地铁叠线隧道小净距盾构施工工序研究

金乃麒 徐剑旋 高跃峰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

进入21世纪以来，我国城市化进程明显加快，地铁、城市地下空间得到进一步开发和利用。受地下既有建构筑物影响，大规模的地铁建设势必会出现各种形式的临近施工，上下平行重叠区间隧道布置形式也大量出现在轨道交通工程中。由于重叠隧道盾构施工过程中，对地层多次扰动，地层损失大，近接施工相互影响大，这就需要对叠线隧道中后建隧道施工对已建隧道施工影响进行研究。关于这一难题，近年来，学者和专家已有大量有价值的研究。

何川等[1]通过模型试验和三维有限元对地铁盾构隧道重叠下穿施工进行了深入研究；宋浩然等[2]通过数值模拟与现场实测相结合的研究手段，对叠落盾构隧道施工产生的地层变形及结构受力进行分析；李围等[3]通过构建“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，并结合自动化监测，对盾构重叠隧道下穿引起的高铁正线轨道进行了研究；郭晨[4]采用大型通用有限元软件对叠线隧道夹土体注浆加固进行三维弹塑性数值模拟计算；张兴丽等[5]通过建立新旧隧道的有限元模型，分析新盾构隧道施工时对既有盾构隧道产生的影响；叶雅图等[6]采用通用有限元程序对整个施工过程中的盾构管片内力分布、地层位移等关键因素进行了深入分析；张晓军[7]结合数值模拟对水平平行、竖直重叠、斜交度两隧道不同位置关系时的横向影响程度进行了研究；赵巧兰[8]采用多种软件进行详细的理论分析,确定重叠盾构隧道“先下后上”的施工顺序；范晓真等[9]对小净距上下重叠盾构隧道的施工扰动进行了研究。

综上可知，目前国内学者针对叠线隧道近接施工已取得大量有价值的研究成果。本文在归纳前人研究基础上，以郑州轨道交通3号线工程金—太区间盾构重叠隧道工程为工程背景，选取上下重叠近距1.8 m断面工况，建立三维有限元模型，分析采用加固处理措施后，叠线盾构隧道不同施工工序下，后建隧道对已建隧道影响，并结合现场监控量测进行对比验证。

1 工程概况

金—太区间为南北走向，沿南阳路往南，下穿大石桥立交桥、金水河后沿铭功路中向南，途经金水路、彭公祠街等市政道路。该区间位于黄河泛滥平原，地层以第四纪松散沉积物为主，下伏基岩埋置较深，沿线第四纪覆盖层厚度均大于50 m。右线区间隧道主要穿越②33、②34黏质粉土夹砂质粉土，左线区间隧道主要穿越②51细砂，②51B粉质黏土地层。重叠隧道平面位置关系如图1所示，剖面关系如图2所示。

2 三维数值模拟研究与监控量测

2.1 计算模型的建立

采用三维有限元软件分析后建隧道对已建隧道影响，模型X方向取80 m，模型Y方向取60 m，模型Z方向取60 m，模型中岩土体以实体单元模拟，衬砌以板单元模拟，土体本构模型采用摩尔库仑模型进行模拟，模型共计28 389个单元，23 235个节点。有限元数值计算分析模型如图3所示，各岩土层物理力学参数如表1所示。数值分析计算工况如表2所示。

表1 地层的主要物理力学参数

表2 叠线隧道盾构施工工序

2.2 计算结果与分析

由图4可知，工况1采用先上后下盾构开挖施工顺序，地表最大沉降-27.71 mm；工况2采用先下后上盾构开挖施工顺序，地表最大沉降值为-20.65 mm，监测方案实测数据为-21.94 mm，与数值计算结果基本吻合；采用工况2施工工序，对地层产生扰动更小，地面沉降减少了25%，说明采用先下后上盾构施工工序对控制地面沉陷更为有效。

由图5可知，工况1采用先上后下盾构开挖施工顺序，左线盾构隧道拱顶最大沉降值为-6.70 mm；工况2采用先下后上盾构开挖施工顺序，左线盾构隧道拱顶最大沉降值为-4.30 mm，监测方案实测数据-3.87 mm；采用工况2施工工序，左线盾构隧道减少了35%。

3 结语

本文依托郑州轨道交通3号线工程金—太区间盾构重叠隧道工程为研究背景，采用“叠线隧道夹土体加固+洞内移动台车支撑”技术方案，通过三维有限元方法分析考虑“先上后下”和“先下后上”两种施工工序，并结合现场监控量测，得出如下结论：

1)工况1采用先上后下盾构施工工序，地表最大沉降为-27.72 mm，拱顶最大沉降为-6.7 mm；工况2采用先下后上盾构施工工序，地表最大沉降为-20.65 mm，拱顶最大沉降为-4.3 mm，均满足城市轨道交通监测规范要求。2)工况2相对于工况1施工工序，地表最大沉降减少了25%，左线盾构隧道拱顶沉降减少了35%，在类似上下重叠隧道工程中，建议采用先盾构开挖下行隧道，后施工上行隧道工序。3)采用“叠线隧道夹土体加固+洞内移动台车支撑”技术方案，能够有效保证叠线盾构隧道施工安全。根据现场监测方案实测数据，与数值计算结果基本吻合，验证了有限元计算的准确性和加固方案的可靠性。