王渭明，王沖，曹正龍，孫捷城

(山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島 266590)

極小凈距交疊隧道二襯支護控制研究

王渭明，王沖，曹正龍，孫捷城

(山東科技大學山東省土木工程防災減災重點實驗室，山東青島 266590)

青島地鐵2號線棗李區(qū)間隧道下穿3號線泉李區(qū)間隧道，交疊段隧道圍巖以強風化花崗巖為主，巖體破碎。為保證地鐵正常鋪軌及長期安全運營，開展了二襯支護控制研究。通過理論分析確定出二襯最佳支護時段，并提出三種二襯支護方案，利用數(shù)值模型分析各方案對交疊段圍巖拱頂沉降、二襯結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力、塑性區(qū)形態(tài)特征的影響。最終提出交疊隧道二襯支護的最優(yōu)方案為:在交疊區(qū)影響范圍外，3號線在隧道初支變形趨于穩(wěn)定后施作二襯;在交疊區(qū)段，2號線開挖完成且3號線二次變形穩(wěn)定后對其施作二襯。模擬結(jié)果驗證了理論分析的正確性，為交疊隧道二襯支護控制提供了技術(shù)指導。

交疊隧道 二次襯砌 支護控制 二次變形

周圍巖體破碎或?qū)Φ刭|(zhì)條件要求較高的隧道，初支很難保證圍巖的長期穩(wěn)定，需施作二襯加強隧道圍巖剛度以增強抵抗變形的能力，因此需進行二襯支護控制研究。二次襯砌施作時機是保證二襯長期穩(wěn)定的關(guān)鍵，它關(guān)系到二襯承載力的發(fā)揮、襯砌結(jié)構(gòu)是否開裂和滲漏水。

路軍富等［1］以賀家莊隧道作為工程背景，采用監(jiān)測數(shù)據(jù)回歸分析和數(shù)值分析的方法對大斷面黃土隧道二襯支護時機進行了研究，得到合理的二襯支護時機;劉志春等［2］以烏鞘嶺隧道為工程實例，經(jīng)變形實測和理論計算得出以隧道極限位移為基礎(chǔ)、以監(jiān)測日變形量與總變形量為依據(jù)的兩個二襯施作時機的判別指標;方建勤等［3］以茶林頂隧道為背景，通過數(shù)值方法模擬了不同開挖深度下隧道二襯的合理支護時機，并提出了修正后的二襯支護時機判定方法;王中文等［4］考慮了圍巖蠕變特性，結(jié)合實測數(shù)據(jù)確定了圍巖的流變參數(shù)，最終得出初襯厚度、開挖跨度不同時的二襯合理支護時機。上述研究大多對于單條隧道，圍巖受開挖、支護擾動次數(shù)較少，其受力狀態(tài)與多條近距離在建隧道圍巖不同。對于圍巖地質(zhì)條件差，上下隧道開挖時間間隔短，對支護結(jié)構(gòu)有較高強度要求的極小凈距交疊隧道的上部隧道二襯支護控制的研究尚無先例。因此，本文以青島地鐵棗李區(qū)間交疊段為研究對象，對上部隧道二襯支護時間的先后進行研究，確定二次襯砌合理的支護時間順序。

1 工程概況

本工程為青島地鐵棗李區(qū)間隧道，交疊隧道位于青島市李滄區(qū)棗山路站—李村站區(qū)間，地鐵2號線棗李區(qū)間在左線ZSK47+641—ZSK47+681段、右線YSK47+667—YSK47+714段下穿地鐵3號線泉李區(qū)間，兩條線二襯最近處相距773～857 mm，初支間凈距200～280 mm。該處圍巖以強、中風化巖層為主，巖體較破碎。

1)支護設(shè)計

棗李區(qū)間隧道采用礦山法施工，復合式襯砌結(jié)構(gòu)，單洞單線馬蹄形斷面，全包防水。3號線隧道交疊段為Ⅴ級圍巖，2號線隧道交疊段為Ⅳ級圍巖，交疊隧道結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)特征及隧道斷面情況確定該段圍巖采用臺階法施工。初期支護以C25噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)為主要支護手段，錨桿采用全長黏結(jié)型砂漿錨桿，破碎帶段中加設(shè)小導管為輔助施工措施;二次襯砌采用C45防水鋼筋混凝土，整體式模板臺車澆筑。支護參數(shù)見表1。

