盾构与浅埋暗挖隧道小间距并行施工技术研究

王振田

（中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司 山东济南 250000）

1 引言

近年来，随着我国城市化进程的不断推进，人口拥挤、交通堵塞已成为各大城市亟待解决的主要问题。而城市地铁因其高效、安全、快捷、环保等独特优势成为各大城市解决上述问题的首要选择［1-2］。

在我国的城市地铁建设中，地铁线路一般采用双线平行的方式进行布设。由于城市地下空间有限，为解决线路总体规划问题，近年来对于小净距隧道的需求逐步呈现。重庆市北部新区金童路南段道路工程中火风山隧道左右线间距约为0.7D0［3］；深圳市地铁一号线科（技园）白（石洲）区间双线隧道间距约为0.5～1.2D0（D0为隧道开挖跨度）［4］；南京地铁1号线小行站-安德门站区间菊花台二号隧道和南延左线、南延右线隧道三洞并行，三洞间平均间距4 m，最小间距仅为1.69 m［5］；西安市轨道交通工程1号线枣园北路站-汉城路站区间为双线不等大断面隧道，双洞间距4.247 m，仅为双洞外径的0.7倍和0.38倍［6］。

为同时满足双线正常行车和右线车辆调度需求，成都地铁5号线九兴大道站左线采用传统小断面盾构法施工，右线设置83 m的大断面隧道，采用双侧壁导坑法施工，形成了左线盾构隧道与右线大断面浅埋暗挖隧道并行的工况，左右线隧道最小净距2.9 m，分别是盾构隧道外径的0.48倍和暗挖隧道跨度的0.23倍，远小于《地铁设计规范》（GB 50157-2013）中的建议值。双线在创业路下方近距离下穿既有地下行车通道结构，从而对新建隧道施工提出了更高要求。

目前小净距隧道的研究方法有现场实测［7］、数值分析［8-9］等。鉴于依托工程中盾构与大断面浅埋暗挖隧道并行下穿的施工特点，国内尚无太多施工经验可寻。为确保施工过程安全，尽量减小对周围环境的影响，本文通过对依托工程施工过程进行数值模拟，着重探讨和分析双洞施工引起的地表沉降特点以及中间土体应力变化等规律，并对现场监测方案及施工措施进行了介绍，可为今后类似工程的设计和施工提供参考。

2 工程背景

2．1 工程概况

成都市轨道交通5号线为成都第七条地铁线路，5号线九兴大道站位于高朋大道和九兴大道交叉路口处（见图1），为地下两层11.5 m岛式站台车站，车站沿九兴大道东西向敷设，两侧分别连接神仙树站与科园站。为同时满足双线正常行车和右线车辆调度需求，车站右线设置配线段，配线段总长339.5 m，为单列位单停车线，其中包含83 m的断面隧道，采用暗挖法施工。

双线隧道中，左线盾构隧道采用土压平衡盾构掘进，开挖直径约6.28 m，采用单层管片衬砌，衬砌内外径分别为6 m和5.4 m，每环衬砌宽1.5 m，由三块标准块、两块邻接块和一块封顶块组成，环间错缝拼装。

图1 小净距盾构与浅埋暗挖隧道平面布置

右线暗挖隧道开挖跨度为12.6 m，采用双侧壁导洞法施工。支护结构采用复合式衬砌，初期支护与二次衬砌厚度分别为0.35 m和0.6 m。初期支护采用钢格栅+钢筋网+C25喷射混凝土；二次衬砌采用模筑C25、P8混凝土浇筑。暗挖施工严格按照“管超前、严注浆、短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的原则进行。具体施工流程见下图2。（1）超前支护，拱部施作长18.5 mφ108大管棚，上半断面施作3 m长φ42超前小导管，开挖1部，施作初期支护及临时支护，施作自进式锚管和锁脚锚管，拱背回填注水泥浆；（2）开挖2部，施作初期支护和临时支护，施作自进式锚管和锁脚锚管；（3）3部开挖，施作初期支护和临时仰拱，拱背回填注水泥浆；（4）4部开挖，施作初期支护；（5）分段拆除支撑，施工防水层，模筑二衬。

