新建重叠盾构隧道施工顺序及加固措施探究

1 研究背景

某城市地铁9号线盾构隧道与12号线盾构隧道在某路口上下交叉重叠，其中12号线盾构隧道位于9号线盾构隧道下方，重叠长度约70 m，最小净距为1.87 m；上方9号线同时下穿1800 mm×1200 mm雨水箱涵。该雨水箱涵侧墙为片石结构。见图1、图2。

图1 交叉节点平面关系

图2 交叉节点剖面关系

两条线盾构隧道衬砌管片外径6.0 m，内径5.4 m，管片环宽1.5 m，厚度300 mm。衬砌环由一块封顶块F（15°）、两块邻接块L（64.5°）、三个标准块B（72°）组成，均采用C50钢筋混凝土制作；交叉段采用加强型配筋，受力主筋直径20 mm螺纹钢，含钢量为0.19；管片采用通用楔形环（楔形量38 mm）错缝拼装。管片间采用M24弯螺栓连接，螺栓均为机械性能5.6级，垫片机械性能等级最低为Hv=140。每环缝面上设有10个纵向螺栓，沿衬砌环环向均匀布置，每纵缝面上设2个环间螺栓。

在保证工程自身及周边建（构）筑物安全的前提下，为确保9号线站后铺轨工程进场条件和试运营工期，研究采用“先上后下”施工方案的可行性，即先施工上部9号线隧道，再施工下部12号线隧道。在此背景下，对两条线盾构隧道施工顺序、施工措施进行分析研究，为工程实施提供技术支持。

2 工程地质条件

重叠隧道区域上覆地层为素填土、中粗砂、淤泥、淤泥质黏土、中粗砂、砾质黏性土、全风化花岗岩等，重叠隧道夹层地质主要为淤泥质黏土和中粗砂，且砂层广泛分布在隧道的正上方。岩土设计参数见表1。

表1 岩土设计参数

3 施工顺序分析探究

2006年，郑余朝等［1］以深圳地铁老街—大剧院区间重叠隧道为背景，考虑“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”两种施工顺序进行了三维弹塑性有限元分析，从先施工隧道的内力演变来看，“先施工下洞，后施工上洞”的安全性优于“先施工上洞，后施工下洞”的施工顺序。

2010年，章慧健等［2］就深圳地铁3号线老街站—晒布路站区间为研究背景，得出结论：位于先建隧道上方的后挖隧道施工引起的先建隧道不均匀沉降主要出现在掌子面前方约3.5D到后方3D（D为隧道直径）的范围内。

2011年，周明亮［3］以深圳地铁2号线大剧院站至湖贝站上下重叠小净距盾构区间隧道工程为研究背景，得出结论：先下后上重叠盾构隧道，上部隧道施工过程中，下洞采取钢管支撑可有效保护下洞施工安全。

2013年谢雄耀［4］以上海轨道交通13号线淮海中路—淡水路区间为背景，研究分析得出结论：从纵向位移及既有隧道的内力改变来看，先下后上施工顺序的安全性优于先上后下的施工顺序。

结合以上研究成果分析国内已建成重叠隧道工程实例可知，国内重叠隧道大部分采用“先下后上”施工顺序来控制重叠隧道的施工安全。

针对本工程9号线盾构隧道与12号线盾构隧道上下重叠情况，采用ANSYS软件计算分析“先上后下”“先下后上”两种施工工序。盾构隧道结构采用梁单元模拟，地层采用实体单元模拟；单元总数为4424，两种施工顺序的计算参数与地质勘查参数完全相同；根据结构分析需要，计算模型尺寸为70 m×41 m（水平×竖直）。采用自重应力场，左右边界设置为水平方向约束，下边界设置为垂直方向约束，地表为自由面不设置约束。根据分析计算，图3、图4分别给出先上后下、先下后上施工工况的竖向位移云图、衬砌结构弯矩图。

图3 竖直位移云图（单位：mm）

图4 双洞开挖结构弯矩（单位：N·m）

根据分析结果可知：本工程采用“先上后下”施工顺序时地表最大沉降值为2.95 mm；采用“先下后上”施工顺序时地表最大沉降值为3.03 mm。两种工序拱顶沉降最大值均位于上洞，分别为5.84、6.04 mm；仰拱隆起最大值均位于下洞，分别为2.05、2.06 mm。

“先上后下”施工顺序开挖时，上洞开挖完后最大塑性应变为0.002532，两洞全部开挖完成后最大塑性应变仍为0.002532，最大塑性区集中在上洞周边3 m围岩区域；“先下后上”开挖时，下洞开挖完成后最大塑性应变为0.001105，两洞全部开挖完成后最大塑性应变为0.003643，最大塑性区集中在上洞周边3 m围岩区域。

