重叠盾构隧道近距下穿给水管施工顺序优选研究

薛永健 朱旭辉 王社江 张亚勇 吴 锋 赵金辉

(1.苏州市轨道交通集团有限公司， 江苏苏州 215003； 2.西南交通大学土木工程学院， 成都 610031；3.中铁上海工程局集团有限公司， 上海 201101)

地铁作为地下空间开发利用缓解城市交通拥堵的重要交通措施，已由最初的独立单线连接成网状。现阶段，大多数城市新建地铁均会出现下穿既有结构的情况。例如：区间隧道下穿区间隧道[1]，区间隧道下穿地铁车站[2]，地铁车站下穿区间隧道[3]，地铁车站下穿地铁车站[4]。还有很多新建地铁车站或隧道下穿其他建(构)筑物的情况。盾构法是修建地铁区间隧道的一种常用工法，在修建过程中会遇到小净距[5]、小半径[6]等问题，并且还可能由于一些特殊周围环境的限制，出现重叠隧道的情况。何川等依托广州地铁三号线大塘—沥滘区间盾构隧道，采用室内试验与数值模拟的方法，研究了竖向重叠隧道下方后建隧道对先行隧道的影响[7]。王明年等研究了重叠隧道分区标准，采用库伦-摩尔准则对重叠隧道进行了横向近接分区，并根据位移变化速率以及横向分区研究成果对重叠隧道进行了纵向近接分区[8]。文献[9-12]分别依托实际工程，介绍了重叠隧道的施工关键技术。

盾构重叠隧道存在对周围环境多次扰动的问题，先行不同位置的隧道对周边环境的影响也有不同。林刚的研究表明，当没有地表建筑物时应选择“先上后下”的施工顺序，当有地表建筑物时应选择“先下后上”的施工顺序[13]。更多的学者研究表明[14-16]，施工顺序“先下后上”优于“先上后下”。也有研究指出[17]，地铁重叠隧道应采用先上洞后下洞的施工顺序，但现场采用的施工顺序和相关的研究成果却相反。

目前，盾构重叠隧道的施工顺序研究主要是聚焦在周围环境单一或地面仅有建筑的情况，有关盾构重叠隧道下穿既有建(构)筑物施工顺序的研究较少。本文基于苏州地铁3号线现代大道站—娄江大道站区间盾构重叠隧道下穿给水管段，研究“先上后下”与“先下后上”不同施工顺序下先行隧道、后行隧道、地表沉降与既有给水管变形情况，通过优化施工顺序，结合现场监测结果，分析盾构重叠隧道下穿既有给水管变形规律，为类似工程提供技术支撑。

1 工程背景

1.1 工程简介

现代大道站—娄江大道站区间(现—娄区间)左线里程DK31+743.114～DK32+683.167，长944.626 m；右线里程DK31+743.115～DK32+683.167，长940.052 m。区间隧道重叠范围在里程右DK31+945.480～DK32+319.616、左DK31+943.583～DK32+317.549。其中，右线在DK32+226.488下穿DN1 200有压给水管道(400～404环)，与给水管的最小距离为9 m。左线在DK32+225.622下穿直径1 200 m有压给水管(401～405环)，与给水管的最小距离为0.544 m，见图1。

图1 区间隧道与给水管道位置关系Fig.1 Position between interval tunnel and water supply pipe

1.2 工程地质条件

地勘资料表明：本工程位于长江三角洲冲-湖积平原地貌，场地总体较为平坦，局部地段稍有起伏。本工程盾构掘进深度范围主要以稍密～中密为主的粉土夹粉砂地层、软塑状的粉质黏土层，地质信息见表1。

表1 地层信息Table 1 Soil properties

1.3 施工参数

左右线隧道采用盾构法施工，管片采用C50混凝土，外径为6 200 mm，厚度为350 mm，盾构机刀盘半径为6 400 mm，注浆范围见图2。

图2 注浆范围 mmFig.2 Grouting

2 数值分析模型

结合图1、2中盾构隧道与给水管位置关系、表1的土质信息，建立三维数值分析模型。其中，土体长为12 m(掘进10环)，宽为100 m，深度为60 m。该模型共有21步，第1步为土体建立地应力，第2～11步为一个盾构隧道掘进直至贯通，第12～21步为另一个盾构隧道掘进直至贯通。网格划分情况见图3。工况1施工顺序为先下后上，工况2施工顺序为先上后下。

