北京地铁6号线盾构区间叠落隧道设计思考

2014-02-13刘清文

都市快轨交通 2014年4期

刘清文赵磊

(北京城建设计发展集团股份有限公司北京100037)

1 国内外盾构区间叠落隧道概述

地铁线路在城区地段受规划条件、既有建(构)筑物和车站设置形式等因素影响，出现了大量的近接工程，盾构区间叠落隧道作为自身小净距近接工程的一种已在国内外一些城市地铁建设中出现，作为一种区间特殊布置形式已在国内外引起各方的研究热潮。

盾构区间自身叠落隧道近年来在深圳、北京、上海、广州、杭州等地已有实施，如深圳地铁2号线东延线东门南站—黄贝岭站区间叠落隧道，该线路从东门南站以叠线方式出站后转为平行隧道，重叠段长度111 m;深圳地铁3号线红岭中路站—老街站—晒布站区间交叠隧道，为区间避让建筑物基础形成叠落，两区间叠落段总长为1 045 m;北京地铁6、8号线南锣鼓巷站受周边建筑规划及线路布置的影响，均为两线上下叠落车站，两端区间形成叠落段;上海轨道交通明珠线地铁二期浦东南路站—南浦大桥站区间，穿越南浦大桥和新地大厦两处狭窄通道，形成叠落段，隧道叠交距离约为437.7 m，最小净距为2 m;广州地铁5号线区庄站—动物园站区间和动物园站—杨箕站盾构区间，为规避内环梅东路立交桥桩基，动物园站两线上下重叠，两端形成叠落;杭州地铁1号线文化广场站—艮山门站盾构区间，为规避建筑物形成约90 m的交叉重叠段。国外类似工程实例有日本新建Tozai地铁线与既有Keishin地铁线的连接工程，为四孔麻花形的线路形式;新加坡高速公路交通系统采用四孔平行隧道穿越回填土和海相黏土冲积层［1］。

关于盾构叠落隧道的研究较多，有数值模拟、施工分析及安全控制等方面，研究成果如张海波等人对上海浦东南路站—南浦大桥站区间长距离交叠隧道的模拟［2］、张晓军等人对深圳地铁3号线红岭中路站—老街站—晒布站区间交叠隧道的研究［3］等，主要研究内容:一是近距离隧道施工时的相互影响及其环境影响;二是运营期间列车振动荷载对隧道结构及周围环境的影响。

北京地铁6号线南锣鼓巷站—东四站区间的盾构叠落隧道，作为北京市最早开通运营的盾构叠落隧道工程，在设计中吸取国内外已有的研究成果，结合北京市地质情况和6号线叠落段的实施特点，对隧道受力和变形进行分析预测，并对下方隧道的结构设计和实施监测情况进行分析研究。

2 北京地铁6号线相关工程概况

北京地铁6号线南—东区间(右K11+204.220～右K12+862.914)，长1 658.694 m，区间出左右线叠落的南锣鼓巷站，向东局部矿山法后至盾构始发井，叠落盾构区间段为右K11+253.281～右K11+492.029，长度约238.7 m。叠落段位于中心城区，地面标高为44.5～46.4 m，规划为玉河风貌保护区及商业区。主要风险源为隧道下穿4～5层砖混结构居民楼，隧道顶与建筑物基础垂直距离为10.4 m。线路平面向东出发后以半径300 m的曲线折向南，沿北河沿大街南行，左右线隧道逐渐分离，最终并行。在纵剖面上，随着平面上两线分离，左线逐渐降低、右线先降低后抬高，最终两线基本等高前进，叠落段下方隧道为右线，上方隧道为左线，施工方向均为自西向东。区间平面纵面见图1、2。

图1 盾构叠落段平面

图2 盾构叠落段地质纵剖面

叠落段左线埋深为13.8～15.1 m，左线穿越卵石⑤层、粉质黏土⑥层，局部粉细砂⑦1层。地下水主要为潜水(位于隧道顶附近)和层间潜水(位于隧道底以下)。右线埋深为21.9～23.6 m，主要穿越粉细砂⑦1层、卵石⑨层，地下水主要为层间潜水和承压水(位于隧道中部)。

由于工期原因，南东区间施工方案确定为两台盾构先、后同期施工，先自右线盾构井始发1台盾构机，待掘进出了叠落段后，再在左线盾构井始发第2台盾构机，两台盾构机在东四盾构接收井接收。

3 叠落隧道设计

为尽量减小两隧道间的相互影响，线路在纵断面上应尽可能拉大距离。本叠落隧道自车站起，右线(下方隧道)先按15‰下坡，在最低点设右线泵房，然后按12.9‰上坡，左线(上方隧道)先按车站纵坡按2‰下坡，水平距离拉开后再按15‰下坡。

