深圳地铁小净距盾构重叠隧道施工工序及加固方案

崔光耀，倪嵩陟，伍修刚，周济民，王明年

（1.北方工业大学土木工程学院，北京100144；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

深圳地铁小净距盾构重叠隧道施工工序及加固方案

崔光耀1，倪嵩陟1，伍修刚1，周济民2，王明年3

（1.北方工业大学土木工程学院，北京100144；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082；3.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）

深圳地铁3号线红岭中路站—老街站区间设计为盾构重叠隧道。2条线净距小、夹土层受扰动较大。本文对该区间隧道的施工工序和加固方案进行了有限元数值模拟和对比分析。结果表明：采用“先下后上”工序略优于“先上后下”工序，为减少对夹土层和围岩的扰动建议采用“先下后上”工序施工；夹土层宜采用钢花管注浆加固；上隧道开挖期间下隧道加固采用液压轮式台车方案略优于十字钢支撑方案，在预算允许的条件下建议下隧道加固采用液压轮式台车方案。

小净距；盾构重叠隧道；施工工序；加固方案

1　工程概况

红（岭中路站）—老（街站）区间隧道采用土压平衡盾构施工，为两条分修的单线隧道，盾构机直径为5.4 m，管片宽为1.5 m，错缝拼接。为满足老街站重叠段车站建设要求，区间隧道从红岭中路站先以线间距14.0 m出发，通过多次曲线调整，逐渐过渡到上下重叠。老街站西侧（ZCK7+870—ZCK7+924）上下重叠段最小净距为1.6 m，上线隧道拱顶最小埋深约为9.6 m。红老区间隧道位置示意如图1。

图1　红老区间隧道位置示意

2　盾构重叠隧道施工工序有限元分析

2.1计算模型

以老街站西侧上下重叠段为研究背景，建立计算模型。隧道位于模型中部，上下及左右边界距隧道均为40 m，纵向长度取54 m，上下重叠隧道净距为1.6 m。围岩采用实体单元，管片采用壳单元模拟。

2.2计算工况

对“先上后下”和“先下后上”2种工序进行模拟计算，施工步骤及内容见表1。

表1　计算工况及施工步骤

2.3计算参数

计算模型中土层及支护的物理力学参数见表2。

2.4监测断面及监测点

选取上下隧道中间断面作为监测断面，考虑到结构受力对称，监测点布置在断面的左边，见图2。

表2　土层及支护的物理力学参数

图2　监测点布置示意

2.5计算结果与分析

2.5.1地表沉降

“先上后下”和“先下后上”2种施工工序下横向地表沉降曲线见图3。

图3　2种施工工序下横向地表沉降曲线

由图3可知：①2种施工工序造成的横向主沉降区在隧道中线左右各20 m范围，20 m外地表有略微隆起现象。②“先上后下”工序上隧道开挖造成的沉降占71.7%，下隧道开挖造成的沉降占28.3%。对于下隧道开挖造成的沉降，当开挖到监测断面正下方时沉降约为45%，穿越监测断面后沉降约为55%。采用“先上后下”工序施工地表最终沉降值为21.2 mm。③“先下后上”工序下隧道开挖造成的沉降值占49.2%，上隧道开挖造成的沉降值占50.8%。最大沉降（18.7 mm）发生在上隧道盾构通过监测断面约18 m时。采用“先下后上”工序施工地表最终沉降值为18.5 mm。

2.5.2结构内力

提取“先上后下”和“先下后上”2种工序施工完成后上下隧道各监测点结构内力，并计算各监测点安全系数，见图4、图5。

图4　“先上后下”工序施工完成后结构内力及安全系数

图5　“先下后上”工序施工完成后结构内力及安全系数

“先上后下”工序上隧道施工过程中，最大弯矩位于拱顶，为66 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-917 kN；最小安全系数位于拱顶，为1.9。下隧道施工对已开挖上隧道结构内力的影响较小。