圖1 交疊隧道結(jié)構(gòu)斷面示意

表1 支護參數(shù)

2)交疊段處理措施

棗李區(qū)間交疊段結(jié)構(gòu)復雜，距離較近，施工影響大，為確保安全通過，主要采取如下措施:①該段地質(zhì)為強、中風化巖層，施工時提前打設(shè)超前管棚，嚴格按照設(shè)計施工。為保證精度，鉆孔時進行偏斜度測量，嚴格控制管棚打設(shè)方向，并用M7.5水泥砂漿充填鋼管，以增強管棚強度。②3號線與2號線交疊隧道的設(shè)計開挖線不足30 cm，管棚施工完成后，該處巖層已基本處于全松動狀態(tài)。該處爆破采取弱爆破，控制藥量的同時，適當將拱部炮眼位置下調(diào)，以減少對拱部的擾動。③對3號線加強監(jiān)測量控，做好爆破、沉降及收斂的監(jiān)測，遇異常情況及時采取措施;④施工完成后，檢查3號線的初支結(jié)構(gòu)，對存在問題的部位采取補強措施，嚴重的進行返工處理。

2 交疊隧道二襯支護控制理論

最佳的二襯支護時機是最大限度地利用隧道圍巖的自承載能力，使二襯在隧道允許變形范圍內(nèi)所承受的圍巖荷載達到最小，從而保證支護結(jié)構(gòu)達到最佳應(yīng)用效果。

2.1 圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用機理

何滿潮等［5］定義了煤礦軟巖巷道最佳支護時間，即圍巖以變形形式轉(zhuǎn)化成的工程力與圍巖的自承力之和最大的支護時間。由此得到交疊隧道最佳支護時間的確定方法。由于隧道開挖后約束效應(yīng)的解除，圍巖受到向臨空區(qū)運動的各種作用力，各種作用力的等效合力為PT，如圖2所示。

圖2 等效合力PT示意

隧道支護理論可表示為

式中:PDR為圍巖提供的等效作用力;PS為支護結(jié)構(gòu)提供的支護抗力;PD為圍巖以變形形式轉(zhuǎn)化成的工程力;PR為圍巖的自承力;PS1為初支抗力;PS2為二襯支護抗力。

若PD＞PT－PR，說明圍巖自承力足夠大，隧道可自穩(wěn);若PD＜PT－PR，則隧道必須進行支護才能穩(wěn)定。

2.2 交疊隧道二襯支護控制研究

圖3 交疊隧道不同支護時間的效果

對于小凈距交疊隧道，上行隧道不同支護時間效果如圖3所示。由圍巖變形特性可知，PD隨著圍巖變形逐漸增大，PR隨著圍巖變形逐漸減小，當圍巖變形達到一個定值時，PR與PD之和最大，此時為隧道最佳支護時機。而上行隧道由于受下穿隧道開挖的影響(假設(shè)下穿隧道瞬間開挖)，已開挖完成的上行隧道支護結(jié)構(gòu)承受的荷載PS會出現(xiàn)驟增現(xiàn)象。原因為下穿隧道開挖導致開挖區(qū)應(yīng)力解除，上行隧道支護結(jié)構(gòu)受到較大擾動，變形有進一步發(fā)展的趨勢。下穿隧道開挖時間不同對上行隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力有重要影響，表現(xiàn)在:①當下穿隧道開挖過早(圖3(a))，圍巖自穩(wěn)力PDR未達到最大，加上下穿隧道開挖影響，支護結(jié)構(gòu)需提供較大抗力才能維持隧道穩(wěn)定，不利于隧道長期穩(wěn)定;②當上行隧道支護結(jié)構(gòu)受力最小時(圖3(b))，開挖下穿隧道對二襯支護最為有益;③當下穿隧道開挖過晚時(圖3(c))，不僅支護抗力增大，圍巖變形也相對較大，在下穿隧道開挖影響下，很可能導致隧道結(jié)構(gòu)變形超限，需返修。支護時機1和時機2相比支護抗力可能相對較小，但在時機1支護上行隧道會受到下穿隧道開挖影響而使支護抗力增大，因此時機2為二襯最佳支護時機，時機2前后適當時段為最佳支護時段。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型的建立

