王振田

（中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 山東濟南 250000）

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷推進，人口擁擠、交通堵塞已成為各大城市亟待解決的主要問題。而城市地鐵因其高效、安全、快捷、環(huán)保等獨特優(yōu)勢成為各大城市解決上述問題的首要選擇［1-2］。

在我國的城市地鐵建設中，地鐵線路一般采用雙線平行的方式進行布設。由于城市地下空間有限，為解決線路總體規(guī)劃問題，近年來對于小凈距隧道的需求逐步呈現(xiàn)。重慶市北部新區(qū)金童路南段道路工程中火風山隧道左右線間距約為0.7D0［3］；深圳市地鐵一號線科（技園）白（石洲）區(qū)間雙線隧道間距約為0.5～1.2D0（D0為隧道開挖跨度）［4］；南京地鐵1號線小行站-安德門站區(qū)間菊花臺二號隧道和南延左線、南延右線隧道三洞并行，三洞間平均間距4 m，最小間距僅為1.69 m［5］；西安市軌道交通工程1號線棗園北路站-漢城路站區(qū)間為雙線不等大斷面隧道，雙洞間距4.247 m，僅為雙洞外徑的0.7倍和0.38倍［6］。

為同時滿足雙線正常行車和右線車輛調(diào)度需求，成都地鐵5號線九興大道站左線采用傳統(tǒng)小斷面盾構法施工，右線設置83 m的大斷面隧道，采用雙側壁導坑法施工，形成了左線盾構隧道與右線大斷面淺埋暗挖隧道并行的工況，左右線隧道最小凈距2.9 m，分別是盾構隧道外徑的0.48倍和暗挖隧道跨度的0.23倍，遠小于《地鐵設計規(guī)范》（GB 50157-2013）中的建議值。雙線在創(chuàng)業(yè)路下方近距離下穿既有地下行車通道結構，從而對新建隧道施工提出了更高要求。

目前小凈距隧道的研究方法有現(xiàn)場實測［7］、數(shù)值分析［8-9］等。鑒于依托工程中盾構與大斷面淺埋暗挖隧道并行下穿的施工特點，國內(nèi)尚無太多施工經(jīng)驗可尋。為確保施工過程安全，盡量減小對周圍環(huán)境的影響，本文通過對依托工程施工過程進行數(shù)值模擬，著重探討和分析雙洞施工引起的地表沉降特點以及中間土體應力變化等規(guī)律，并對現(xiàn)場監(jiān)測方案及施工措施進行了介紹，可為今后類似工程的設計和施工提供參考。

2 工程背景

2．1 工程概況

成都市軌道交通5號線為成都第七條地鐵線路，5號線九興大道站位于高朋大道和九興大道交叉路口處（見圖1），為地下兩層11.5 m島式站臺車站，車站沿九興大道東西向敷設，兩側分別連接神仙樹站與科園站。為同時滿足雙線正常行車和右線車輛調(diào)度需求，車站右線設置配線段，配線段總長339.5 m，為單列位單停車線，其中包含83 m的斷面隧道，采用暗挖法施工。

雙線隧道中，左線盾構隧道采用土壓平衡盾構掘進，開挖直徑約6.28 m，采用單層管片襯砌，襯砌內(nèi)外徑分別為6 m和5.4 m，每環(huán)襯砌寬1.5 m，由三塊標準塊、兩塊鄰接塊和一塊封頂塊組成，環(huán)間錯縫拼裝。

圖1 小凈距盾構與淺埋暗挖隧道平面布置

右線暗挖隧道開挖跨度為12.6 m，采用雙側壁導洞法施工。支護結構采用復合式襯砌，初期支護與二次襯砌厚度分別為0.35 m和0.6 m。初期支護采用鋼格柵+鋼筋網(wǎng)+C25噴射混凝土；二次襯砌采用模筑C25、P8混凝土澆筑。暗挖施工嚴格按照“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、勤量測、早封閉”的原則進行。具體施工流程見下圖2。（1）超前支護，拱部施作長18.5 mφ108大管棚，上半斷面施作3 m長φ42超前小導管，開挖1部，施作初期支護及臨時支護，施作自進式錨管和鎖腳錨管，拱背回填注水泥漿；（2）開挖2部，施作初期支護和臨時支護，施作自進式錨管和鎖腳錨管；（3）3部開挖，施作初期支護和臨時仰拱，拱背回填注水泥漿；（4）4部開挖，施作初期支護；（5）分段拆除支撐，施工防水層，模筑二襯。

