富水地层重叠隧道施工结构及地层变形分析

刘 鹏，刘 维

(1．中铁隧道集团三处有限公司，广东深圳 518052;2．浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室，杭州 310058)

0 引言

伴随着经济的发展和城市规模的不断扩大，城市地下轨道交通建设对城市地下空间的开发利用提出了新的要求。城市地下轨道交通建设以隧道建设为主。伴随着地下交通的不断扩张，隧道布置形式呈现多样化的趋势。受施工条件的制约，同时为了节约地下空间，重叠隧道在设计中被广泛采用。目前国内外学者对重叠隧道的研究获得了一定成果。章慧健等［1］研究了重叠隧道施工中，后挖隧道对先建隧道的纵向影响，提出了在先建隧道中设置临时压重控制隧道变形。陈先国等［2］通过研究重叠隧道的布置形式，揭示了不同开挖顺序及支护方式下的地表和拱顶下沉规律。张成平等［3］在重叠隧道监测研究基础上提出在该类围岩条件下施工浅埋暗挖重叠隧道控制地层变形的技术措施，亦有学者从施工技术角度对重叠隧道进行研究［4-6］。基于不排水假设，有研究采用数值方法对暗挖隧道地层和隧道结构变形进行分析［7-12］。考虑到隧道建设中的排水渗流效应，吴波等［13］采用数值方法研究了隧道开挖与失水引起的地层沉降。黄俊等［14］通过对深圳地铁一期工程的监测，发现地表沉降大于土体沉降的现象，并明确地下水渗流是主要原因。可以发现，以上文献只对重叠隧道的开挖、施工等技术做了单一探讨，而对重叠、富水、断面形式变化多的城市暗挖隧道施工的隧道结构和地层变形研究较少。本文以深圳地铁5号线太安站至怡景站区间暗挖重叠隧道工程为背景，通过对现场监测数据的分析，研究重叠隧道富水地层施工过程中地层和隧道结构的变形规律，以期为类似工程的施工设计提供参考。

1 工程概况

深圳地铁5号线太怡区间5307标段包含5号线和7号线接入段，均为矿山法施工的暗挖区间隧道，其中5号线由2#竖井往太安站方向与7号线接入段设置为上下重叠隧道。重叠段隧道左线长175 m，右线长232 m，5号线在上，7号线在下，平面位置关系如图1所示。重叠段隧道5号线为单洞双线双联拱隧道，7号线为双洞双线隧道，典型断面形式如图2所示。隧道埋深为17．2～25．1 m，上部覆盖土层主要为回填土(厚3～5 m)、砂质黏土(厚约4 m)、粉质黏土(厚2～12 m)和混合岩(厚约8 m)。重叠隧道7号线主要位于富水强风化岩层，5号线位于粉质黏土及全风化岩中，围岩物理力学参数如表1所示。

重叠隧道5号线和7号线上下净距平均为1m，最小处为0．9 m。7号线左右净距3．0～7．8 m，隧道断面宽为6．4m，高为6．56m，开挖面积为34．6m2。5 号线隧道断面宽为13．4 m，高为7．45 m，开挖面积为87．2 m2。7号线初期支护为锚喷网，厚0．25 m;辅助措施为单层超前小导管注双液浆，拱部土体径向注浆加固;二次衬砌为模筑钢筋混凝土，厚0．35 m。5号线初期支护为锚喷网，厚0．3 m;辅助措施为双层超前小导管注双液浆，拱部土体径向注浆加固;二次衬砌为模筑钢筋混凝土，厚0．5 m。

表1 围岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of ground

隧道开挖过程中，控制周边土体产生变形是该区段施工的重点。众多重叠隧道工程施工经验及研究均表明，重叠隧道施工时，采用先开挖下洞后开挖上洞的施工顺序能有效地控制地层变形［4-6］。该工程实际施工中采用“先下后上”的施工顺序。下洞7号线采用台阶法施工，上台阶长为3～5 m，如图3所示。上洞5号线采用中导洞法施工，如图4所示。开挖中导洞之前，导洞顶部打设3 m超前小导管;开挖中导洞区域后，修筑中墙并打设左线上台阶超前小导管，注浆后分别开挖左线上下台阶;完成左线初期支护后，于右线上台阶顶部打设超前小导管，注浆后分别开挖右线上下台阶;完成右线初期支护后，拆除中导洞并施作二次衬砌。下洞全部贯通后进行上洞施工会大幅降低施工效率，且不能显著地控制地层变形。实际施工中，采取上洞掌子面落后于下洞掌子面25 m步距的上下洞同时施工方案，既能较好地控制地层变形，又能提高施工效率。

