青岛地铁近距交叠隧道施工稳定性研究

王渭明，李 强

(山东科技大学土木工程与建筑学院，青岛 266590)

青岛地铁近距交叠隧道施工稳定性研究

王渭明，李 强

(山东科技大学土木工程与建筑学院，青岛 266590)

为研究近距交叠隧道施工稳定性，以青岛地铁2号线枣山路—李村站区间隧道下穿3号线万年泉—李村站区间隧道为背景，通过数值模拟结合实测数据，分析交叠区地表变形、危险截面应力、变形规律及塑性区分布特点，由此可知：下穿施工后，地表变形从3.10 mm增至6.345 mm，由3号线沿线向交叠区中心延伸；当距交叠区中心超过40m时，地表变形影响可以忽略。交叠区截面受扰动影响最大，左右拱脚应力变化最明显，变化量为60、120 kPa，最大拉压应力分别为20 kPa、2.1 MPa，小于衬砌所用混凝土抗拉抗压强度。另外，3号线最大变形位于交叠区隧道拱顶，2号线最大变形位于中夹岩拱顶，分别为11.77、9.85 mm；3号线拱底、2号线拱顶在交叠区产生变形突变，分别为5.67、8.64 mm，均在可接受范围内，并结合实测数据验证了数据分析的可靠性；2号线塑性区分布较大，上下隧道间岩柱基本处于完全塑性状态，拱脚及拱顶处塑性区分布最广，但左右线开挖塑性区并未贯通，塑性区半径控制在2.0 m之内，保证了施工的稳定。

交叠隧道；小净距；稳定性；数值模拟；地铁

1 概述

由于交叠隧道能满足特殊的地质条件、单双线衔接方式的要求，且具有良好的经济效果，得到了国内外广泛的应用，且净距越来越小[1]。

在国外，日本出版的《近接隧道施工的设计与指南》给出了近接隧道施工影响的基本条件，影响范围及施工对策等[2]；E.S.Liman[3]等对近接平行隧道施工相互影响范围及受力变形规律进行了数值研究；I.Yamaguchi[4]等根据工程监测资料，对近接双层隧道盾构施工相互影响进行了详细阐述。在国内，郑颖人[5]对岩体隧洞开挖稳定性分析方法进行了介绍；张进[6]以某高速公路大断面小净距隧道为背景分析了横向变形的影响因素；包德勇[7]对近距交叠隧道进行了数值模拟，揭示了既有隧道随新建隧道施工推进产生的应力变形规律；李朋[8]、王国波[9]对4孔紧接交叠隧道采用三维有限元分析了动态施工过程引起已建隧道受力变形及抗震性能的影响；王渭明[10]以青岛台东交叠隧道施工为例分析了交叠段施工稳定性。

本次交叠施工中，左右线最小竖向净距仅为0.202 m和0.287 m，属于极小净距交叠隧道施工，在国内外尚属罕见，上下隧道交互影响更为剧烈，施工不稳定因素更为复杂，因此，本文研究具有重要的现实意义。

2 工程概况

青岛地铁2号线枣山路—李村站区间隧道，左线ZSK47+641～ZSK47+681段、右线YSK47+667～YSK47+714段下穿3号线万年泉—李村站区间隧道，左右线竖向净距为0.202 m和0.287 m，交叉里程40 m，埋深27 m，跨度5.6 m、净高7.0 m，2号线左右线中心间距16.5 m，3号线左右线中心间距17.2 m，上下隧道交互影响剧烈，施工难度较大，因此，控制交叠施工相互影响在一定范围内，确保施工稳定性是本次施工关键；隧道围岩以强中风化花岗岩层为主，局部存在块状碎裂岩体，自稳性差；上覆土层自上而下依次为：素填土、粉质黏土、粗砾砂和含砂粉质黏土，其相对位置如图1所示。

图1 交叠隧道相对位置

2.1 开挖方案

交叠顺序：2号线左线→3号线左线；2号线左线→3号线右线；2号线右线→3号线左线；2号线右线→3号线右线。

爆破方案：两步台阶法施工，拱部取芯(采用φ100 mm水钻钻孔取芯，深度50 cm，搭接20 mm，掏空拱部与上行隧道的接触段)；下部分次起爆，配合局部机械辅助施工，中孔菱形掏槽，并将掏槽眼与辅助眼、周边眼分开爆破，单循环进尺控制在0.5 m，即一榀型钢拱架的距离，然后进行辅助眼和周边眼爆破。