图3 网格划分Fig.3 Meshing

3 结果分析与方案优选

左右线先后施工会对给水管与地表产生两次扰动，不同的施工顺序(先上后下、先下后上)对给水管和地表的影响不同。为了探究不同施工顺序下新建结构-既有结构-地表的力学性能，采用数值方法分析先上后下、先下后上两种施工顺序时的地表沉降，给水管内力与变形，隧道衬砌管片内力、收敛与拱顶沉降情况。

3.1 地表沉降

两种工况下的地表沉降情况见图4、表2。可知：重叠隧道的施工均会对地表产生二次扰动，但不同施工顺序对地表的扰动效果不一。由表2中的数据可知：工况1(先下后上)地表沉降最大值为12.63 mm，工况2(先上后下)地表沉降最大值为14.31 mm；工况1中仅开挖下部隧道引起的地表沉降最大值为2.16 mm，工况2中仅开挖上部隧道引起的地表沉降最大值为11.64 mm。可见，工况1优于工况2。

图4 地表沉降计算结果Fig.4 Earth’s settlement calculation results

表2 两种工况沉降最大值Table 2 Stresses in the water supply pipe mm

3.2 给水管力学性能

两种工况下的给水管竖向变形情况见图5、表2。可知，两种工况对给水管的竖向变形规律与对地表扰动规律类似。重叠隧道的施工，均会对给水管产生二次扰动，但不同施工顺序引起给水管的竖向变形也不同；工况1(先下后上)引起给水管竖向变形最大值为13.77 mm，工况2(先上后下)引起给水管竖向变形最大值为15.67 mm。对以上数据进一步分析可知，仅开挖下部隧道引起的给水管竖向变形最大值为2.44 mm，仅开挖上部隧道引起的给水管竖向变形最大值为12.67 mm，可见距离给水管更近的隧道施工对其扰动更大，即工况1优于工况2。

图5 给水管变形计算结果Fig.5 Water supply pipe deformation calculation results

两种工况下的给水管内力情况见表3。可知：

表3 给水管内力状态Table 3 Stress in water supply pipe MPa

1)工况1下部隧道施工完成后给水管最大内力为4.36 MPa，仅比初始状态增加了0.02 MPa，当上部隧道施工完成后给水管仅比初始状态最大内力为5.75 MPa，比下部隧道完成时增加了1.39 MPa。

2)工况2上部隧道施工完成后给水管最大内力为5.16 MPa，比初始状态增加了0.82 MPa。当下部隧道完成后给水管最大内力为5.86 MPa，比上部隧道完成时增加了0.7 MPa。

通过以上两种工况下给水管最大内力情况对比可知，工况1略优于工况2。

3.3 后行对先行隧道结构力学性能的影响

数值模型中两个隧道均掘进了10环，为消除边界影响，仅分析中间位置的盾构管片收敛与拱顶沉降情况。工况1下的管片收敛与拱顶沉降如图6所示。

a—管片水平位移； b—拱顶沉降位移。图6 工况1下两盾构先后通过时的位移情况 mFig.6 Shield lining deformation in condition 1

当工况1下部隧道完成时，下部管片的水平收敛为24.53 mm。上部隧道掘进完成时，上部管片水平收敛为18.06 mm，下部管片的水平收敛为25.45 mm。上部隧道掘进引起的下部隧道管片水平收敛附加影响为0.92 mm，仅为原水平收敛的3.75%。

当工况1下部隧道完成时，下部管片的拱顶沉降为26.33 mm。上部隧道掘进完成时，上部管片拱顶沉降为19.24 mm，下部管片的拱顶沉降为27.30 mm。上部隧道掘进引起的下部隧道管片拱顶沉降附加影响为0.97 mm，仅为原拱顶沉降的3.68%。

工况2下的管片收敛与拱顶沉降如图7所示。可见：

a—管片水平位移； b—拱顶沉降位移。图7 工况2下两盾构先后通过时的位移情况 mFig.7 Shield lining deformation in condition 2

1)当工况2上部隧道完成时，上部管片的水平收敛为18.43 mm。下部隧道掘进完成时，上部管片水平收敛为19.23 mm，下部管片的水平收敛为24.08 mm，下部隧道掘进引起的上部隧道管片水平收敛附加影响为0.80 mm，仅为原收敛的4.34%。