自左线盾构始发井出发，根据两盾构隧道间水平距离关系分为两段，第一段为垂直投影重合叠落段(右K11+253.281～右K11+328.266)，隧道中心线水平距离为3.203～6.0 m，长度约75 m;第二段为投影分离叠落临近段(右K11+328.266～右K 11+492.030)，隧道中心线水平距离为6.0～10.0 m，长度约164 m。两隧道剖面关系见图3。

3.1 叠落隧道受力及变形分析

叠落盾构隧道属于小净距自身近接工程的一种，其特点为后实施隧道对已建隧道存在显著影响，表现为已建隧道在后建隧道的实施过程中，其周边荷载发生显著变化，从而引起内力和变形发生较大变化。

根据盾构隧道一次完成管片衬砌的特点和既有研究成果，确定叠落段隧道先实施下方隧道(右线)，待出叠落段后，再从左线盾构井开始实施上方隧道(左线)方案，对于结构自身风险来说，研究下方隧道所受影响应为叠落段设计的重点。

图3 叠落段隧道剖面

3.1.1 在上方隧道施工期间的下方隧道受力分析

3.1.1.1 工况分析

下方隧道主要荷载工况有3个，图4中1-1～3-3剖面分别代表下方隧道受上方隧道施工影响的3个工况，如表1所示。

图4 上方隧道掘进纵剖面

表1 下方隧道在上方隧道施工期间工况

3.1.1.2 所受荷载

下方隧道盾前和盾后工况受力模式如图5所示，其中盾前工况的垂直土压力为标准盾构单洞区间上方土压力与盾构推进力对下方隧道管片的竖向附加应力之和，盾后工况的土压力为上方隧道底部弹簧反力与夹层土土压力之和。盾中工况受力模式如图6所示。

图5 盾前和盾后工况荷载模式

图6 盾中工况荷载模式

1)竖向土压力。下方隧道覆土厚21.9～23.6 m，所穿地层主要为砂卵石，为Ⅵ类围岩，根据TB 10003—2005《铁路隧道设计规范》中表4.1.4所述，判定为浅埋隧道。盾构施工过程中盾尾空隙和衬砌位移都会引起隧道顶部上覆土柱的下沉，由于盾构掘进速度快、管片组装成环快和盾尾空隙同步注浆及时，造成盾构隧道土体扰动范围较小，隧道土压力采用泰沙基公式计算。

2)水压力。取勘察期层间潜水位计算静止水压力。

3)盾构自重压力。盾构机自重320 t，前体质量约240 t。估算盾构作用于隧道横向宽度为3 m，经简化计算在盾构自重压力作用下隧道均布荷载压应力为279 kPa。

4)盾构水平推力引起下方隧道侧向附加应力。盾构作用于工作面上的均布推力可以看作是由许多微面积组成的集中力，会引起下方隧道管片的侧向水平附加应力，经核算，应力很小，在荷载计算中可忽略此附加应力的影响。

3.1.2 在运营阶段的下方隧道受力分析

根据行车方式的不同，运营阶段共分3个工况，即上洞行车、下洞行车和上下洞同时行车。凌昊等人对深圳地铁重叠隧道各典型断面的现场振动加速度测试及数值分析成果［4］表明:对隧道结构而言，静载是结构设计的控制荷载，但在设计时需考虑列车动载的影响。吴样松等人对上海地铁杨浦线(M8)黄兴绿地站—翔殷路站区间隧道双圆盾构工程进行了动力响应研究［5］，结果表明:对隧道结构而言，土压静载是结构设计的控制荷载，列车振动引起的附加内力增幅在10%左右，在隧道设计时应考虑此附加荷载。

本叠落隧道下穿居民区，根据环评要求，轨道结构按特殊减振(减振12 dB以上)设计，采用减震效果最好的钢弹簧浮置板整体道床。基于以上分析，下线隧道在运营阶段的列车动荷载可不控制，不考虑此工况的影响。

3.1.3 地面沉降变形分析

以选择垂直投影重合叠落段的最不利剖面为例，建立二维数值计算模型(见图7)，横向、竖向各取宽度不小于15 m(约2.5倍盾构隧道直径)，围岩采用实体单元，管片采用壳单元，地层参数取自地质报告。模拟分析分3种情况进行，一为仅施工下方隧道情况下的地面沉降变形，二为上方隧道施工后的地面沉降变形，三为事先在下方隧道内对两隧道间夹土层进行注浆加固再施工上方隧道后的地面沉降变形。地面沉降模拟曲线如图8所示，从数值模拟情况可知，单独施工下方隧道时引起的地面沉降较小，上方隧道施工后引起的地面沉降量较多，若对两隧道间进行土层加固，地面沉降变形量减少明显。

图7 隧道沉降变形分析模型

图8 地面沉降曲线模拟

3.2 下方隧道内力计算

叠落隧道长度仅占盾构区间总长度的17.4%，除盾中工况外，在其他工况下，标准区间管片结构尺寸及配筋均能满足受力要求，因此下方隧道设计的重点为盾中工况下盾构管片的设计，由于盾构机、区间隧道限界等控制条件，结构及管片尺寸无调整余地，采用标准区间盾构管片尺寸，即盾构隧道衬砌外径为6 000 mm，内径为5 400 mm。衬砌环宽度为1 200 mm，厚度为300 mm，混凝土标号为C50。