圖2 大斷面隧道雙側壁導坑法施工示意

2．2 工程地質情況

根據(jù)鉆孔揭示，場地范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Qml4），其下土層主要包括黏質粉土、細砂、稍密-密實卵石、中砂以及強風化泥巖（見圖3）。其中，新建隧道主要穿越卵石地層（2-9），成分以巖漿巖、變質巖類巖石為主，形狀以亞圓形為主，少量圓形，磨圓度較好，分選性差，風化程度為中風化-微風化。卵石含量一般在60%～70%之間，卵石粒徑以2～15 cm為主，最大粒徑大于20 cm，充填物主要為細、中砂及圓礫，巖石單軸抗壓強度多在27.1～84.9 MPa之間，卵石為較軟巖-堅硬巖，曲率系數(shù)為0.5～60.1，不均勻系數(shù)為77.0～407.4，為級配不良卵石（見圖4）。

砂卵石地層為典型的力學不穩(wěn)定地層，其主要特征為巖體松散、孔隙率大、黏聚力幾乎為0，單個巖體強度高但整體強度較低，塊體之間由于骨架作用易形成臨界拱，砂卵石地層中開挖隧道易造成突然坍塌且失穩(wěn)機制較為復雜。僅在成都地鐵1號線人民路沿線施工中就曾發(fā)生多次因地面塌陷造成的房屋基礎懸空和行駛車輛掉入空洞等事故［10］。

圖3 依托工程地質橫斷面

圖4 依托工程砂卵石地層樣貌

3 數(shù)值計算模型與計算參數(shù)

3．1 數(shù)值計算模型的建立

同時考慮邊界條件和模型計算效率，建立的模型尺寸為長（y）×寬（x）×高（z）＝60 m×101.5 m×44.7 m，模型共包括142 280個單元，148 789個節(jié)點。模型如圖5所示。

3．2 本構模型和計算參數(shù)的選取

計算中采用摩爾-庫侖模型模擬圍巖材料，該模型為巖土工程通用本構模型［11］，被廣泛應用于松散或膠結的顆粒狀材料、土體、巖石以及混凝土材料的剪切破壞分析中，依托工程中的土層特點比較符合該模型的使用條件。

加強與重慶銀監(jiān)會溝通協(xié)調(diào)。加大對金融機構開展涉農(nóng)信貸業(yè)務的鼓勵措施，強化其農(nóng)業(yè)支持和扶貧攻堅責任和義務，同時適度降低其涉農(nóng)貸款存貸比、壞賬率等指標考核標準；鼓勵擔保公司業(yè)務下基層，將分支機構進一步延伸至區(qū)縣和中心鎮(zhèn)。

根據(jù)地勘報告，對土層進行適當簡化，計算中選取的各土層物理力學參數(shù)見表1。

圖5 模型網(wǎng)格圖

表1 土層物理力學參數(shù)

盾構管片、盾殼、盾尾注漿層以及暗挖隧道支護結構采用各項同行的彈性模型。其中，盾構管片彈性模量的選取考慮了0.8的剛度折減系數(shù)，暗挖隧道鋼拱架作用按照剛度等效的原則折算到初期支護及臨時支撐中。彈性材料計算參數(shù)見表2。

表2 各彈性材料物理力學參數(shù)

3．3 雙線隧道施工模擬方案

（1）淺埋暗挖隧道施工模擬

數(shù)值計算中對暗挖隧道施工過程進行適當簡化，模擬中每次開挖后控制圍巖應力釋放20%后施作初期支護，不同開挖步之間掌子面間距6 m?？紤]到實際施工中二次襯砌在圍巖變形穩(wěn)定后施作且遠遠滯后于初期支護施作時間，因此計算中不考慮二次襯砌的作用［12］。

（2）盾構隧道施工模擬

盾構施工模擬中考慮的因素包括掌子面支護力、盾尾注漿壓力、漿液硬化、拖車荷載等。具體流程為：①開挖前方1.5 m的土體單元，同時弱化開挖面前方1.5 m范圍內(nèi)的土體，并在掌子面上施加相應的支護壓力；②在盾殼所在范圍激活預設的盾殼shell單元；③按照前兩步的方法推進5環(huán)，盾殼完全進入土體后，開始在盾尾后方施加環(huán)向面力模擬盾尾注漿壓力；④盾構繼續(xù)向前推進后，再激活管片及注漿層單元，注漿層賦予硬化前材料參數(shù)，再推進6環(huán)后，將前6環(huán)管片之后的注漿體賦予硬化后材料參數(shù)；⑤按照上述過程依次循環(huán)至盾構開挖完成。