地鐵隧道3號線在上層，2號線在下部，兩條隧道呈52°斜交，最小豎向凈距為0.2 m。模型的計算區(qū)域定為:長110 m(沿著2號線方向)，寬65 m，高55 m，3號線隧道埋深為17.2 m，2號線隧道埋深為24 m。所建立模型大小為65 m×110 m×55 m，如圖4所示。各土層及襯砌參數(shù)見表2。

圖4 計算模型示意

表2 地層及襯砌物理力學參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

棗李區(qū)間3號線兩隧道開挖完成后，開始進行2號線隧道的施工?；谏衔膶χёo時機的理論分析，給出3個二襯施作方案。

方案1:3號線隧道開挖圍巖變形穩(wěn)定后對其施作二襯，隨后進行2號線隧道開挖;

方案2:3號線隧道開挖后暫停施作二襯，待2號線隧道開挖后對3號線隧道施作二襯;

方案3:3號線隧道開挖后暫停施作二襯，待2號線隧道開挖并施作二襯后對3號線隧道施作二襯。

通過分析不同方案下的隧道拱頂沉降變形、二襯結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力場、圍巖塑性區(qū)來確定最佳二襯施作方案。

3.2.1 拱頂沉降分析

三種不同方案下交疊中心處3號線和2號線隧道拱頂沉降曲線如圖5所示。

由圖5(a)可知，采用方案1施作二襯，3號線隧道有兩次明顯沉降變形。一次沉降變形由3號線隧道開挖支護圍巖應(yīng)力重分布引起，變形量為－7.62 mm，二次沉降變形由2號線隧道開挖通過交疊區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力再分布引起，變形量為－3.64 mm。3號線隧道拱頂最終沉降量累計值為－11.26 mm。2號線隧道拱頂最終沉降量累計值明顯小于3號線隧道。這是因為3號線隧道的開挖導致上部應(yīng)力部分解除，此外2號線隧道圍巖部分處在較為堅硬的微風化花崗巖中，圍巖條件好。其最終沉降量累計值為－5.02 mm。

圖5 不同方案隧道拱頂沉降曲線

由圖5(b)可知，采用方案2施作二襯，3號線隧道有兩次明顯沉降變形。由于3號線隧道二襯施作在2號線隧道開挖之后，2號線隧道開挖對3號線隧道拱頂沉降的影響增加，其影響的變形量為－4.76 mm。3號線隧道拱頂最終沉降量累計值為－12.29 mm。2號線隧道交疊中心在距掌子面－12 m以前，拱頂沉降量為正值，在0.6 mm左右。這是由于3號線隧道開挖導致2號線隧道拱頂略微隆起。受3號線隧道二襯支護時段的影響，2號線隧道拱頂最終沉降量累計值較方案1有所增大，為－5.47 mm。

由圖5(c)可知，采用方案3施作二襯，2號線隧道開挖對3號線隧道拱頂沉降影響進一步增大，影響的變形量為－6.93 mm。原因是3號線隧道二襯施作是在2號線隧道二襯施作完成后進行，3號線隧道二襯施作已過最佳支護時段。3號線隧道拱頂最終沉降量累計值為－14.36 mm。2號線隧道拱頂沉降曲線和方案2基本相似，受3號線隧道二襯支護過晚的影響，2號線隧道拱頂最終沉降量累計值為－5.94 mm。

從2號線隧道對3號線隧道的二次沉降影響值和隧道拱頂最終沉降量累計值來看，在2號線隧道開挖前對3號線隧道施作二襯控制沉降的效果最優(yōu)。方案1二次沉降變形為－3.64 mm，小于方案2(－4.76 mm)和方案3(－6.93 mm)，相比于方案3減小了47.47% 。采用方案1的方法施作二襯，3號線隧道的拱頂最終沉降量累計值為－11.26 mm，小于方案2(－12.29 mm)和方案3(14.36 mm)。因此，從拱頂沉降量考慮，三種方案的可行性排序為:方案1＞方案2＞方案3。