由单洞开挖后结构剪力及双洞开挖后结构弯矩分析可知，“先上后下”开挖最大弯矩值位于上洞拱底部位，最大值为12881 N·m；“先下后上”开挖最大弯矩值位于下洞拱腰部位，最大值为10635 N·m。但“先上后下”开挖仰拱处大弯距范围较小，而“先下后上”开挖上洞拱腰处大弯距范围较大。

综上分析，本工程在“先上后下”“先下后上”两种工序下，地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值变化，采用“先上后下”施工比“先下后上”施工较为有利。

本文所论述交错隧道的净距仅1.87 m（几乎为设计中的最小值），无论施工顺序为“先上后下”还是“先下后上”，重叠段后建隧道对先建隧道影响均较大，都必须采取有效措施控制隧道之间的相互影响。

4 加固措施分析研究

根据上节分析，采用“先上后下”的施工方案技术可行。为确保后建12号线隧道下穿先建9号线隧道时的施工安全，保证成型隧道的施工质量，提前对隧道重叠区域进行全断面地基加固，改良隧道周边的不良地层，提高土体的强度和稳定性。

由于后挖隧道对先挖隧道的“卸载”效应，先挖隧道的衬砌管片朝后挖隧道方向变形，严重者可引起管片开裂渗水，影响隧道的正常使用。另一方面，这种影响是随着后挖隧道掌子面的推进而推进的，只在掌子面前后一定范围内存在，也就是说，对于先挖隧道某一点的影响是临时的，待到后挖隧道施工完成后，先挖隧道相对于朝后挖隧道方向移动了一定距离，纵向效应消失或大幅减小。因此，通过提高先建隧道管片的设计强度和刚度可有效应对重叠隧道施工的纵向效应［2］。图5、图6分别为先建上部隧道断面最大纵向弯矩、横断面最大纵向剪力图。

图5 断面最大纵向弯矩(单位：N·m)

图6 横断面最大纵向剪力(单位：N)

盾构隧道直径为6 m，共有10根纵向螺栓，故每个螺栓承担的环向长度应为1.885 m，即拱顶位置（最不利位置）螺栓应承担的纵向弯矩应力76.4 kN·m，由于轴力为压力，偏于安全，按纯弯构件进行螺栓验算。由于纵向钢筋配置较小，导致容许阻力矩过小，远小于设计弯矩。

盾构隧道环间纵向设10个连接螺栓，管片纵、环向手孔标准段均采用8.8级（抗剪强度为150 MPa）M24连接。经检算，螺栓需承受的剪应力为352.23 MPa，大于抗剪承载强度。经分析可知盾构隧道施工过程中，纵向剪力与纵向弯矩具有很强的临时性，在上盾构隧道施工过程中，可对上部盾构隧道设置临时钢架支撑，用以分担螺栓上承受的剪力与弯矩，以确保盾构管片螺栓的安全［5］。

根据盾构隧道纵向螺栓抗弯、抗剪验算，需采用临时支撑纵向连接来承受盾构掘进过程中后建隧道引起先建隧道环缝超过螺栓承载能力的临时弯矩、剪力。拟采用20a工字钢（容许剪应力为100 MPa）临时钢架支撑加固，分别采用6、7、8根20a工字钢支撑对先建隧道进行加固，计算得出螺栓承受剪应力见表2。

表2 临时支撑剪力验算

在12号线隧道下穿9号线隧道期间，先建9号线隧道对应位置采用钢架支撑或液压支撑台车［6］来支撑重叠段隧道以控制后建隧道对先建隧道洞内支撑体系的相关要求。防止先建隧道发生变形，确保隧道的安全和质量。

5 结语

本文结合重叠隧道已有研究成果，针对本工程9号线与12号线70 m重叠，保证工程自身及周边建（构）筑物安全的前提下，为确保9号线站后铺轨工程进场条件和试运营工期，研究采用“先上后下”施工方案的可行性，得到如下结论：

1）本工程重叠段隧道“先上后下”施工顺序可行，而且采用“先上后下”施工比“先下后上”施工有利。

2）无论施工顺序为“先上后下”还是“先下后上”，重叠段后建隧道对先建隧道影响均较大，都必须采取有效措施控制隧道之间的相互影响。近距离重叠隧道工程周边环境、地质条件各有不同，根据各工程特点具体分析“先下后上”或“先上后下”施工顺序的利弊，并采取相应措施控制后施工隧道对先施工隧道的影响。重叠区段应设置钢架支撑等结构以控制后建隧道对先建隧道洞内支撑体系是必要的。

3）类似工程中，控制后建隧道对先建隧道影响的建议：①有条件的情况下，线路专业尽量将重叠隧道线间距拉大，降低工程风险、控制工程造价；②施工顺序、加固措施应根据重叠隧道所处地层、周边环境、隧道间距离具体分析。