模擬中暗挖隧道共開挖26步，后文分析中以S1～S26表示；盾構隧道共開挖52步，后文分析中以D1～D52表示。

4 地表沉降分析

圖6所示為雙洞不同開挖次序下模型中間斷面處左右線施工分別造成的地表沉降曲線以及最終地表沉降曲線。比較圖中曲線可以看出，無論哪種施工次序，先行隧道的施工均會造成后行隧道地表沉降在先行洞一側明顯增大，而另一側的地表沉降基本不變，故先行隧道的通過對土體造成了擾動，從而造成后行隧道施工引起的地層損失有所增大；比較兩開挖順序造成的最終地表沉降曲線可以看出，先盾構后暗挖造成的地表沉降值在兩洞中間區(qū)域略大于先暗挖后盾構造成的地表沉降。

圖6 不同開挖次序下左右線施工造成的地表沉降曲線

依托工程中，先行隧道貫通后，后行隧道將面臨同時近接上方行車道和側方既有隧道施工的情況，這種情況后行隧道對環(huán)境的擾動提出了更為苛刻的要求，而相對右洞，左洞結構斷面小，且盾構施工本身相對暗挖施工對周圍環(huán)境擾動較小，故左線盾構隧道施工對周圍環(huán)境的影響程度應小于右線淺埋暗挖隧道施工，因此先暗挖通過后盾構通過的方式將在總體的施工擾動和施工風險的控制上也優(yōu)于先盾構后暗挖的開挖順序。

綜合上述分析，在雙洞施工順序的選擇上，建議依托工程中先施工右線暗挖隧道，后施工左線盾構隧道，且應盡量在工期上延長雙洞施工的時間間隔。

取暗挖先行、盾構后行工況下的地表沉降數(shù)據(jù)進行分析。圖7所示為模型中間斷面處暗挖隧道各導洞通過時的地表沉降槽曲線，可以看出，1號導洞通過后地表沉降產(chǎn)生的范圍大致在隧道軸線兩側20 m，最大沉降值約為1.2 mm，占最終沉降最大值的48%，之后隨著其它導洞的通過，軸線處沉降量不斷增大，而地表沉降槽覆蓋范圍基本不變，即隨著暗挖隧道各導洞的通過，其造成的地表沉降曲線形狀朝著“窄而深”的方向發(fā)展；2號導洞、3號導洞、4號導洞通過造成的地表沉降值分別占最終沉降最大值的28%、16.7%、7.3%。

圖7 暗挖隧道引起地表沉降隨開挖過程的變化

模型中間斷面處左右洞正上方測點地表沉降隨開挖過程的變化規(guī)律如圖8所示?？梢钥闯觯捎陂g距較小，左右雙洞隧道的開挖均會引起另一隧道上方發(fā)生地表沉降，先行暗挖隧道通過研究斷面時引起左線盾構隧道正上方地表沉降量為5.45 mm，占最終沉降量的18.4%；而后行盾構隧道開挖造成右線隧道正上方位置的地表沉降量為3.88 mm，占最終沉降量的13.3%。先行暗挖隧道對盾構隧道地表沉降的影響相對后行隧道對先行暗挖隧道的影響更大，究其原因，是右線大斷面隧道雙側壁施工對土體擾動較大所致（見表3）。

表3 先后行隧道開挖在雙洞軸線處造成的地表沉降量

圖8 左右洞軸線處地表沉降隨開挖過程的變化

圖9 所示為暗挖隧道先行、盾構隧道后行分別引起的地表沉降以及雙線貫通后總的地表沉降曲線。從圖中可知，暗挖先行通過后造成的地表沉降最大值為25.36 m，引起的沉降槽寬度約為40 m，暗挖隧道先行貫通后盾構隧道通過單獨造成的地表沉降增量最大值約為24 mm，引起的沉降槽寬度約為35 m，雙線通過后地表沉降最大值約為32 mm，位于雙洞中間位置，地表沉降槽呈現(xiàn)出“U”形狀態(tài)，沉降槽橫向約為50 m，盾構隧道的通過造成地表沉降影響范圍增加了約1／4，且雙線引起的地表沉降在兩洞之間的疊加導致地表沉降曲線在兩洞軸線之間區(qū)域的形狀較為平緩。

圖9 暗挖隧道先行、盾構隧道后行造成的地表沉降曲線

5 中間土體應力分析

對于小凈距隧道施工，中間土體的穩(wěn)定性同樣是施工安全控制的重要因素，因此取模型中間斷面處中間土體兩側最大主應力進行分析（見圖10）。從圖中可以看出，暗挖隧道通過期間，暗挖隧道一側土體最大主應力由241.16 kPa迅速增大至645.46 kPa，增幅達170%。盾構隧道通過期間該側土體最大主應力緩慢增長，待盾構通過后增長至745.77 kPa，增幅約15%。對于盾構隧道一側土體，暗挖隧道通過期間其最大主應力基本無明顯增長，盾構隧道通過期間該側最大主應力由248.43 kPa緩慢增長至316.66 kPa，增幅約27.4%。上述結果表明，雙線施工期間應重點關注暗挖隧道一側的穩(wěn)定性，同時也印證了上文中暗挖隧道施工擾動較盾構隧道施工更大的觀點，進一步說明了所建議施工順序的合理性。