3.2.2 隧道二襯結(jié)構(gòu)分析

1)二襯豎向位移分析

圖6給出了三種不同方案下3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖。可以看出三種方案豎向位移都關(guān)于二襯中線對稱。由圖6(a)可知，3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象，最大沉降量出現(xiàn)在拱頂，為－4.51 mm。原因是3號線隧道二襯施作在2號線隧道開挖前，2號線隧道的開挖對3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動。由圖6(b)可知，3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)沉降量相較方案1明顯減小，最大值出現(xiàn)在二襯結(jié)構(gòu)拱頂?shù)纳喜?，為?.13 mm，拱底的變形幾乎為0，原因是3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)施作滯后于2號線開挖，2號線開挖對其影響小。由圖6(c)可知，3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)豎向變形相對方案2略有發(fā)展，拱頂沉降－2.03 mm，在拱底出現(xiàn)底臌現(xiàn)象，底臌量為1.6 mm。

圖6 不同方案下3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位:m)

2)二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

由于隧道襯砌在拱頂、拱腰、拱腳和拱底處容易發(fā)生應(yīng)力集中而破壞，需對這些危險部位的最大及最小主應(yīng)力進行分析。各點應(yīng)力大小如表3所示?？梢钥闯鋈N方案下3號線隧道四個部位的最大及最小主應(yīng)力都為拉應(yīng)力。由于2號線隧道的開挖導致3號線底部應(yīng)力解除，在拱頂及拱腰處最大及最小主應(yīng)力明顯大于其他部位。方案1與方案3最大及最小主應(yīng)力集中在拱頂，而方案2主要集中在拱頂及拱腰處。受二襯施作時間順序的影響，方案2的最大及最小主應(yīng)力明顯小于其他兩個方案。因此從最大及最小主應(yīng)力考慮三種方案，方案的可行性排序為:方案2＞方案3＞方案1。這與二襯結(jié)構(gòu)沉降分析得到的結(jié)果相同。

表3 不同方案二襯危險部位主應(yīng)力MPa

3.2.3 塑性區(qū)分析

4條隧道兩兩交疊，在交疊區(qū)域形成中心土體應(yīng)力集中區(qū)，由于在交疊部位無法直觀地反映出3號線隧道圍巖的塑性區(qū)分布，因此對中心土體應(yīng)力集中區(qū)分析3號線隧道的塑性區(qū)。三種方案下3號線隧道塑性區(qū)分布見圖7。由圖7(a)可知，圍巖塑性區(qū)主要集中在拱頂及拱肩處，在左隧道右拱肩及右隧道左拱肩處塑性區(qū)厚度明顯大于其他部位，且在隧道拱頂、拱肩及拱腳處出現(xiàn)了明顯的松動破壞區(qū)，對于地鐵隧道長期安全運營極為不利。由圖7(b)可知，方案2塑性區(qū)范圍明顯小于方案1，主要集中在拱頂及拱腰部位。由于方案2是在2號線隧道開挖完成后對3號線隧道進行二襯施作，可得出二襯可以增加圍巖強度，使開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)域變回彈性狀態(tài);由圖7(c)可知，方案3塑性區(qū)厚度較方案2有所發(fā)展，與方案2相比可得出隧道二襯支護時間過晚，降低了隧道圍巖強度，增加了圍巖的塑性流動區(qū)域，不利于隧道圍巖的穩(wěn)定。因此從塑性區(qū)發(fā)展水平考慮，三種方案的可行性排序為:方案2＞方案3＞方案1。

