重叠交叉隧道施工关键技术研究

□文/高菊英

我国隧道及地下工程建设发展迅猛；受土地利用程度、地下市政管线、地面建筑物、地上交通、已建地下工程等因素影响，重叠交叉隧道逐渐成为发展趋势。如广州地铁5号线沙—凤区间[1]，深圳地铁一期工程罗湖站—国贸站—老街站—大剧院站区间[2～4]，上海明珠线近距离交叠隧道[5]，深圳地铁5号线太怡区间[6]，北京地铁6 号线北海北—南锣鼓巷区间[7]。重叠隧道施工有较大的风险；因此，对盾构施工过程中重叠隧道互相影响，周边环境的安全考虑以及施工方法和技术控制至关重要。国内有许多学者对重叠隧道的施工技术进行了研究，如台启民[7]对暗挖交叠隧道地表沉降进行实测分析，李围[8]结合深圳地铁7号线笋洪区间盾构重叠隧道下穿高铁26条轨道群实例，针对“轨道支撑+路基加固+夹层土体加固+下隧道内支撑”的技术体系进行研究，陈先国等[9]、雷江松[10]对重叠隧道的施工力学以及对邻近建筑物影响与控制措施进行研究，叶至盛等[11]研究市政下穿隧道与地铁车站空间上下重叠、同步设计、同步实施的关键技术，付仁鹏[12]对长距离重叠隧道连续下穿平瓦房的施工技术研究，范恒秀[13]、刘向阳[14]对小净距重叠隧道的施工技术进行研究。本文通过三维数值模拟方法，武汉地铁4、6 号线钟家村同站台换乘站重叠交叉隧道施工为例，研究重叠隧道段掘进技术。

1 工程概况

武汉地铁钟家村站为4、6号线同站台换乘站（4号线二期与6 号线一期换乘），地下三层。4 号线钟家村站区间两端分别为汉阳火车站站和拦江路站；6 号线钟家村站区间两端分别为马鹦路站和琴台站；要实现4、6号线在钟家村站同站台换乘，区间两端4、6号线均要重叠交叉。4 号线站台长118 m，6 号线站台长140 m。在到达钟家村站前约250 m的范围内4号线与6号线区间互相穿越、上下重叠及近接：其中6号线左线穿越4号线左线；6号线右线与4号线左线部分叠行；6号线左线与4号线右线部分叠行；4号线右线与6号线左线部分近接。换乘站台处4号线与6号线均为左线在上，右线在下。见图1。

图1 钟家村站4、6号线重叠关系

2 三维数值模拟及分析

钟家村站位于汉阳区鹦鹉大道与汉阳大道十字路口的繁华主干道上，交通非常繁忙，周边高层建筑众多，地下管线和建构筑物复杂，对沉降变形控制要求严格；地层差异大，地质复杂多变，岩层强度高，岩面起伏较大且下部有岩溶。

本文利用大型有限元软件ANSYS对4号线施工顺序对地表沉降以及与后施工6号线相互间的影响进行模拟。

2.1 模型建立

四条隧道设计尺寸相同，分别以4L、4R 和6L、6R表示4号线左右线和6号线左右线隧道。设计隧道最终直径6.0 m。模型取地下空间90 m×60 m×60 m（长×宽×深），有限元ANSYS所划分网格和隧道的相对位置见图2。

图2 重叠段三维数值分析模型

为便于分析不同开挖顺序下围岩及地层位移的变化规律，分别取隧道拱顶、拱底、左腰、右腰四个位置作为监测点，见图3。

图3 重叠段三维数值分析模型监测点布置

2.2 计算工况

采用4种工况进行数值模拟。

1）工况1：开挖顺序4L→4R→6L→6R。

2）工况2：开挖顺序4L→4R→6R→6L。

3）工况3：开挖顺序4R→4L→6L→6R。

4）工况4：开挖顺序4R→4L→6R→6L。

按照开挖顺序，将各工况分成步骤①、步骤②、步骤③和步骤④。如在工况1 中：步骤①为4L 开挖完毕，4R、6L 和 6R 未开挖；步骤②为4L 和4R 开挖完毕，6L 和6R 未开挖；步骤③为 4L、4R、6L 开挖完毕，6R 为开挖；步骤④为4L、4R、6R、6L均开挖完毕。

2.3 结果分析

1）4号线隧道开挖次序对地表的影响。计算工况1 和工况3 中步骤①和步骤②所引起的竖向位移累计值，见图4。

图4 工况1和3中前两步的竖向地表沉降值

从图4可以看出，工况3中4号线开挖引起地表最大沉降量达到18.3 mm，而工况1中4号线开挖引起地表最大沉降量达到17.6 mm，故4 号线采用“先上后下”的施工顺序较好。