图2 大断面隧道双侧壁导坑法施工示意

2．2 工程地质情况

根据钻孔揭示，场地范围内上覆第四系人工填土层（Qml4），其下土层主要包括黏质粉土、细砂、稍密-密实卵石、中砂以及强风化泥岩（见图3）。其中，新建隧道主要穿越卵石地层（2-9），成分以岩浆岩、变质岩类岩石为主，形状以亚圆形为主，少量圆形，磨圆度较好，分选性差，风化程度为中风化-微风化。卵石含量一般在60%～70%之间，卵石粒径以2～15 cm为主，最大粒径大于20 cm，充填物主要为细、中砂及圆砾，岩石单轴抗压强度多在27.1～84.9 MPa之间，卵石为较软岩-坚硬岩，曲率系数为0.5～60.1，不均匀系数为77.0～407.4，为级配不良卵石（见图4）。

砂卵石地层为典型的力学不稳定地层，其主要特征为岩体松散、孔隙率大、黏聚力几乎为0，单个岩体强度高但整体强度较低，块体之间由于骨架作用易形成临界拱，砂卵石地层中开挖隧道易造成突然坍塌且失稳机制较为复杂。仅在成都地铁1号线人民路沿线施工中就曾发生多次因地面塌陷造成的房屋基础悬空和行驶车辆掉入空洞等事故［10］。

图3 依托工程地质横断面

图4 依托工程砂卵石地层样貌

3 数值计算模型与计算参数

3．1 数值计算模型的建立

同时考虑边界条件和模型计算效率，建立的模型尺寸为长（y）×宽（x）×高（z）＝60 m×101.5 m×44.7 m，模型共包括142 280个单元，148 789个节点。模型如图5所示。

3．2 本构模型和计算参数的选取

计算中采用摩尔-库仑模型模拟围岩材料，该模型为岩土工程通用本构模型［11］，被广泛应用于松散或胶结的颗粒状材料、土体、岩石以及混凝土材料的剪切破坏分析中，依托工程中的土层特点比较符合该模型的使用条件。

加强与重庆银监会沟通协调。加大对金融机构开展涉农信贷业务的鼓励措施，强化其农业支持和扶贫攻坚责任和义务，同时适度降低其涉农贷款存贷比、坏账率等指标考核标准；鼓励担保公司业务下基层，将分支机构进一步延伸至区县和中心镇。

根据地勘报告，对土层进行适当简化，计算中选取的各土层物理力学参数见表1。

图5 模型网格图

表1 土层物理力学参数

盾构管片、盾壳、盾尾注浆层以及暗挖隧道支护结构采用各项同行的弹性模型。其中，盾构管片弹性模量的选取考虑了0.8的刚度折减系数，暗挖隧道钢拱架作用按照刚度等效的原则折算到初期支护及临时支撑中。弹性材料计算参数见表2。

表2 各弹性材料物理力学参数

3．3 双线隧道施工模拟方案

（1）浅埋暗挖隧道施工模拟

数值计算中对暗挖隧道施工过程进行适当简化，模拟中每次开挖后控制围岩应力释放20%后施作初期支护，不同开挖步之间掌子面间距6 m。考虑到实际施工中二次衬砌在围岩变形稳定后施作且远远滞后于初期支护施作时间，因此计算中不考虑二次衬砌的作用［12］。

（2）盾构隧道施工模拟

盾构施工模拟中考虑的因素包括掌子面支护力、盾尾注浆压力、浆液硬化、拖车荷载等。具体流程为：①开挖前方1.5 m的土体单元，同时弱化开挖面前方1.5 m范围内的土体，并在掌子面上施加相应的支护压力；②在盾壳所在范围激活预设的盾壳shell单元；③按照前两步的方法推进5环，盾壳完全进入土体后，开始在盾尾后方施加环向面力模拟盾尾注浆压力；④盾构继续向前推进后，再激活管片及注浆层单元，注浆层赋予硬化前材料参数，再推进6环后，将前6环管片之后的注浆体赋予硬化后材料参数；⑤按照上述过程依次循环至盾构开挖完成。