圖7 不同二襯支護時間下塑性區(qū)分布

綜上所述，方案1能較好地控制隧道圍巖拱頂沉降，且施工工期相對于其他兩方案較短。但在2號線隧道開挖使3號線隧道圍巖受到二次擾動后，不能較好地限制3號線隧道二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形及圍巖塑性區(qū)的發(fā)展。方案2由于3號線隧道二襯在2號線隧道開挖通過后施作，拱頂沉降量較方案1略有增大，但對二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形及圍巖塑性區(qū)的控制優(yōu)于方案1。方案3由于3號線隧道二襯施作時間較方案2延遲，從拱頂沉降量、二襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形及圍巖塑性區(qū)上較方案2都有不同程度的發(fā)展?？紤]隧道鋪設(shè)鐵軌及地鐵長期安全穩(wěn)定運營對二襯結(jié)構(gòu)有嚴格要求，因此在沉降量未超過報警值時，方案2為最優(yōu)方案。

4 結(jié)論

1)本文優(yōu)化了隧道二襯支護時機的判定理論，根據(jù)不同支護時間效果分析得到:在交疊段，上行隧道二襯施作應(yīng)滯后于下穿隧道開挖。以青島棗李區(qū)間交疊隧道為基礎(chǔ)，經(jīng)數(shù)值模擬驗證了理論分析的正確性。

2)根據(jù)理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，可將青島地鐵棗李區(qū)間交疊段二襯施作優(yōu)化方案定為:在交疊區(qū)影響范圍外，3號線在隧道開挖初支完成，變形基本穩(wěn)定后施作二襯;在交疊區(qū)段，2號線開挖完成且3號線二次變形基本穩(wěn)定后對其施作二襯。這樣既保證了交疊段3號線隧道圍巖的穩(wěn)定，又加快了施工進度，節(jié)約了工程成本。

3)3號線二襯在2號線開挖后施作，對3號線初支強度有較高要求，以便控制2號線開挖后3號線圍巖沉降、收斂、應(yīng)力及塑性區(qū)的發(fā)展，因此要加強交疊段的監(jiān)測量控，必要時要進行返修。

［1］路軍富，王明年，賈媛媛，等.高速鐵路大斷面黃土隧道二次襯砌施作時機研究［J］.巖土力學，2011，32(3):843－848.

［2］劉志春，李文江，朱永全，等.軟巖大變形隧道二次襯砌施作時機探討［J］.巖石力學與工程學報，2008，27(3):580－588.

［3］方建勤，夏才初，卞躍威，等.隧道埋深對二襯合理支護時機影響分析［J］.地下空間與工程學報，2011(2):263－268.

［4］王中文，方建勤，夏才初，等.考慮圍巖蠕變特性的隧道二襯合理支護時機確定方法［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(增1):3241－3246.

［5］何滿潮，景海河，孫曉明.軟巖工程力學［M］.北京:科學出版社，2002.

Research on control technology of secondary lining in overlapping tunnels with super-small spacing

WANG Weiming，WANG Chong，CAO Zhennong，SUN Jiechen
(College of Civil Engineering and Architecture，Shandong University of Science and Technology Qingdao，Qingdao Shandong 266590，China)

The tunnel between Zaoshan station and Licun station of Qingdao metro line 2 under－crosses Quanli interval tunnel of line 3 and surrounding rock of overlapping tunnel is mainly composed of strongly weathered granite，rock mass of which are broken.In order to ensure the normal track layout and long－term safe operation of subway，secondary lining support control was studied.The optimal supporting time of secondary lining was identified by theoretical analysis，three secondary lining support schemes were put forward，and the influence of each scheme on vault settlement of overlapping surrounding rock，structure deformation and stress of secondary lining and morphological characteristics of plastic zone was analyzed by numerical model.The optimal scheme of overlapping tunnel secondary lining support is as follows:the secondary lining of line 3 should be constructed after primary support deformation tends to be stable outside the area of the overlapping，and the secondary lining of line 3 should be constructed after line 2 excavation finishes and two－stage deformation of line 3 is basically stable in overlapping area.Simulation results demonstrated the validity of the theoretical analysis，which would provide a technical guidance for secondary lining support control of overlapping tunnel.

Overlapping tunnel;Secondary lining;Support control;T wo－stage deformation

U455.41

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.22

1003－1995(2015)10－0105－06

2015－01－10;

2015－03－22

國家自然科學基金項目(41472280);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20123718110007)

王渭明(1955—)，男，教授，博士。

(責任審編李付軍)