薛永健 朱旭輝 王社江 張亞勇 吳 鋒 趙金輝

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司， 江蘇蘇州 215003； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031；3.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司， 上海 201101)

地鐵作為地下空間開(kāi)發(fā)利用緩解城市交通擁堵的重要交通措施，已由最初的獨(dú)立單線連接成網(wǎng)狀?，F(xiàn)階段，大多數(shù)城市新建地鐵均會(huì)出現(xiàn)下穿既有結(jié)構(gòu)的情況。例如：區(qū)間隧道下穿區(qū)間隧道[1]，區(qū)間隧道下穿地鐵車(chē)站[2]，地鐵車(chē)站下穿區(qū)間隧道[3]，地鐵車(chē)站下穿地鐵車(chē)站[4]。還有很多新建地鐵車(chē)站或隧道下穿其他建(構(gòu))筑物的情況。盾構(gòu)法是修建地鐵區(qū)間隧道的一種常用工法，在修建過(guò)程中會(huì)遇到小凈距[5]、小半徑[6]等問(wèn)題，并且還可能由于一些特殊周?chē)h(huán)境的限制，出現(xiàn)重疊隧道的情況。何川等依托廣州地鐵三號(hào)線大塘—瀝滘區(qū)間盾構(gòu)隧道，采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法，研究了豎向重疊隧道下方后建隧道對(duì)先行隧道的影響[7]。王明年等研究了重疊隧道分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，采用庫(kù)倫-摩爾準(zhǔn)則對(duì)重疊隧道進(jìn)行了橫向近接分區(qū)，并根據(jù)位移變化速率以及橫向分區(qū)研究成果對(duì)重疊隧道進(jìn)行了縱向近接分區(qū)[8]。文獻(xiàn)[9-12]分別依托實(shí)際工程，介紹了重疊隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)。

盾構(gòu)重疊隧道存在對(duì)周?chē)h(huán)境多次擾動(dòng)的問(wèn)題，先行不同位置的隧道對(duì)周邊環(huán)境的影響也有不同。林剛的研究表明，當(dāng)沒(méi)有地表建筑物時(shí)應(yīng)選擇“先上后下”的施工順序，當(dāng)有地表建筑物時(shí)應(yīng)選擇“先下后上”的施工順序[13]。更多的學(xué)者研究表明[14-16]，施工順序“先下后上”優(yōu)于“先上后下”。也有研究指出[17]，地鐵重疊隧道應(yīng)采用先上洞后下洞的施工順序，但現(xiàn)場(chǎng)采用的施工順序和相關(guān)的研究成果卻相反。

目前，盾構(gòu)重疊隧道的施工順序研究主要是聚焦在周?chē)h(huán)境單一或地面僅有建筑的情況，有關(guān)盾構(gòu)重疊隧道下穿既有建(構(gòu))筑物施工順序的研究較少。本文基于蘇州地鐵3號(hào)線現(xiàn)代大道站—婁江大道站區(qū)間盾構(gòu)重疊隧道下穿給水管段，研究“先上后下”與“先下后上”不同施工順序下先行隧道、后行隧道、地表沉降與既有給水管變形情況，通過(guò)優(yōu)化施工順序，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析盾構(gòu)重疊隧道下穿既有給水管變形規(guī)律，為類(lèi)似工程提供技術(shù)支撐。

1 工程背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

現(xiàn)代大道站—婁江大道站區(qū)間(現(xiàn)—婁區(qū)間)左線里程DK31+743.114～DK32+683.167，長(zhǎng)944.626 m；右線里程DK31+743.115～DK32+683.167，長(zhǎng)940.052 m。區(qū)間隧道重疊范圍在里程右DK31+945.480～DK32+319.616、左DK31+943.583～DK32+317.549。其中，右線在DK32+226.488下穿DN1 200有壓給水管道(400～404環(huán))，與給水管的最小距離為9 m。左線在DK32+225.622下穿直徑1 200 m有壓給水管(401～405環(huán))，與給水管的最小距離為0.544 m，見(jiàn)圖1。