模拟中暗挖隧道共开挖26步，后文分析中以S1～S26表示；盾构隧道共开挖52步，后文分析中以D1～D52表示。

4 地表沉降分析

图6所示为双洞不同开挖次序下模型中间断面处左右线施工分别造成的地表沉降曲线以及最终地表沉降曲线。比较图中曲线可以看出，无论哪种施工次序，先行隧道的施工均会造成后行隧道地表沉降在先行洞一侧明显增大，而另一侧的地表沉降基本不变，故先行隧道的通过对土体造成了扰动，从而造成后行隧道施工引起的地层损失有所增大；比较两开挖顺序造成的最终地表沉降曲线可以看出，先盾构后暗挖造成的地表沉降值在两洞中间区域略大于先暗挖后盾构造成的地表沉降。

图6 不同开挖次序下左右线施工造成的地表沉降曲线

依托工程中，先行隧道贯通后，后行隧道将面临同时近接上方行车道和侧方既有隧道施工的情况，这种情况后行隧道对环境的扰动提出了更为苛刻的要求，而相对右洞，左洞结构断面小，且盾构施工本身相对暗挖施工对周围环境扰动较小，故左线盾构隧道施工对周围环境的影响程度应小于右线浅埋暗挖隧道施工，因此先暗挖通过后盾构通过的方式将在总体的施工扰动和施工风险的控制上也优于先盾构后暗挖的开挖顺序。

综合上述分析，在双洞施工顺序的选择上，建议依托工程中先施工右线暗挖隧道，后施工左线盾构隧道，且应尽量在工期上延长双洞施工的时间间隔。

取暗挖先行、盾构后行工况下的地表沉降数据进行分析。图7所示为模型中间断面处暗挖隧道各导洞通过时的地表沉降槽曲线，可以看出，1号导洞通过后地表沉降产生的范围大致在隧道轴线两侧20 m，最大沉降值约为1.2 mm，占最终沉降最大值的48%，之后随着其它导洞的通过，轴线处沉降量不断增大，而地表沉降槽覆盖范围基本不变，即随着暗挖隧道各导洞的通过，其造成的地表沉降曲线形状朝着“窄而深”的方向发展；2号导洞、3号导洞、4号导洞通过造成的地表沉降值分别占最终沉降最大值的28%、16.7%、7.3%。

图7 暗挖隧道引起地表沉降随开挖过程的变化

模型中间断面处左右洞正上方测点地表沉降随开挖过程的变化规律如图8所示。可以看出，由于间距较小，左右双洞隧道的开挖均会引起另一隧道上方发生地表沉降，先行暗挖隧道通过研究断面时引起左线盾构隧道正上方地表沉降量为5.45 mm，占最终沉降量的18.4%；而后行盾构隧道开挖造成右线隧道正上方位置的地表沉降量为3.88 mm，占最终沉降量的13.3%。先行暗挖隧道对盾构隧道地表沉降的影响相对后行隧道对先行暗挖隧道的影响更大，究其原因，是右线大断面隧道双侧壁施工对土体扰动较大所致（见表3）。

表3 先后行隧道开挖在双洞轴线处造成的地表沉降量

图8 左右洞轴线处地表沉降随开挖过程的变化

图9 所示为暗挖隧道先行、盾构隧道后行分别引起的地表沉降以及双线贯通后总的地表沉降曲线。从图中可知，暗挖先行通过后造成的地表沉降最大值为25.36 m，引起的沉降槽宽度约为40 m，暗挖隧道先行贯通后盾构隧道通过单独造成的地表沉降增量最大值约为24 mm，引起的沉降槽宽度约为35 m，双线通过后地表沉降最大值约为32 mm，位于双洞中间位置，地表沉降槽呈现出“U”形状态，沉降槽横向约为50 m，盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1／4，且双线引起的地表沉降在两洞之间的叠加导致地表沉降曲线在两洞轴线之间区域的形状较为平缓。

图9 暗挖隧道先行、盾构隧道后行造成的地表沉降曲线

5 中间土体应力分析

对于小净距隧道施工，中间土体的稳定性同样是施工安全控制的重要因素，因此取模型中间断面处中间土体两侧最大主应力进行分析（见图10）。从图中可以看出，暗挖隧道通过期间，暗挖隧道一侧土体最大主应力由241.16 kPa迅速增大至645.46 kPa，增幅达170%。盾构隧道通过期间该侧土体最大主应力缓慢增长，待盾构通过后增长至745.77 kPa，增幅约15%。对于盾构隧道一侧土体，暗挖隧道通过期间其最大主应力基本无明显增长，盾构隧道通过期间该侧最大主应力由248.43 kPa缓慢增长至316.66 kPa，增幅约27.4%。上述结果表明，双线施工期间应重点关注暗挖隧道一侧的稳定性，同时也印证了上文中暗挖隧道施工扰动较盾构隧道施工更大的观点，进一步说明了所建议施工顺序的合理性。