图3 下洞7号线施工示意图Fig．3 Construction of lower tunnel of No．7 Metro line

图4 上洞5号线施工示意图Fig．4 Construction of upper tunnel of No．5 Metro line

2 现场监测与分析

2．1 隧道变形监测

2．1．1 上洞拱顶沉降监测

5号线在重叠段为双联拱隧道，采用中导洞分区域开挖。由于隧道跨度较大，开挖区域较多，土体受到较大扰动，因此，开挖过程中对5号线拱顶和侧墙进行监测，监测频率为1次/d，测点位置如图5所示。5号线拱顶最终沉降监测如图6所示。比较图6(a)和图6(b)可以发现，左拱顶沉降略大于右拱顶沉降，因为5号线开挖左线时，右线上方土体应力已经部分释放，开挖右线时，右线周边土体应力释放小于左线周边土体，所以右线拱顶沉降略小于左线拱顶沉降。5号线隧道拱顶工后沉降延掘进方向缓慢增大，平均工后沉降为10mm，小于30mm工后沉降控制标准，同时表明，隧道结构较稳定，未出现较大程度的工后沉降。挖左线隧道周边土体时，应力释放的同时右线隧道周边土体应力也随之释放，待开挖右线隧道时，右线隧道周边土体残余的应力释放造成土体变形小于左线隧道。

图5 监测点布置图Fig．5 Layout of monitoring points

2．1．2 上洞侧墙水平位移监测

5号线侧墙最终水平位移监测如图7所示。由于施工中采用了横向钢支撑，隧道侧墙变形控制较好。隧道两侧侧向变形小于左右拱顶变形沉降，说明双联拱隧道开挖过程中，设置水平横向钢支撑对控制隧道变形是有作用的。左右墙侧向位移趋势和左右拱顶沉降趋势表现出一致的规律，左墙水平位移略大于右墙。因为开

2．2 地表沉降监测

地表沉降监测点的位置集中在5号线的纵向方向，主要观测重叠隧道施工阶段对地表变形的纵向影响。下洞7号线和上洞5号线施工造成的地表纵向沉降如图8所示。7号线施工时引起的地表变形大于5号线施工时引起的地表变形，原因是7号线所处的强风化岩层为富水地层，而7号线初期支护完成后为了加快施工进度，并未施作二次衬砌，而采取壁后注浆来止水。由于壁后注浆临时止水效果不如永久性衬砌，造成裂隙水渗入隧道内，引起隧道上覆土层及地表变形加大。5号线上部基本位于粉质黏土层，施工时主要控制拱顶应力释放引起的土层变形，因此，7号线造成的隧道中段处地表变形为200 mm，远大于5号线施工造成约90 mm的地表变形。隧道开挖时，土体应力释放造成地层变形，同时地下水的渗入会造成巨大沉降，破坏周边建筑或已有管线。重叠隧道施工时，除了控制周边土体应力释放，施工防水控制尤为重要。5号线施工造成的地表变形可以分为施工时沉降和工后沉降2部分，如图9所示。5号线施工时引起的隧道中段地表沉降约为75 mm，而从施工完毕直到沉降稳定，这段时间内的工后沉降量约为20 mm。可以发现，在弱渗流情况下，矿山法隧道施工时土体应力释放是引起地表沉降的主要原因，工后沉降是由残余应力继续释放造成的。比较图6和图9可以看出，5号线拱顶最终平均沉降约40 mm，而5号线施工引起的地表沉降略大于拱顶沉降，拱顶工后平均沉降为10 mm，小于地表工后平均沉降，表明上部隧道结构施工过程中并未出现整体结构明显下沉的现象。施工时5号线隧道中段沉降较大，工后沉降随着掘进方向增加，表明隧道前段施工造成的地表沉降已经趋于稳定，而隧道后段施工造成的地表沉降还在发展中。

3 结论与讨论

本文以深圳地铁5号线太怡区间重叠段工程为背景，采取实地监测的方法，对重叠隧道富水地层施工中引起的隧道结构周边土层变形进行研究，得到以下结论。

1)下部隧道稳定后施工上部隧道，施工过程中未出现整体结构明显下沉的现象，说明重叠隧道采用“先下后上”的施工顺序有利于保证隧道的整体稳定性。

2)在无渗流影响下，上线隧道开挖时应力释放是造成土层变形的主要原因，工后沉降小于开挖时沉降。在富水地层中，渗流作用造成下线隧道工后沉降极大，渗流和应力释放是造成地层变形的主要原因。因此，在富水弱岩地层中开挖隧道，利用超前支护控制围岩应力释放的同时，工后止水措施尤为重要。

3)重叠隧道中段拱顶沉降和地表沉降均大于隧道两端区域，而由于地下水的渗流作用，重叠隧道中段亦出现了地表沉降大于拱顶沉降的现象。

从上述结论可以发现，在富水地层中开挖重叠隧道，渗流作用对地层变形具有重要的影响，今后可同时从现场监测与数值模拟2个方面做进一步研究。

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