根据国内对盾构叠落段的实施经验，拟定下方隧道采用3种方案应对盾中工况的不利荷载，一是加强管片受力主筋无内支撑方案;二是设置全段十字支撑方案;三是参照深圳地铁3号线采用台车支撑方案。利用荷载结构模型，分别对下方隧道独洞情况，盾中工况的无内支撑、十字支撑和台车支撑方案进行核算，管片弯矩图(两隧道简化为上下重叠关系)如图9～12所示。

图9 下方隧道独洞情况弯矩

图10 洞中工况无内支撑弯矩

图11 洞中工况十字支撑弯矩

图12 盾中工况台车支撑弯矩

4 隧道结构设计

4.1 台车支撑方案选择

根据下方隧道的受力计算结果，在无支撑情况下，普通配筋管片无法满足受力要求;对于十字支撑情况，管片内力偏大，配筋较大，同时由于上下两隧道的相对关系在空间上不断变化，其最大内力位置也在调整，同时由于在十字支撑实施期间，下方隧道需要停工，所以影响工期，且叠落段长度较长，装拆工程量大。台车支撑方案为:利用可行走的型钢支撑台车同步跟随上方隧道盾构机，保证盾构掘进机前方和后方的一定距离内均有支撑;同时为不影响下方隧道正常施工，台车做成门架形，方便出渣及管片的运输作业，方案纵断面及剖面见图13、14。

图13 支撑台车纵剖面

图14 支撑台车横剖面

施工过程中须注意:1)左线盾构机操作室必须与移动台车随时保持相互联系，如盾构机或支撑台车出现故障，则相应的支撑台车或左线盾构机必须停止向前推进，直至相互确认故障排除后方可恢复掘进和推进;2)台车在外力的推力下，可不卸力实现沿纵向向前移动。支撑点需避开纵缝位置以及手孔位置，台车设计时应根据支撑可能承受的最大内力及隧道不均匀变形允许值，事先估算钢支撑的最小刚度，支撑应具备压力调节功能;3)左线盾构机在叠落隧道掘进过程中要平稳、连续、快速掘进，严格控制盾构机姿态，不能出现盾构机栽头现象，如果需要纠偏，则纠偏量不能过大。

4.2 管片加强措施

下方隧道采用加强型管片，表现为衬砌环管片配筋由常规直径22 mm加强为25 mm，同时衬砌管片环纵、环缝均采用加强螺栓连接，螺栓性能等级提高至8.8级。

4.3 地层加固

两隧道间夹层土在施工期间受多次扰动，在运营阶段受列车动荷载影响，根据对地面沉降变形的分析，对该地层加固有益于减少地层沉降。本段利用下方隧道吊装孔和新增注浆孔对拱部土层进行先期注浆，注浆浆液为水泥-水玻璃，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa，每环均注，上方隧道施工后利用上方隧道吊装孔对夹层土进行补充注浆加固(见图15)。

4.4 监控量测要求

在上方隧道施工时，下方隧道为既有工程，须加强保护，要对下方隧道管片环向、纵向拼装缝张开量、管片错台、螺栓应力、土压力、管片径向收敛、管片裂缝等指标进行监测，根据《盾构法隧道施工与验收规范》［6］和本叠落段的特点制定主要监控量测控制指标为:1)管片表面出现不大于0.2 mm的裂缝或挤压破损;2)管片环缝或纵缝张开量不大于2 mm;3)管片衬砌环直径椭圆度小于±6‰;4)相邻管片的径向错台不大于10 mm;5)相邻管片的环向错台不大于15 mm;6)管片环缝或纵缝出现渗漏水情况;7)台车支撑轴力超过预警值时。

5 后期实施验证

叠落段上方隧道于2011年9月29日始发，下方隧道在上方隧道施工期间至2011年10月18日，拱顶沉降最大值为4.3 mm，平均约2.5 mm，最大速率为0.5 mm/d;收敛最大值为2.64 mm，平均约为1 mm，最大速率为0.3 mm/d。

图15 右K11+274.221处地层注浆加固

叠落段下方隧道中心线处的地面测点沿时间轴的沉降曲线如图16～18所示，均显示:在上方隧道掘进时，地面测点沉降发生较大变化，即盾构机土体开挖引起地面沉降，随着管片背后的压力回填注浆略有反弹，沉降曲线随着两隧道间距离的拉大变化逐渐趋于平缓，实测成果虽然存在现场误差和数据跳跃现象，但这一结果与已有研究成果趋同，反映了大的趋势。

经对监控量测数据的统计分析和现场实际观察，表明下方隧道可满足变形控制要求，管片状态良好。