盾构与浅埋暗挖隧道小净距并行施工工法优选

宋高锐， 王渭明， 王国富， 李绍锋， 吕显州，王 丹

(1.山东科技大学土木工程与建筑学院， 青岛 266590； 2.中铁十七局集团第一工程有限公司， 青岛 266590； 3.山东科技大学地球科学与工程学院， 青岛 266590； 4.济南轨道交通集团建设投资有限公司， 济南 250101)

中国作为全球地铁建设最快的国家，有85%以上的地铁隧道都是由盾构机开挖的。随着地铁的快速建设，加之地形条件以及选线位置的影响，小净距并行隧道因其具有占地少、不受地形条件影响以及展线、接线难度小等优点在现阶段地下空间的开发和利用上得到了广泛的应用[1-4]。

在小净距并行隧道的开挖过程中，后行隧道会对先行隧道位移及地层变形产生叠加效应，造成先行隧道围岩失稳或衬砌破坏等风险[5-6]。刘明才[7]针对大断面小净距隧道的围岩荷载模式展开数值研究，指出后行洞施工对先行洞存在不利影响；陈俊武[8]对并行段和交叉段是采用盾构隧道先行还是浅埋暗挖隧道先行的两种不同方案进行对比分析，得出在水平平行段和上下交叉段，盾构隧道先行均优于浅埋暗挖隧道先行；戴俊等[9]通过分析小净距并行公路隧道的围岩受力，得出两隧洞中夹岩柱是小净距隧道开挖受力最为薄弱的部位；刘庆丰等[10]对昆明轨道交通中盾构并行隧道对既有隧道的影响进行了研究并提出隧道间夹土层应进行加固处理，并加强信息化施工；Ng等[11]通过室内模型试验对小净距并行地铁隧道施工的相互影响进行了分析；Mahamad等[12]通过现场监测手段对小净距并行地铁隧道的相互扰动进行了分析。

现有研究成果多集中在多孔小净距并行隧道的施工顺序以及加固措施等方面，鲜有对盾构与浅埋暗挖小净距并行隧道特别是后行暗挖隧道的开挖工法对先行盾构隧道影响的研究。将依托济南R3线盾构与浅埋暗挖隧道小净距并行段，研究和探讨后行暗挖隧道对先行盾构隧道的影响，并根据现场监测结果进而选出最合适的施工工法，以期为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

济南地铁R3线龙洞停车场出入线由孟家庄站小里程端引出，沿龙鼎大道向南敷设，区间起始里程右TRSK0+147.349，终点里程右TRSK1+883.500，全长1 736.1 m。

龙洞庄站至孟家庄站区间采用盾构法施工，盾构隧道掘进至出入线暗挖区间时，呈左右对称与浅埋暗挖隧道同向小净距并行，其平面示意图见图1。其中，中间暗挖隧道拱顶埋深约10.1 m，开挖跨度为11.7 m，高度为8.59 m。盾构隧道开挖直径为6.4 m，采取单层管片衬砌，管片厚度0.3 m，每环衬砌宽1.5 m，暗挖隧道与左、右线盾构隧道水平净距为3 m。

图1 盾构与浅埋暗挖隧道平面示意图Fig.1 Schematic diagram of shield and shallow buried tunnel

为确保安全，降低风险，在矿山法隧道掘进前，先对盾构隧道与矿山法隧道之间地层进行帷幕注浆加固，其断面图如图2所示。

图2 盾构与浅埋暗挖隧道横断面图Fig.2 Cross-sectional view of shield and shallow buried tunnel

隧道施工现场如图3所示，暗挖隧道采用交叉中隔墙(cross diaphragm，CRD)法，分为4个部分，先左上隧道开挖，右上隧道开挖，左下隧道开挖，再右下隧道开挖，初期支护厚度为35 cm，二次衬砌厚度为40 cm。为保证施工过程隧道围岩的稳定，需对浅埋暗挖隧道进行超前支护，采用Φ42 mm×3.5 mm 的无缝钢管对浅埋暗挖隧道拱部进行注浆加固，超前小导管长3.5 m，环向间距400 mm，暗挖隧道初期支护采用格栅钢架+钢筋网+C25喷射混凝土，二次衬砌采用模筑C40、P8混凝土浇筑。