由图4可以看出：上下隧道均施工完成后，上隧道最大弯矩位于拱顶，为50.1 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-535.1 kN；最小安全系数位于拱顶，为2.3。下隧道最大弯矩位于拱顶，为42.2 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-787.7 kN，最小安全系数位于拱顶，为4.0。

“先下后上”工序下隧道施工过程中，最大弯矩位于拱顶，为62.4 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-566.6 kN；最小安全系数位于拱顶，为2.0。上隧道施工对已开挖下隧道有卸载作用，下隧道结构内力值有所减小。

由图5可以看出：上下隧道均施工完成后，上隧道最大弯矩位于拱腰，为-44.4 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-862.7 kN；最小安全系数位于仰拱，为4.4。下隧道最大弯矩位于拱顶，为52.7 kN·m；最大轴力位于拱腰，为-525.1 kN，最小安全系数位于拱顶，为2.1。

2.5.3施工工序比选

“先上后下”和“先下后上”2种工序地表位移、衬砌结构内力及安全系数对比见表3。

表3　2种工序地表位移、衬砌结构内力及安全系数对比

由表3可知，从地表位移及结构内力看，“先下后上”工序略优于“先上后下”工序。为减小开挖对重叠隧道夹土层及围岩的扰动，推荐采用“先下后上”工序施工。

3　在后施工隧道开挖期间先施工隧道的加固

由于土压平衡盾构机较重，夹土层又较薄（最小仅为1.6 m），为保障施工及运营安全，上隧道施工过程中需对夹土层和下隧道采取一定的加固措施。

3.1夹土层加固措施

红老区间隧道上下隧道夹土层为残积层和全风化花岗片麻岩层，为增强夹土层的抗压及抗剪能力，采用钢花管（壁厚t为3.5 mm），通过同步注浆和二次注浆，对夹土层进行加固，见图6。同步注浆量每环＞7 m3；二次注浆量每孔＞2 m3，注浆浆液为水泥-水玻璃浆液，注浆压力0.6～1.2 MPa。

3.2下隧道加固方案

3.2.1十字钢支撑加固

为降低上隧道盾构开挖对已建下隧道的影响，可采用十字钢支撑（图7）进行下隧道加固。十字钢支撑一般置于管片中部，每环均设置。优点是施工方便，传力路径明确，可配合现场监测调整十字钢支撑布设间距。缺点是不能与土压平衡盾构机同时前进，且拆卸较麻烦。

图6　夹土层钢花管注浆加固示意（单位：mm）

图7　十字钢支撑加固示意

3.2.2液压轮式台车加固

液压轮式台车（图8）长为22.5 m，由4节小台车（单节长为4.5 m）组成，节间距为1.5 m。台车可在钢轨上行进，每节台车沿纵向间隔750 mm设置1道支撑。优点是能与土压平衡盾构机同时前进，且受力合理。缺点是造价及使用费用较高。

3.3下隧道加固方案有限元分析

3.3.1计算情况

计算模型、计算参数、监测断面及监测点同第2节。计算工况见表4。

图8　液压轮式台车加固示意

表4　计算工况

3.3.2计算结果与分析

1）洞周位移

下隧道5个监测点（图2）水平位移值及下沉值，工况2、工况3相对于工况1的减小百分比分别见表5、表6。

表5　各监测点水平位移值

表6　各监测点下沉值

由表5、表6可知：①工况2、工况3洞周水平位移值及下沉值明显小于工况1，说明下隧道加固措施有效；②液压轮式台车加固方案优于十字钢支撑加固方案。

2）结构内力

下隧道5个监测点结构内力及工况2、工况3相对于工况1的减小百分比见表7、表8。

表7　各监测点轴力值

表8　各监测点弯矩值

由表7、表8可知：①工况2、工况3内力值明显小于工况1，说明下隧道加固措施有效；②液压轮式台车加固方案略优于十字钢支撑加固方案。

3）加固方案比选

比较洞周位移及结构内力可知，十字钢支撑和液压轮式台车2种加固方案在承受上隧道施工期间临时荷载方面都起到了应有的作用。液压轮式台车加固方案略优于十字钢支撑加固方案。由于液压轮式台车在移动方面的优势，故在预算允许的条件下，建议下隧道加固采用液压轮式台车方案。