2.2 支护方案

超前支护：φ76 mm超前管棚，长9 m，纵向搭接3 m，纵向间距6 m，拱部130°范围布置，坡度4%；初期支护：长2.5 m、间隔1.2 m梅花状布置锚杆及型钢(格栅)拱架结合挂网喷C30混凝土支护(拱脚处打设φ42 mm锁脚锚管)；二次衬砌：采用自防水的C45钢筋混凝土，厚度300 mm。同时，在交叠区左右两侧采用φ42 mm小导管进行径向水泥浆注浆，防止水渗入2号线初支造成大面积渗漏，详见图2。

图2 双向隧道衬砌断面

2.3 监测点布置

结合施工现场和路面交通情况，在地表及3号线和2号线沿线，沿交叠区两侧40 m范围内，间隔4 m布设变形监测点，得交叠区变形规律；以隧道断面各关键点布置监测点，来确定其力学及变形规律，如图3所示。

图3 隧道断面监测点布置

3 数据分析

3.1 模型的建立

所谓的“专业”在具体的实务情境当中有不同的体现，在很多人看来，一线社工尚未显示出自身不可替代的专业性，但是确实在不断走向专业化的路途中。而在真正实现专业化的前期阶段，外界就会形成对社工职业的初步认知，而对社工职业来说，其最看中的是所持有的价值理念并不容易凸显出来的时候，就很容易给外界一种不专业的形象。即目前社会公众对于社工职业的认知和社工的专业化是同时进行的，如何形成对于社工职业的专业认知是每一位一线社工共同去面对的。

假定左右下方以40 m为施工影响区，利用FLAC3D建立模型大小为96.4 m×97.32 m×74 m，如图4所示，并动态模拟了交叠区施工与支护全过程，分析了交叠区地表变形及应力变形规律。其中围岩采用Mohr-Coulomb模型，初衬、二衬采用实体单元，锚杆采用cable单元，初支中超前管棚支护和中空注浆锚杆采用对加固区的围岩力学参数进行等效模拟。根据地勘资料，选取计算模型地层及支护参数如表1所示。

图4 三维计算模型

表1 模型材料参数

3.2 计算结果分析3.2.1 地表变形分析

地表变形规律分析，指3号线开挖引起地表变形基本稳定后，2号线施工引起地表变形的叠加效果。竖向净距越小，同等施工扰动荷载作用下，应力和变形传递到上部地表后残余扰动越大，地层损失越大，变形量越大。本工程以Peck理论为基础，认为单孔隧道开挖横向地表沉降规律满足正态分布；多孔隧道施工引起地表变形是各单孔隧道开挖引起地表变形的叠加组合；双线双向四孔隧道施工引起的地表变形也是各隧道单独施工引起地表变形的叠加效应，详见图5。

图5 地表变形示意

如图5所示，施工前，地表变形沿3号线方向，最大沉降量在中夹岩区域，为3.10 mm，且横向变形随距3号线中心线纵向距离的增大而逐渐减小，当超过一定范围时，可忽略3号线施工引起的地表变形影响。施工后，地表变形由施工前的单向一维演变为双向二维沉降曲面，最大沉降量位于交叠区中心，为6.345 mm，出现较明显的封闭漏斗，这是由于埋深较浅，竖向净距较小，扰动产生地层损失较大，进而造成地表变形增幅较大所致；且横纵向变形具有一定的对称性，横向变形以2号线中心线左右对称，纵向变形以3号线中心线前后对称，如图6、图7所示。

图6 施工前地表横向纵向变形示意

由图6可知，施工前，横向变形沿3号线沿线变化不大，但随距离中心线的纵向距离增加变化明显；当纵向距离为8.66、18.66、28.66、38.66 m时，横向变形最大值分别为3.10、2.70、1.62、0.54、1.17 mm，也就是说，当距离超过38.66 m(约为5倍洞径)时，地表变形影响值很小，可以忽略施工对其的影响。而纵向变形最大量位于隧道中心线处，呈较明显的单峰沉降漏斗，且沿3号线变形基本一致。当纵向距离超过40 m时，变形速率几乎为零，变形趋于稳定。

由图7可知，施工后，横向、纵向变形趋势相近，均呈单峰沉降漏斗状曲面，并以双向隧道中心线对称分布，最大沉降量接近6.345 mm，位于交叠区中心点，这是由于四孔隧道施工引起地表变形叠加效应所致；另外，横向变形较平缓，变形速率较小，反弯点距离较大，这是由于2号线埋深H稍大以及地层扰动叠加效果所致。对比实测数据分析可知，模拟数据能够很好地反映出地表沉降的变化趋势，最大沉降量出现在交叠区；隧道沿线地表最大沉降量为6.5 mm，与模拟数据6.0 mm相近，说明了模拟数据的可靠性。