图3 隧道施工现场图Fig.3 Tunnel construction site drawing

2 计算模型的建立

假定地层为均质层状水平分布，建立长100 m、宽45 m、高37.7 m的有限元模型，上边界为自由面，四周受水平约束，底面为竖向约束。隧道围岩土体采用Mohr-Coulomb本构模型，以中隔墙(center diaphragm，CD) 法为例，其三维计算模型如图4所示。

图4 三维计算模型Fig.4 Three-dimensional computing model

并行段施工中，左、右盾构隧道先后同向并行，后行右线盾构隧道滞后先行左线隧道6 m，中间暗挖隧道在后行右线盾构隧道掘进完成后开挖，其中，超前小导管注浆以及盾构隧道与矿山法隧道之间的加固地层通过提高围岩力学参数的方式进行模拟。

本区间地层自上而下依次为素填土(0.8 m)、粉质黏土①(4.7 m)、粉质黏土②(3.9 m)、碎石土(8.3 m)、中风化石灰岩(20 m)，地层及加固区域参数如表1所示。

表1 土层参数表

根据设计和现场的施工方法，模拟依照图3(a)中左上→右上→左下→右下顺序依次开挖掌子面分部，右上部掌子面落后左上部掌子面7.2 m，右下部掌子面落后左下部掌子面7.2 m，左下部掌子面落后左上部掌子面10.8 m。每次开挖进尺为 1.8 m，落后掌子面1.8 m施作350 mm厚初期支护和250 mm临时支撑，施工模拟过程中不拆除临时支撑结构。盾构管片、盾壳以及暗挖隧道支护结构均采各向同性的弹性模型，注浆层采用等代层进行模拟，其中，考虑到接头和拼装对盾构管片结构刚度的影响，把管片的材料参数折减35%[13-14]，暗挖隧道格栅拱架通过刚度等效的原则折算到初期支护及临时支撑中，考虑到实际施工中二次衬砌在围岩变形稳定后施作而且远远滞后于初期支护的施作时间，因此计算中不考虑二次衬砌的作用[15]。计算采用的盾构壳体、管片等物理力学性质参数如表2所示。

表2 隧道支护结构参数

盾构隧道开挖时，为模拟土压平衡状态，沿开挖土体方向施加面力，其大小为

P=K0γH=0.4×20×14.4=115 kPa

(1)

式(1)中：γ为土层的加权平均重，kN/m3；H为隧道中心埋深，m；K0为水平压力系数。

盾构往前推进会对前一阶段的管片施加反向为0.1 MPa的千斤顶推力，盾构同步注浆将会对管片外周施加指向圆心的径向注浆压力，大小为 0.15 MPa，盾构隧道荷载施加示意图如图5所示。

图5 盾构隧道荷载施加示意图Fig.5 Schematic diagram of shield tunnel load application

3 施工工法影响分析

既有结构的受力和地表沉降是衡量近接施工安全性的重要指标，且这两项指标受到新旧工程施工的空间位置分布、时间先后乃至施工工法选择等多种因素的共同影响[16]。因此下面将从地表沉降、管片变形及应力两个方面对施工方案进行优选。

3.1 中间暗挖隧道施工方案优选

该隧道施工段围岩等级为Ⅴ级，岩体较破碎，且暗挖隧道为大断面隧道，为了保证暗挖隧道的稳定，拟选取4种不同的开挖工法，其开挖顺序如图6所示。

图6 各开挖方案的施工工序Fig.6 Construction process of excavation scheme

3.2 地表沉降分析

隧道开挖必然会引起围岩土体应力重分布，并且伴随着土体变形和破坏[17]。由图7(a)可以看出，自掌子面开始，围岩变形基本经历缓慢变形、加速变形和变形稳定3个阶段。

图7 不同施工方法下地表沉降图Fig.7 Surface settlement chart under different construction methods

由图7(b)可以看出，4种开挖工法引起的地表沉降趋势基本一致，在距离中间暗挖隧道中心线20～50 m范围内差异极小，在距暗挖隧道中心线0～20 m范围内沉降量逐渐增大，直到暗挖隧道中心线处达到沉降最大值，其中，双侧壁导坑法引起的地表沉降量最小，为15.51 mm，而核心土法和CD法引起的地表沉降量基本一致，分别为25.55 mm和24.50 mm，较之于双侧壁导坑法大61%左右。同时，CRD法由于加设临时横撑，其地表沉降量比CD法小32.5%。