圖10 中間土體最大主應力發(fā)展規(guī)律

6 現(xiàn)場監(jiān)測方案及施工安全措施

6．1 監(jiān)控量測方案

為保證雙線隧道施工的安全性，在隧道開挖過程中對地面及上方既有結構進行了沉降監(jiān)測措施。監(jiān)測點布置（見圖11）圖中三角形表示地表沉降監(jiān)測點；實心圓表示上方既有結構沉降監(jiān)測點。與此同時，新建隧道周邊建筑結構及地下管線也制定了嚴格的沉降變形要求和監(jiān)控量測計劃，限于篇幅這里不再具體贅述。在以上監(jiān)控措施下，可以及時根據(jù)監(jiān)測結果調(diào)整施工參數(shù)、優(yōu)化施工控制方案，確保新建隧道施工和運營期的安全。

圖11 現(xiàn)場地表及結構沉降測點布置

6．2 暗挖隧道臨近區(qū)間加撐保護

對于先行施工的淺埋大斷面暗挖隧道，為保證盾構通過時其結構安全性，盾構隧道通過期間在洞內(nèi)每隔1 m設置3道型鋼支撐，待盾構順利通過后可拆除支撐。橫向和豎向支撐型鋼采用 20a工字鋼，支撐型鋼設置接頭鋼板，采用膨脹螺栓與模筑砼連接。有永久中隔墻的部位，利用中隔墻預留孔作為中間支撐點，無中隔墻的部位設置 20a工字鋼作為中立柱（見圖12）。

圖12 盾構區(qū)間掘進時暗挖隧道加撐保護示意

6．3 左線盾構掘進控制

盾構臨近右線先行大斷面淺埋暗挖隧道期間，采用掘進控制措施如下：（1）盾構通過前對盾構機進行檢查、維修，盡量不停機通過；（2）優(yōu)化并匹配盾構施工參數(shù)，相應地減小盾構施工時對土體的擾動程度；（3）必須嚴格控制土艙壓力，同時也必須嚴格控制與土艙壓力有關的施工參數(shù)；（4）嚴格控制盾構姿態(tài)，盾構姿態(tài)的變化不宜過大、過頻，以降低土層的損失和對周圍土體的擾動，減少沉降；（5）嚴格控制同步注漿量和漿液質量，通過同步注漿及時填充建筑空隙，減少施工過程中土體的變形；（6）在管片上增設注漿孔、預埋注漿管，根據(jù)地質及掘進情況，選擇合適的時機對隧道周邊一定范圍內(nèi)的地層進行注漿加固。

7 結論

對成都地鐵5號線九興大道站盾構與大斷面淺埋暗挖隧道施工工況進行了數(shù)值模擬，著重分析了雙線施工造成的地表沉降規(guī)律及對中間土體的影響。

（1）無論何種開挖次序，先行隧道的通過均會導致后行隧道開挖造成的地表沉降曲線向先行洞一側偏移并有所增大。另外考慮到小斷面盾構隧道施工擾動小的特點，建議實際施工中先貫通右線淺埋暗挖隧道后盾構隧道以近接施工的方式通過。

（2）暗挖隧道雙側壁導坑法施工，隨著各導洞的通過，其造成的地表沉降形狀朝著“窄而深”的方向發(fā)展，1～4號導洞通過導致的地表沉降分別占最終沉降值的48%、28%、16.7和7.3%。

（3）先淺埋暗挖后盾構施工的情況下，暗挖隧道通過造成的地表沉降槽寬度為40 m，盾構隧道通過造成的地表沉降槽寬度約為35 m，暗挖隧道通過造成的地表沉降值較盾構隧道更大。雙線通過后，地表沉降槽呈現(xiàn)出“U”形狀態(tài)，沉降槽范圍約為50 m，盾構隧道的通過造成地表沉降影響范圍增加了約1／4，且雙線引起的地表沉降在兩洞之間的疊加導致地表沉降曲線在兩洞軸線之間區(qū)域的形狀較為平緩。

（4）雙線開挖過程中，中間土體最大主應力在暗挖隧道一側相較于盾構隧道一側受施工過程的影響更為明顯，因此在現(xiàn)場施工中應格外關注。

（5）施工中對地表沉降和臨近結構物沉降制定了嚴密的監(jiān)測方案，并通過暗挖隧道襯砌加撐保護、盾構隧道掘進控制等措施保障了雙線隧道的安全、順利施工。