圖1 區(qū)間隧道與給水管道位置關(guān)系Fig.1 Position between interval tunnel and water supply pipe

1.2 工程地質(zhì)條件

地勘資料表明：本工程位于長(zhǎng)江三角洲沖-湖積平原地貌，場(chǎng)地總體較為平坦，局部地段稍有起伏。本工程盾構(gòu)掘進(jìn)深度范圍主要以稍密～中密為主的粉土夾粉砂地層、軟塑狀的粉質(zhì)黏土層，地質(zhì)信息見(jiàn)表1。

表1 地層信息Table 1 Soil properties

1.3 施工參數(shù)

左右線隧道采用盾構(gòu)法施工，管片采用C50混凝土，外徑為6 200 mm，厚度為350 mm，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)半徑為6 400 mm，注漿范圍見(jiàn)圖2。

圖2 注漿范圍 mmFig.2 Grouting

2 數(shù)值分析模型

結(jié)合圖1、2中盾構(gòu)隧道與給水管位置關(guān)系、表1的土質(zhì)信息，建立三維數(shù)值分析模型。其中，土體長(zhǎng)為12 m(掘進(jìn)10環(huán))，寬為100 m，深度為60 m。該模型共有21步，第1步為土體建立地應(yīng)力，第2～11步為一個(gè)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)直至貫通，第12～21步為另一個(gè)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)直至貫通。網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖3。工況1施工順序?yàn)橄认潞笊?，工況2施工順序?yàn)橄壬虾笙隆?/p>

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing

3 結(jié)果分析與方案優(yōu)選

左右線先后施工會(huì)對(duì)給水管與地表產(chǎn)生兩次擾動(dòng)，不同的施工順序(先上后下、先下后上)對(duì)給水管和地表的影響不同。為了探究不同施工順序下新建結(jié)構(gòu)-既有結(jié)構(gòu)-地表的力學(xué)性能，采用數(shù)值方法分析先上后下、先下后上兩種施工順序時(shí)的地表沉降，給水管內(nèi)力與變形，隧道襯砌管片內(nèi)力、收斂與拱頂沉降情況。

3.1 地表沉降

兩種工況下的地表沉降情況見(jiàn)圖4、表2?？芍褐丿B隧道的施工均會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生二次擾動(dòng)，但不同施工順序?qū)Φ乇淼臄_動(dòng)效果不一。由表2中的數(shù)據(jù)可知：工況1(先下后上)地表沉降最大值為12.63 mm，工況2(先上后下)地表沉降最大值為14.31 mm；工況1中僅開(kāi)挖下部隧道引起的地表沉降最大值為2.16 mm，工況2中僅開(kāi)挖上部隧道引起的地表沉降最大值為11.64 mm?？梢?jiàn)，工況1優(yōu)于工況2。

圖4 地表沉降計(jì)算結(jié)果Fig.4 Earth’s settlement calculation results

表2 兩種工況沉降最大值Table 2 Stresses in the water supply pipe mm

3.2 給水管力學(xué)性能

兩種工況下的給水管豎向變形情況見(jiàn)圖5、表2?？芍?，兩種工況對(duì)給水管的豎向變形規(guī)律與對(duì)地表擾動(dòng)規(guī)律類(lèi)似。重疊隧道的施工，均會(huì)對(duì)給水管產(chǎn)生二次擾動(dòng)，但不同施工順序引起給水管的豎向變形也不同；工況1(先下后上)引起給水管豎向變形最大值為13.77 mm，工況2(先上后下)引起給水管豎向變形最大值為15.67 mm。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知，僅開(kāi)挖下部隧道引起的給水管豎向變形最大值為2.44 mm，僅開(kāi)挖上部隧道引起的給水管豎向變形最大值為12.67 mm，可見(jiàn)距離給水管更近的隧道施工對(duì)其擾動(dòng)更大，即工況1優(yōu)于工況2。