3.3 管片变形与应力对比分析

暗挖隧道开挖对已建盾构隧道产生的影响，主要是由于暗挖隧道施工开挖的过程中对已建盾构隧道造成了侧向的卸荷[6]。对管片变形的研究主要考虑左、右线隧道在中间暗挖隧道开挖后的附加收敛值，分为竖向收敛值，即拱顶与拱腰的绝对变形值之和，以及横向扩张值，即左右拱腰的绝对变形值之和。

3.3.1 管片变形对比分析

如图8所示，为了便于分析中间暗挖隧道对两侧盾构隧道管片的影响，分别选取左、右盾构隧道管片上具有代表意义的四个监测点进行分析，左、右线盾构隧道管片的顶端、底端、左端以及右端分别命名为LS1～LS4和RS1～RS4。

图8 左、右盾构隧道管片监测点Fig.8 Left and right shield tunnel segment monitoring points

随着中间暗挖隧道的开挖完成，围岩土体应力释放，左、右盾构隧道水平方向会出现扩张，竖直方向会出现收敛。通过分析可知，在暗挖隧道采取四种不同的开挖工法下，左、右盾构管片的变形基本一致，均呈“横鸭蛋”的收敛变形趋势，如图9所示。由图9可以看出，左线盾构隧道管片左侧的水平变形值大于其右侧水平变形值，右线盾构隧道管片右侧的水平变形值大于其左侧水平变形值，这说明注浆加固区对于盾构隧道管片变形的控制是有效的，一方面可以控制暗挖隧道本身由于开挖而引起的收敛变形，另一方面是减少暗挖隧道完成后对先完成的左、右线盾构隧道的附加变形，因此，对于小净距隧道来说，注浆加固是非常必要的。

图9 不同暗挖工法完成后盾构隧道管片变形示意图Fig.9 Deformation diagram of backing tunnel segment is completed by different underground excavation methods

为了对比4种不同开挖工法对左、右盾构隧道管片的收敛值和扩张值的差异，对先行左线隧道管片竖向收敛值(-LS1+LS2)、横向扩张值(-LS3+LS4)，后行右线隧道管片竖向收敛值(-RS1+RS2)、横向扩张值(-RS3+RS4)进行计算分析，并绘制不同开挖工法下左、右盾构隧道的变形值曲线，如图10所示。由图10可以比较直观地看出，双侧壁导坑工法下左、右盾构隧道的管片变形值明显优于其他三种工法。对于竖向收敛来说，四种工法下左、右线盾构隧道管片竖向收敛值的大小比较与上文地表沉降规律基本吻合，对于横向扩张来说，CD法和核心土法两者对于隧道管片变形的影响大致相当，差距控制在0.2～0.3 mm。

图10 不同工法下左、右盾构管片变形值Fig.10 Deformation values of left and right shield segments under different construction methods

3.3.2 管片应力分析

绘制左、右线隧道管片(以第1环为例)的应力曲线图，如图11所示。从图11可以看出，管片的最大压力出现在隧道左右两端附近，相应最小压力出现在隧道顶部，而隧道下部应力稍大于上部的原因是盾构隧道下部紧邻中风化石灰岩，其强度较高，围岩稳定性较好，对管片的变形有一部分抑制作用，使管片被迫受压。就其应力值的对比来看，不同开挖工法对左线隧道右侧和右线隧道左侧影响较为明显，而对于左线隧道左侧和右线隧道右侧几乎没有差异。对比图11(a)中左线管片应力值(90°左右)和图11(b)中右线管片应力值(270°左右)发现，双侧壁导坑法和CRD法对其应力值的影响差异极小，均优于CD法和核心土法。

应力值为“+”表示拉应力，为“-”表示压应力图11 左、右线管片应力曲线图Fig.11 Stress curve of left and right line segment

4 现场监测分析

该暗挖隧道实际施工结束后，针对地表沉降以及对左、右盾构隧道管片的影响，结合现场实测数据以及数值模拟结果得出的规律，对盾构与浅埋暗挖小净距并行隧道进行了施工优化。现场地表沉降量监测点布置和现场监测得到的地表沉降曲线分别见图12和图13。