2)当工况2上部隧道完成时，上部管片的拱顶沉降为19.64 mm。下部隧道掘进完成时，上部管片拱顶沉降为20.44 mm，下部管片的拱顶沉降为25.80 mm，上部隧道掘进引起的下部隧道管片拱顶沉降附加影响为0.80 mm，仅为原拱顶沉降的4.07%。

通过两者比较可知，两种工况中后行隧道均会对先行隧道产生附加影响，但是该影响均较小，可以忽略。两种工况下上下隧道的最终变形如表4所示。可见，上部隧道的变形均小于下部隧道。仅从变形的数值上看，工况1的下部隧道拱顶沉降数值最大，为27.30 mm。从最大值控制角度来看，工况2优于工况1。

表4 隧道管片最终变形Table 4 Shield lining final deformation mm

两种工况的管片内力情况见表5。可知，工况1后行隧道施工使得先行隧道衬砌结构产生了0.44 MPa的附加内力。工况2后行隧道施工使得先行隧道衬砌结构产生了0.61 MPa的附加内力。两种工况下的附加内力均不足原始应力的5%，影响较小。从内力极值上看，工况2略优于工况1。

表5 隧道管片内力Table 5 Stresses of shield lining MPa

3.4 方案优选

两种工况的地表沉降最大值、给水管竖向变形与内力最大值、两个隧道的变形与内力情况见表6。可知：从地表沉降、给水管内力与竖向变形、上部隧道管片内力与变形的角度，工况1均优于工况2；从下部隧道管片内力与变形的角度，工况2优于工况1。重叠隧道下穿既有结构施工中，更关键的是控制既有结构的变形，使其不影响既有结构正常使用。综合考虑，建议选用工况1，即选择先下后上的施工顺序。

表6 两种施工顺序比较Table 6 Comparisons of above two construction sequences

4 实施效果

工况1施工时，以盾构轴线L线为中线，沿给水管方向在管线上表面间隔15 m左右两侧各布设3个共计6个沉降监测点(GX25、GX26、GX27、GX28、GX29、GX30)。给水管现场监测点布置以及监测结果见图8。可知，当上部盾构隧道通过后，给水管竖向变形最大值为12.00 mm，与数值计算分析结果(13.77 mm)相差不大，且小于给水管的竖向变形控制标准值(18 mm)，证明两个隧道施工对给水管产生了影响，但满足给水管的竖向变形要求，不影响给水管正常使用。

图8 给水管现场监测结果Fig.8 Site monitoring results of the water supply pipe

沿掘进方向每30 m设1个横向监测断面，每个断面于各轴线交点布置1个监测点并向外侧间隔3.6 m各布置3个监测点。地表现场监测点布置见图9，监测结果见图10。可知：当上部盾构隧道通过后，地面沉降最大值为11.35 mm；当下部盾构隧道通过后，地面沉降最大值为2.32 mm，该值与数值计算分析结果(2.67 mm)相差不大，证明两个隧道施工对地面土体产生扰动，且随着与上部盾构隧道距离渐远，扰动效果减弱，最大沉降不超过限值18 mm。

注：上侧数据表示各点位距离上通道中线距离，下侧数据表示各点位距离下通道中线距离。图9 地表监测点布置Fig.9 Layout of surface monitoring points

图10 地表现场监测结果Fig.10 Site monitoring results of the ground

5 结束语

依托盾构重叠隧道下穿给水管实际工程，采用数值方法分析不同施工顺序(先下后上、先上后下)对地表沉降、给水管内力与竖向变形、两个隧道内力与变形的影响，并给出施工顺序建议。现场监测结果表明了施工方案的可行性，并得到以下结论：

1)盾构重叠隧道两种施工顺序下两个隧道的施工均会对地表沉降与给水管变形产生二次扰动，且不利影响会叠加。

2)重叠隧道中下部隧道施工对地表沉降与给水管竖向变形的影响小于上部隧道施工产生的影响，两种施工顺序下后行隧道均会对先行隧道产生附加影响，但是该影响均较小，可以忽略。

3)综合考虑地表沉降、给水管内力与竖向变形、两个隧道管片内力与变形的结果，建议选择先下后上的施工顺序。

4)实际工程中采用了先下后上的施工顺序，现场监测结果表明，该施工顺序下给水管最大竖向变形为12.00 mm，满足正常使用的18.00 mm变形要求。