图10 中间土体最大主应力发展规律

6 现场监测方案及施工安全措施

6．1 监控量测方案

为保证双线隧道施工的安全性，在隧道开挖过程中对地面及上方既有结构进行了沉降监测措施。监测点布置（见图11）图中三角形表示地表沉降监测点；实心圆表示上方既有结构沉降监测点。与此同时，新建隧道周边建筑结构及地下管线也制定了严格的沉降变形要求和监控量测计划，限于篇幅这里不再具体赘述。在以上监控措施下，可以及时根据监测结果调整施工参数、优化施工控制方案，确保新建隧道施工和运营期的安全。

图11 现场地表及结构沉降测点布置

6．2 暗挖隧道临近区间加撑保护

对于先行施工的浅埋大断面暗挖隧道，为保证盾构通过时其结构安全性，盾构隧道通过期间在洞内每隔1 m设置3道型钢支撑，待盾构顺利通过后可拆除支撑。横向和竖向支撑型钢采用 20a工字钢，支撑型钢设置接头钢板，采用膨胀螺栓与模筑砼连接。有永久中隔墙的部位，利用中隔墙预留孔作为中间支撑点，无中隔墙的部位设置 20a工字钢作为中立柱（见图12）。

图12 盾构区间掘进时暗挖隧道加撑保护示意

6．3 左线盾构掘进控制

盾构临近右线先行大断面浅埋暗挖隧道期间，采用掘进控制措施如下：（1）盾构通过前对盾构机进行检查、维修，尽量不停机通过；（2）优化并匹配盾构施工参数，相应地减小盾构施工时对土体的扰动程度；（3）必须严格控制土舱压力，同时也必须严格控制与土舱压力有关的施工参数；（4）严格控制盾构姿态，盾构姿态的变化不宜过大、过频，以降低土层的损失和对周围土体的扰动，减少沉降；（5）严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充建筑空隙，减少施工过程中土体的变形；（6）在管片上增设注浆孔、预埋注浆管，根据地质及掘进情况，选择合适的时机对隧道周边一定范围内的地层进行注浆加固。

7 结论

对成都地铁5号线九兴大道站盾构与大断面浅埋暗挖隧道施工工况进行了数值模拟，着重分析了双线施工造成的地表沉降规律及对中间土体的影响。

（1）无论何种开挖次序，先行隧道的通过均会导致后行隧道开挖造成的地表沉降曲线向先行洞一侧偏移并有所增大。另外考虑到小断面盾构隧道施工扰动小的特点，建议实际施工中先贯通右线浅埋暗挖隧道后盾构隧道以近接施工的方式通过。

（2）暗挖隧道双侧壁导坑法施工，随着各导洞的通过，其造成的地表沉降形状朝着“窄而深”的方向发展，1～4号导洞通过导致的地表沉降分别占最终沉降值的48%、28%、16.7和7.3%。

（3）先浅埋暗挖后盾构施工的情况下，暗挖隧道通过造成的地表沉降槽宽度为40 m，盾构隧道通过造成的地表沉降槽宽度约为35 m，暗挖隧道通过造成的地表沉降值较盾构隧道更大。双线通过后，地表沉降槽呈现出“U”形状态，沉降槽范围约为50 m，盾构隧道的通过造成地表沉降影响范围增加了约1／4，且双线引起的地表沉降在两洞之间的叠加导致地表沉降曲线在两洞轴线之间区域的形状较为平缓。

（4）双线开挖过程中，中间土体最大主应力在暗挖隧道一侧相较于盾构隧道一侧受施工过程的影响更为明显，因此在现场施工中应格外关注。

（5）施工中对地表沉降和临近结构物沉降制定了严密的监测方案，并通过暗挖隧道衬砌加撑保护、盾构隧道掘进控制等措施保障了双线隧道的安全、顺利施工。