圖5 給水管變形計(jì)算結(jié)果Fig.5 Water supply pipe deformation calculation results

兩種工況下的給水管內(nèi)力情況見(jiàn)表3?？芍?/p>

表3 給水管內(nèi)力狀態(tài)Table 3 Stress in water supply pipe MPa

1)工況1下部隧道施工完成后給水管最大內(nèi)力為4.36 MPa，僅比初始狀態(tài)增加了0.02 MPa，當(dāng)上部隧道施工完成后給水管僅比初始狀態(tài)最大內(nèi)力為5.75 MPa，比下部隧道完成時(shí)增加了1.39 MPa。

2)工況2上部隧道施工完成后給水管最大內(nèi)力為5.16 MPa，比初始狀態(tài)增加了0.82 MPa。當(dāng)下部隧道完成后給水管最大內(nèi)力為5.86 MPa，比上部隧道完成時(shí)增加了0.7 MPa。

通過(guò)以上兩種工況下給水管最大內(nèi)力情況對(duì)比可知，工況1略優(yōu)于工況2。

3.3 后行對(duì)先行隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響

數(shù)值模型中兩個(gè)隧道均掘進(jìn)了10環(huán)，為消除邊界影響，僅分析中間位置的盾構(gòu)管片收斂與拱頂沉降情況。工況1下的管片收斂與拱頂沉降如圖6所示。

a—管片水平位移； b—拱頂沉降位移。圖6 工況1下兩盾構(gòu)先后通過(guò)時(shí)的位移情況 mFig.6 Shield lining deformation in condition 1

當(dāng)工況1下部隧道完成時(shí)，下部管片的水平收斂為24.53 mm。上部隧道掘進(jìn)完成時(shí)，上部管片水平收斂為18.06 mm，下部管片的水平收斂為25.45 mm。上部隧道掘進(jìn)引起的下部隧道管片水平收斂附加影響為0.92 mm，僅為原水平收斂的3.75%。

當(dāng)工況1下部隧道完成時(shí)，下部管片的拱頂沉降為26.33 mm。上部隧道掘進(jìn)完成時(shí)，上部管片拱頂沉降為19.24 mm，下部管片的拱頂沉降為27.30 mm。上部隧道掘進(jìn)引起的下部隧道管片拱頂沉降附加影響為0.97 mm，僅為原拱頂沉降的3.68%。

工況2下的管片收斂與拱頂沉降如圖7所示?？梢?jiàn)：

a—管片水平位移； b—拱頂沉降位移。圖7 工況2下兩盾構(gòu)先后通過(guò)時(shí)的位移情況 mFig.7 Shield lining deformation in condition 2

1)當(dāng)工況2上部隧道完成時(shí)，上部管片的水平收斂為18.43 mm。下部隧道掘進(jìn)完成時(shí)，上部管片水平收斂為19.23 mm，下部管片的水平收斂為24.08 mm，下部隧道掘進(jìn)引起的上部隧道管片水平收斂附加影響為0.80 mm，僅為原收斂的4.34%。

2)當(dāng)工況2上部隧道完成時(shí)，上部管片的拱頂沉降為19.64 mm。下部隧道掘進(jìn)完成時(shí)，上部管片拱頂沉降為20.44 mm，下部管片的拱頂沉降為25.80 mm，上部隧道掘進(jìn)引起的下部隧道管片拱頂沉降附加影響為0.80 mm，僅為原拱頂沉降的4.07%。

通過(guò)兩者比較可知，兩種工況中后行隧道均會(huì)對(duì)先行隧道產(chǎn)生附加影響，但是該影響均較小，可以忽略。兩種工況下上下隧道的最終變形如表4所示。可見(jiàn)，上部隧道的變形均小于下部隧道。僅從變形的數(shù)值上看，工況1的下部隧道拱頂沉降數(shù)值最大，為27.30 mm。從最大值控制角度來(lái)看，工況2優(yōu)于工況1。

表4 隧道管片最終變形Table 4 Shield lining final deformation mm

兩種工況的管片內(nèi)力情況見(jiàn)表5?？芍?，工況1后行隧道施工使得先行隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了0.44 MPa的附加內(nèi)力。工況2后行隧道施工使得先行隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了0.61 MPa的附加內(nèi)力。兩種工況下的附加內(nèi)力均不足原始應(yīng)力的5%，影響較小。從內(nèi)力極值上看，工況2略優(yōu)于工況1。