4　结论

1）从地表位移及结构内力看，“先下后上”工序略优于“先上后下”工序。为减小开挖对盾构重叠隧道夹土层及围岩的扰动，推荐采用“先下后上”工序施工。

2）盾构重叠隧道施工过程中，夹土层采用钢花管注浆加固，上隧道开挖期间下隧道的加固采用液压轮式台车方案略优于采用十字钢支撑方案。由于液压轮式台车在移动方面的优势，故在预算允许的条件下，建议下隧道加固采用液压轮式台车方案。

［1］孙钧，刘洪洲.交叠隧道盾构法施工土体变形的三维数值模拟［J］.同济大学学报，2002，30（4）：643-646.

［2］周斌.近接盾构隧道力学行为与近接分区研究［D］.成都：西南变通大学，2009.

［3］章慧健，仇文革，冯冀蒙.小净距隧道夹岩力学特征分析［J］.岩土工程学报，2010，32（3）：434-439.

［4］王明年，张晓军，苟明中，等.盾构隧道掘进全过程三维模拟方法及重叠段近接分区研究［J］.岩土力学，2012，33（1）：273-279.

［5］张磊，李建伟，李永福，等.重叠盾构隧道施工地面变形及控制技术研究［J］.城市轨道交通研究，2012（12）：103-107.

［6］张晓军.小间距盾构重叠隧道安全施工控制技术研究［D］.成都：西南变通大学，2010.

［7］章慧健，仇文革，冯冀蒙，等.近距离重叠隧道盾构施工的纵向效应及对策研究［J］.岩土力学，2010，31（11）：3569-3573.

［8］赵东平，王明年，贾玲利.路堑边坡开挖对邻近既有隧道影响研究［J］.岩土力学，2009，30（5）：1399-1403.

［9］杨广武，关龙，刘军，等.盾构法隧道下穿既有结构三维数值模拟分析［J］.中国铁道科学，2009，30（6）：54-60.

［10］何川，苏宗贤，曾东洋.地铁盾构隧道重叠下穿施工对上方已建隧道的影响［J］.土木工程学报，2008，41（3）：91-98.

Construction Sequence and Reinforcement Scheme of Shenzhen Metro Overlap Shield Tunnels with Small Space Apart

CUI Guangyao1，NI Songzhi1，WU Xiugang1，ZHOU Jimin2，WANG Mingnian3
（1.School of Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，China；2.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Beijing 100082，China；3.School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

T he interval between Hongling middle road station and Laojie station in Shenzhen metro line No.3 is designed as the shield overlap tunnels.Due to the small space apart and the large disturbance of clip soil layer，the construction sequence and the reinforcement scheme for this interval tunnel was compared and analysed through finite element numerical simulation.T he research results show that“down-hole-first”construction sequence is slightly better than“up-hole-first”construction sequence，the construction sequence of“down-hole-first”is recommended in order to reduce the disturbance of the clip soil layer and surrounding rock，steel pipe grouting reinforcement is used for the clip soil layer，the hydraulic wheel trolley scheme is better than cross steel support scheme for reinforcing the down hole during the up-hole tunnel excavation，the hydraulic wheel trolley scheme is suggested for down hole reinforcement under the conditions of the budget.

Small space apart；Shield overlap tunnel；Construction sequence；Reinforcement scheme

U455.4

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.17

1003-1995（2016）09-0066-05

（责任审编葛全红）

2016-01-20；

2016-07-05

国家自然科学基金（51408008）；北方工业大学青年拔尖人才培育计划（XN070017）

崔光耀（1983—），男，副教授，博士。