图7 施工后地表横纵向变形曲线

3.2.2 既有隧道应力特性分析

图8 上行隧道左线交叠区域断面主应力变化曲线

由图8可知，截面3处主应力变化仅表现在下穿交叠区1处，在下穿其他交叠区时，变化影响不大；当开挖至左拱腰时，截面3左拱肩、右拱脚处最小主应力出现不同程度的减小，分别为21、60 kPa，而左拱脚呈先减后增的变化趋势，最大变化幅度为120 kPa，拱底处最小主应力先增后减，呈现一向下的尖角。而就最大主应力而言，拱底主应力缓慢增大，从200 kPa增大至400 kPa后趋于稳定。右拱肩、左拱脚主应力均增大200 kPa，而左拱肩、左帮出现不同程度的主应力减小，幅度为200、500 kPa；当开挖至右拱腰时，右拱肩、右帮、拱底处最小主应力释放明显，减小量达30、50、10 kPa；而右拱脚处产生应力增加从受拉状态20 kPa到受压状态50 kPa。而对于最大主应力而言，除左拱肩出现些许应力增加外，右帮、右拱肩、左拱脚及右拱脚均出现不同程度的应力减小，以右帮位置最为显著，从2.1 MPa减小到1.5 MPa；左拱肩则表现为部分增大，其他位置处主应力变化不明显。综上，交叠区断面最大拉应力峰值5 kPa，最大压应力峰值为2.1 MPa，均小于所用混凝土抗拉抗压极限，确保了应力特性安全。

3.2.3 既有隧道变形特性分析

隧道在围岩压力作用下开挖不可避免地会产生挤压变形，而掌握交叠段危险区位移变化规律以及最大变形量是否超出预警值，是保证施工安全稳定的关键因素，过交叠1区沿2号线方向做纵向切面，得施工前后位移变化如图9所示。

由图9可知，下穿施工前后，3号线拱顶最大沉降量随2号线推进逐渐由9.85 mm增至11.77 mm，这是由于2号线爆破扰动造成了周边围岩应力释放，地层损失增大，拱顶承受上部荷载增大，变形量相应增加。另外，下穿施工扰动使围岩压力逐渐降低，在几近为零的围岩压力下，拱底处(2号线拱顶)变形量减小至0 mm；而两帮收敛至在施工前后变化不明显，可以忽略下穿施工对其变形影响。综上可知，交叠施工最大变形量位于3号线拱顶处，为11.77 mm，处在最大变形量预警范围内。通过双向隧道下穿施工前后变形曲线来具体阐述其变化规律。

图9 施工前后位移变形

由图10可知，下穿施工后，3号线变形以隧道中心线对称分布，最大变形量位于交叠区拱顶处，说明双向施工扰动叠加效果在交叠区较中夹岩处大；当距交叠区中心超过40 m时，拱顶变形趋于平稳，可忽略交叠施工的影响；拱底变形较平缓，交叠区发生突变减小至0 mm，这是由于扰动引起应力释放所致。2号线变形趋势与3号线有相似之处，最大变形位于中夹岩拱顶处，为8.64 mm，拱顶除在交叠区由8.64 mm突变至0 mm外，其他位置沿线基本稳定在7.83 mm；拱底及两帮变形值在施工前后变化不大，可忽略其对交叠施工稳定性影响。

图10 施工后隧道衬砌结构变形曲线

对比实测数据可知，模拟数据能够较好地反映出交叠区3号线与2号线的变形趋势，其中3号线、2号线拱顶沉降量分别为6.4、9.6 mm，与模拟数据9.85、11.77 mm相近，对应位置分别为3号线交叠区中夹岩与2号线隧道交叠区位置，与模拟数据相符，证明了数据模拟其可靠性。

3.2.4 塑性区分布

本工程竖向净距较小，交叠段施工引起围岩应力场位移场重分布，隧道开挖扰动使得部分围岩变形超过围岩极限应变，进入塑性状态，使得围岩自承能力下降，这对交叠施工稳定性及后期运营有着一定的安全隐患，因此，研究近距交叠隧道交叠区围岩塑性状态是保证交叠施工稳定的重要因素。

