采用工况 2,即先修下层的 7号线,等 7号线周围的地层变形稳定后,再修上层的 5号线隧道,而此时 5号线对地层的影响主要在其上方,对其下方的 7号线所处的地层影响较小,故和工况 1相比,工况 2较为有利。

另外,该段隧道所处地层上软下硬,因此下层的 7号线需要爆破施工,若按照工况 1来修建,即先施工上层的 5号线隧道,等到下层的 7号线隧道爆破施工时,势必会对已建好的 5号线造成不利的影响。若改用工况 2,即先把下层的 7号线打通,再暗挖上层的 5号线,由于该段 5号线不需爆破施工,因此对已建好的 7号线影响较小。故从爆破施工这方面来分析,也应该是工况 2较为有利。

综合上述两方面的分析,可以初步得出结论,认为工况 2是有利的,即在采用浅埋暗挖法施工的重叠隧道中,应该先施工下层的隧道,然后再修建上层隧道。鉴于上述分析都为定性分析,故还不能完全认定得出的结论就是完全可靠的。若要对该问题给出明确的结论,就需有准确的计算数据来对比两种工况的优劣性。

4 计算模型

考虑到工况的复杂性,拟采用数值计算的方式来比较两种工况的优劣。数值计算软件采用 PLAXIS3D Tunnel,该软件为荷兰代尔伏特技术大学开发的有限元软件,经过多年的改进和在全世界范围的应用,已扩展成为世界知名的岩土与隧道工程软件。

计算中所用参数如表1所示。

4.1 工况 1时的计算模型

工况 1即先修建上层的 5号线,其计算模型如图4所示。该模型中上层的 5号线已经修建完毕,准备开挖下层的 7号线,7号线采用分步开挖的方式,其开挖步骤示意如图5所示。

表1 数值计算中采用的各项参数

图4 工况1时的计算模型

图5 深圳地铁7号线开挖步骤示意

4.2 工况 2时的计算模型

工况 2即先修建下层的 7号线,其计算模型如图6所示。

图6 工况2时的计算模型

该模型中下层的 7号线已经修建完毕,准备开挖上层的 5号线,5号线采用分步开挖的方式,其开挖步骤示意如图7所示。

5 计算结果及分析

对于两种工况下的计算结果,主要从塑性区的分布和衬砌内力的变化两方面来进行对比分析。

图7 深圳地铁5号线开挖步骤示意

5.1 塑性区分布

将工况 1和工况 2的塑性区分布图列于表2中。

表2 两种工况下的塑性区分布

对比分析表2中的塑性区分布情况,可见,工况 1(先上后下)的塑性区较大并且延伸到已经建好的 5号线衬砌底部,说明后建的 7号线隧道对已建成的 5号线隧道的影响很大,它们之间的土体难于维持稳定。而工况 2(先下后上)正好相反,塑性区小且对下层已经建好的 7号线影响很小。因此,从塑性区的分布来看,工况 2(先下后上)的施工顺序较工况 1(先上后下)的施工顺序有利。

5.2 衬砌内力的改变

衬砌内力主要考虑环向弯矩和环向轴力两项,规定弯矩以外侧受拉为负,内侧受拉为正;轴力以受压为负,受拉为正。在工况 1(先上后下)下,只研究上层 5号线隧道衬砌内力的变化。在工况 2(先下后上)下,只研究下层 7号线隧道衬砌内力的变化。故若要比较两种工况下衬砌内力的变化就只能考虑相对变化值,所以首先定义一个参数 λi为工况 i对隧道衬砌内力的影响率,其值为衬砌内力最大变化值和施工前内力最大值之比。

(1)在工况 1下,上层 5号线隧道衬砌的初始内力图和变化后的内力图列于表3中。

(2)在工况 2时,衬砌内力的计算结果及其分析如表4所示。

对比表3和表4的计算结果,很明显,不论是弯矩还是轴力,都有 λ2＜λ1。因此按照影响率的定义,从隧道衬砌的内力变化来说,工况 2是比较安全的,即先下后上的施工顺序比较有利。