表5 隧道管片內(nèi)力Table 5 Stresses of shield lining MPa

3.4 方案優(yōu)選

兩種工況的地表沉降最大值、給水管豎向變形與內(nèi)力最大值、兩個(gè)隧道的變形與內(nèi)力情況見(jiàn)表6?？芍簭牡乇沓两?、給水管內(nèi)力與豎向變形、上部隧道管片內(nèi)力與變形的角度，工況1均優(yōu)于工況2；從下部隧道管片內(nèi)力與變形的角度，工況2優(yōu)于工況1。重疊隧道下穿既有結(jié)構(gòu)施工中，更關(guān)鍵的是控制既有結(jié)構(gòu)的變形，使其不影響既有結(jié)構(gòu)正常使用。綜合考慮，建議選用工況1，即選擇先下后上的施工順序。

表6 兩種施工順序比較Table 6 Comparisons of above two construction sequences

4 實(shí)施效果

工況1施工時(shí)，以盾構(gòu)軸線L線為中線，沿給水管方向在管線上表面間隔15 m左右兩側(cè)各布設(shè)3個(gè)共計(jì)6個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(GX25、GX26、GX27、GX28、GX29、GX30)。給水管現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置以及監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8。可知，當(dāng)上部盾構(gòu)隧道通過(guò)后，給水管豎向變形最大值為12.00 mm，與數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果(13.77 mm)相差不大，且小于給水管的豎向變形控制標(biāo)準(zhǔn)值(18 mm)，證明兩個(gè)隧道施工對(duì)給水管產(chǎn)生了影響，但滿足給水管的豎向變形要求，不影響給水管正常使用。

圖8 給水管現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.8 Site monitoring results of the water supply pipe

沿掘進(jìn)方向每30 m設(shè)1個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面于各軸線交點(diǎn)布置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并向外側(cè)間隔3.6 m各布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地表現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖10。可知：當(dāng)上部盾構(gòu)隧道通過(guò)后，地面沉降最大值為11.35 mm；當(dāng)下部盾構(gòu)隧道通過(guò)后，地面沉降最大值為2.32 mm，該值與數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果(2.67 mm)相差不大，證明兩個(gè)隧道施工對(duì)地面土體產(chǎn)生擾動(dòng)，且隨著與上部盾構(gòu)隧道距離漸遠(yuǎn)，擾動(dòng)效果減弱，最大沉降不超過(guò)限值18 mm。

注：上側(cè)數(shù)據(jù)表示各點(diǎn)位距離上通道中線距離，下側(cè)數(shù)據(jù)表示各點(diǎn)位距離下通道中線距離。圖9 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.9 Layout of surface monitoring points

圖10 地表現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.10 Site monitoring results of the ground

5 結(jié)束語(yǔ)

依托盾構(gòu)重疊隧道下穿給水管實(shí)際工程，采用數(shù)值方法分析不同施工順序(先下后上、先上后下)對(duì)地表沉降、給水管內(nèi)力與豎向變形、兩個(gè)隧道內(nèi)力與變形的影響，并給出施工順序建議?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明了施工方案的可行性，并得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)重疊隧道兩種施工順序下兩個(gè)隧道的施工均會(huì)對(duì)地表沉降與給水管變形產(chǎn)生二次擾動(dòng)，且不利影響會(huì)疊加。

2)重疊隧道中下部隧道施工對(duì)地表沉降與給水管豎向變形的影響小于上部隧道施工產(chǎn)生的影響，兩種施工順序下后行隧道均會(huì)對(duì)先行隧道產(chǎn)生附加影響，但是該影響均較小，可以忽略。

3)綜合考慮地表沉降、給水管內(nèi)力與豎向變形、兩個(gè)隧道管片內(nèi)力與變形的結(jié)果，建議選擇先下后上的施工順序。

4)實(shí)際工程中采用了先下后上的施工順序，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，該施工順序下給水管最大豎向變形為12.00 mm，滿足正常使用的18.00 mm變形要求。