图11 施工前围岩塑性区分布

由图11可知，3号线开挖对周边围岩力学状态影响不大，仅在隧道断面周边一小部分出现较大应变，围岩进入塑性状态，且左右线开挖相互作用影响不大，拱脚处围岩塑性状态较其他位置略大，最大塑性区半径小于0.5 m。

图12 施工后塑性区分布

由图12(a)可知，3号线断面围岩拱脚处，有较大部分围岩超过极限应变进入塑性状态，上下隧道间20 cm的岩柱几乎全部处于塑性状态，这与施工时该部分极破碎现象相符。由图12(b)可知，2号线断面周边有较大部分超过了极限应变进入了塑性状态，且拱肩及拱顶部分与3号线塑性区贯通，在相应部位形成一部分易坍塌的破碎区，但区域很小，塑性区半径不大于0.5 m。拱脚处塑性区发展较大，且考虑左右线施工叠加效应，右线左拱脚处塑性区发展较右拱脚大，但上下隧道塑性区仅分布在周围断面周围一小部分，左右线施工叠加效应并未使得左右线塑性区贯通，塑性区半径也控制在2.0 m以内，保证了施工的稳定。

4 结语

通过下穿施工引起交叠区地表变形及危险截面关键点处应力、变形特性分析，结论如下。

(1)地表变形施工后有明显增加，最大沉降量由3.10 mm增至6.345 mm，且由3号线沿线向交叠区中心发展，但均控制在最大变形预警值范围内，确保了地表变形的安全合理性。

(2)交叠区截面受扰动影响最大，左右拱脚是主应力变化最明显区域，变化幅度为60、120 kPa；最大压应力位于右帮处，最大拉应力位于拱顶处，分别为2.1 MPa、20 kPa。此外，截面4较其他截面主应力大，最大拉应力在拱顶，最大压应力在右帮，分别为0.28、2.0 MPa，且施工过程中没有过大的应力突变，均处在安全范围之内，确保了下穿施工中应力特性稳定。

(3)交叠区3号线最大变形位于拱顶，2号线最大变形位于中夹岩处拱顶，分别为11.77、9.85 mm；而3号线拱底(2号线拱顶)产生变形突变至0 mm，变化量分别为5.67 mm(8.64 mm)，均在可接受范围内，确保了变形特性稳定。

(4)2号线塑性区基本呈对称分布，上下隧道间岩柱基本处于完全塑性状态；拱脚处塑性区最大，但左右线塑性区并未贯通，塑性区半径控制在了2.0 m以内，保证了施工的稳定性。

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Study on Construction Stability in Ultra-small Spacing Overlapping Tunnels of Qingdao Metro

WANG Wei-ming， LI Qiang

(College of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China)

Qingdao Metro 2# and 3# overlap between Zaoshan-Licun station and Wannianquan-Licun tunnel and the minimum vertical spacing is only 0.2 m of a very small spacing category. To study construction stability， FLAC3D is used for dynamic simulation to analyze surface deformation， stress characteristics， deformation characteristics and plastic zone distribution. The results show that after under-passing construction， surface deformation increases from 3.10 mm 6.345 mm， extending from the 3# to the overlap zone center. When the distance from the overlapping center is more than 40m， surface deformation could be neglected. Section of overlapping zone is affected most by the disturbance， and the changes of stress of both arches are the most obvious with variation of 60 kPa and 120 kPa respectively. The maximum tensile and compressive stresses are 20 kPa and 2.1 MPa respectively， which are far less than those of the lining concrete. In addition， the maximum deformation of 3# and 2# of 11.77 mm and 9.85 mm are respectively located on the vault and the folder rock. Mutations of 3# dome (2# vault) in the overlapping area are 5.67 mm and 8.64 mm， falling within the acceptable range. Compared with the measured data， the reliability of the simulation data and the stability of the construction are analyzed and verified. Plastic zone of 2# is larger， the folder rock is nearly in a plastic state， the plastic zone of arch and vault turns to be the most widely area， but the plastic zones of the left and right lines do not run together， and the plastic zone radius is within 2.0 m， the stability of the construction is ensured.

Overlapping tunnel; Ultra-small spacing; Construction stability; Numerical simulation; Subway

2015-02-16；

2015-03-16

国家自然科学基金项目(41472280)；高等学校博士学科点专项科研基金(20123718110007)

王渭明(1954—)，男，教授，博士生导师，E-mail：wang@sdust.edu.cn。

1004-2954(2015)09-0130-06

U231； U459.3

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.029