图12 地表沉降监测点位置Fig.12 Location of surface settlement monitoring point

图13 地表沉降模拟值与实测值对比曲线Fig.13 Comparison curve between simulated and measured surface settlement values

经过对比可知，现场监测数据与数值模拟结果趋于一致，在暗挖隧道中心线处形成最大沉降量，最大沉降量均在23～25 mm。由于距离暗挖隧道中心线20～50 m处地表沉降较小，因此并未进行实际监测，而前文数值模拟的结果也证实了这一点。

由于中间暗挖隧道开挖造成盾构隧道侧向卸荷，从而导致盾构隧道管片竖直方向产生收敛，水平方向产生扩容，仅对左线隧道竖向收敛和横向扩容监测数据加以分析。

现场施工中，沿左线盾构隧道掘进方向，在每环管片拱顶、拱底以及左、右拱腰上布置监测点。现将测得的拱顶和拱底竖向位移绝对值相加得到竖向收敛值；将测得的左、右拱腰水平位移绝对值相加得到横向扩张值，变形值变化曲线见图14。由图14可以看出，管片变形模拟值与实测值趋于一致，无论是横向扩张值还是竖向收敛值，在盾构隧道的整个掘进过程中其变形值基本维持在 10 mm 左右，盾构始发端对管片的变形值影响较大，原因可能是盾构机初加掘进压力，对原本稳定的围岩土体产生扰动，围岩应力释放较快，造成初始端管片变形值较大。而盾构隧道末端由于围岩应力还未完全释放，管片还未完全变形，造成其管片变形稍小。

图14 左线管片变形模拟值与实测值对比曲线Fig.14 Comparison curve between simulated value and measured value of left linear segment deformation

5 计算结果分析

(1)分析地表沉降值可知，暗挖隧道采取双侧壁导坑法变形控制最好，其地表沉降仅为 15.51 mm，CRD法为18.48 mm，与其相差3 mm左右，而CD法和核心土法分别为24.50 mm和 25.55 mm。同样地，从盾构隧道管片最终拱顶累积沉降量来看，CRD法和双侧壁导坑法相差不大，分别为10.96 mm和11.04 mm，小于核心土法(11.70 mm)和CD法(11.63 mm)。

(2)双侧壁导坑法、CRD法、CD法和核心土法4种不同暗挖隧道施工工法所引起的盾构隧道管片横向扩张值是有差异的。对于左线盾构隧道管片来说，其值分别为10.94、11.26、11.54、11.77 mm，对于右线盾构隧道管片来说，分别为11.01、11.36、11.58、11.70 mm。从左、右两线隧道来看，其优越性从大到小依次为双侧壁导坑法>CRD法>CD法>核心土法。由于CRD法施工时，每开挖步施工完毕后开挖面能够封闭成环，因此，CRD法的横向扩张值较CD法小。

(3)通过对盾构隧道管片和围岩最大主应力的分析研究表明：拱腰位置处的应力均大于拱顶和拱脚处，4种施工工法中，暗挖隧道采用双侧壁导坑法和CRD法差异较小，趋于一致，且均优于CD法和核心土法。

6 结论

(1)双侧壁导坑法、CRD法、CD法、核心土法四种施工方法引起地表围沉降的过程基本一致，即均经历缓慢变形、加速变形和变形稳定三个阶段。但双侧壁导坑法和CRD法在控制地表沉降变形方面较其他两种方法具有明显优势。双侧壁导坑法引起的地表沉降量最小，为15.51 mm，而CRD法施工引起的地表变形为16.50 mm。

(2)4种施工工法中，从施工角度来看，CRD法相较于双侧壁导坑法，其施工速度更快，施工成本相对较低。重新建暗挖隧道对已建盾构隧道的影响来看，CRD法在盾构管片变形及应力、围岩最大主应力方面优于CD法，所以从位移及力学角度来看，CRD法具有较大优势。

(3)通过将现场监测数值与数值模拟值进行对比可知，二者数据基本吻合，误差不大，所反映出来的规律基本相同，说明通过数值模拟优选的施工方案具有很好的适用性。