2）当4号线采用“先上后下”的施工顺序时，后建6号线对4号线的影响见图5。

图5 工况1和工况2地层竖向位移

当4号线采用“先下后上”的施工顺序时，后建6号线对4号线的影响见图6。

图6 工况3和工况4地层竖向位移

隧道开挖造成下方局部地层回弹隆起，而隧道上部和两侧都产生了竖向下沉，由此可知隧道开挖使得局部地层卸荷，地层的回弹将有利于减小隧道开挖造成的地表沉降。

后建6 号线的开挖造成4 号线拱顶、拱底、左腰和右腰的竖向位移最大值见表1。

表1 隧道4号线竖向位移最大值 cm

续表1

从表1 可以看出：4 种工况下，后建6 号线造成4L整体“下沉”，4R整体“隆起”，下沉最大值发生在拱底，隆起最大值发生在拱顶。以拱顶的竖向位移为研究对象，4种工况下4L的下沉值工况1最小，4R的隆起值也是工况1最小。故从4号线拱顶的竖向位移值来看，工况1 中后建6 号线对4 号线的影响最小，即4 号线和6号线均采用先上后下的施工顺序较好。

但是，根据表2 和表3 可知：先上后下工序上部管片步骤②较步骤①：最大竖向位移减小了14%，最大弯矩增大了24.9%，最大轴力增大了2%。先下后上工序下部管片步骤②较步骤①：最大竖向位移增大了24%，最大弯矩增大了553%，最大轴力减小了39.8%。

表2 “先下后上”施工管片结构受力参数

表3 “先上后下”施工管片结构受力参数

对比两种工序：管片结构最大竖向位移“先下后上”大于“先上后下”工序；但是管片结构最大弯矩“先下后上”小于“先上后下”工序；管片结构最大轴力“先下后上”大于“先上后下”工序，使得管片受力得到优化，分析主要因为“先下后上”工序进行盾构掘进对上下隧道之间结构内力影响很小。

综上，在对地面沉降没有特殊要求，满足规范（30mm）的情况下，从隧道管片受力、施工难度和风险角度考虑，推荐采用“先下后上”施工工序。

3 重叠隧道段施工措施

1）通过合理的施工组织安排，做到先修4 号线下方隧道，再修建上方隧道。

2）应根据盾构穿越的地层和上覆地层情况，设定盾构的推进参数并进行严格控制，其中主要包括：刀盘和土仓的压力，出土量和掘进速度、螺旋机转速，千斤顶总推力等，以保证开挖掌子面的稳定，尽量减少对地层扰动和开挖过程中的地层损失。出土量导致地层损失率应控制在3‰以内。

3）施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量，严格、合理地选择注浆材料配合比，减少填充材料凝固收缩产生的沉降。同时要求浆液强度≥周围加固土体的强度。同步注浆量一般控制在建筑空隙的150%～180%，注浆压力控制在0.3 MPa左右，使管片周围土体尽量恢复原始应力状态，减少土体的固结沉降和变形。实际施工中浆液的用量及注浆压力结合前一阶段施工的用量以及监测报表进行合理选择，合理选择注浆孔位，同步注浆尽可能保证匀速、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

4）隧道空间净距＜0.8D时，上部隧道施工的同时，应在下部隧道内进行二次注浆施工，减少因上部隧道施工，导致下部既有隧道向上部隧道偏离的影响。二次注浆施工应与盾构掘进同步并应遵循少量多次原则。

隧道空间净距＜0.75D，开挖上方隧道时，应对既有下方隧道采取洞内支撑加固，加固范围为盾构刀盘前25 m，盾构刀盘后50 m。洞内支撑应满足：

（1）抵抗上方隧道施工过程中，盾体下方既有隧道管片环缝之间的因垂直错动产生的剪力；

（2）提高下方既有隧道纵向刚度，减小其垂直弯曲变形；

（3）洞内支撑在盾构施工过程中不能卸力，必须能提供持续支撑。

隧道空间净距＜0.5D段，考虑从隧道管片内侧对周围地层进行注浆加固，下部隧道掘进完成后对上部土层进行加固，上部隧道施工后对下部隧道进行注浆加固。见图7和图8。

图7 左右线隧道上下重叠段注浆加固

图8 左右线隧道近接区段注浆加固

5）上部隧道施工时，应加强对既有隧道的监测。施工过程中，对相应范围内的隧道结构、地层地表、建构筑物以及地下管线进行全面监控测量，实行信息化施工。根据监测反馈信息，调整优化各项施工参数，以确保盾构施工和建构筑物安全及地下管线的正常使用，必要时采取应急措施。监控测量项目主要包括隧道结构和内力变形、地层变形和地表沉隆、建构筑物外观检查和建构筑物及地下管线的变形变位等，根据建构筑物、地下管线的具体情况以及相关部门的技术要求确定监控测量方案。盾构隧道引起的地面沉降一般控制在30 mm以内，风险源地段控制在10 mm之内，地面隆起控制在10 mm范围内并以最大值的70%作为警界值，当穿越重要构建筑物以及重要管线时，沉降控制值应按相关规范、规程允许值从严确定。

6）上部隧道施工时，对下部隧道的保护标准：

（1）下部隧道附加沉降（上浮）≤10 mm，水平位移≤5mm，管片附加纵、横径变形≤5 mm；

（2）上部隧道推进时对下部隧道引起的附加曲率半径应＞15 000 m，相对弯曲＜1/2 500。

4 结语

1）采用先下后上的施工顺序，后建隧道的施工对地表沉降和已建隧道周围岩位移扰动更小。

2）依据重叠隧道段空间不同净距离，对下方先施工隧道采取必要的洞内支撑。

3）在后施工隧道施工时，应对先施工隧道范围内的隧道结构、地层地表、建构筑物以及地下管线进行全面的监控测量，以确保盾构施工和建构筑物安全。