王 林 王社江 王 飛 孫鐵成

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司，215004，蘇州；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，050043，石家莊∥第一作者，工程師)

0 引言

隨著城市地下工程的發(fā)展，在地鐵工程建設(shè)中出現(xiàn)重疊隧道將不可避免。隧道施工過程也是地層應(yīng)力重新分布的動態(tài)過程，上下重疊隧道因?qū)Φ貙訑_動的不可控因素多而使其施工力學(xué)復(fù)雜，并且在其施工過程中對周圍環(huán)境影響較大[1-4]。在此類隧道掘進過程中，影響建筑物安全的關(guān)鍵是針對隧道及周圍土體變形的精確控制。

針對重疊隧道施工順序?qū)λ淼澜Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及地表沉降變形的影響，國內(nèi)外許多學(xué)者進行了大量研究。文獻[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，分析了位于砂卵石地層的成都地鐵 2號線重疊盾構(gòu)隧道的力學(xué)行為。文獻[6]采用三維彈塑性本構(gòu)，利用通用有限元軟件建立了上海軌道交通3號線二期工程上、下行線近距離交疊區(qū)間隧道模型，模擬了 “先下后上”的盾構(gòu)推進施工過程，得到交疊隧道土層位移以及地表沉降曲面在盾構(gòu)推進中的發(fā)展變化規(guī)律。文獻[7]針對重疊隧道的不同施工順序及不同推進速度，基于室內(nèi)模型試驗研究分析了新建隧道掘進施工對先建隧道縱向變位和附加內(nèi)力的影響規(guī)律。文獻[8]為了研究重疊隧道的開挖順序、空間位置關(guān)系、超前深孔注漿厚度等因素對地表變形特征的影響，依托北京地鐵盾構(gòu)隧道工程，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法開展了諸多研究工作，并取得了具有工程指導(dǎo)意義的結(jié)論。為有效控制重疊盾構(gòu)隧道工程的地表沉降、隧道管片結(jié)構(gòu)豎向位移及其彎矩，目前的研究結(jié)果均表明“先下后上”開挖方式優(yōu)于“先上后下”的開挖方式[9-15]。

上述文獻研究均在先建隧道得到有效加固和支撐為假設(shè)的基礎(chǔ)上展開，如果先建隧道脫離該假設(shè)，所得研究成果將極大削弱對實際工程的指導(dǎo)意義。對先建隧道進行有效的加固和支撐是研究重疊隧道力學(xué)和變形狀態(tài)的關(guān)鍵。本文以蘇州軌道交通3號線婁江大道站至跨陽路站盾構(gòu)區(qū)間(以下簡稱“婁跨區(qū)間”)重疊隧道為依托，對重疊隧道不同支撐體系方案進行分析比選，并進一步對輪式液壓臺車支撐效果進行了深入分析，可為富水粉砂地層重疊隧道的設(shè)計與施工提供參考。

1 工程概況

蘇州軌道交通3號線婁跨區(qū)間位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，區(qū)間隧道穿越婁江快速路星港街立交、滬寧城際鐵路及京滬普速鐵路等，采用盾構(gòu)法施工。由于部分區(qū)段受制于橋梁、周邊構(gòu)筑物樁基的影響，且跨陽路站為3號線和8號線疊島式換乘站，因此在該區(qū)間局部段落采用了上下重疊的隧道布置方式。

1.1 隧道基本情況

婁跨區(qū)間右線起點里程為DK32+965.567，終點里程為DK34+271.305，含短鏈0.810 m，右線隧道長1 305.921 m；左線起點里程為 DK32+965.567，終點里程為DK34+271.305，長鏈47.642 m、短鏈0.810 m，左線隧道長1 353.570 m。區(qū)間隧道縱坡呈V型，最大坡度26.377‰，最小坡度3.508‰。隧道埋深10.0～20.6 m。重疊段右線隧道DK34+139.911—DK34+271.305，長度131.4 m，區(qū)間線路水平間距0.1～6.2 m，豎向凈距2.0～4.8 m，為小間距重疊隧道。

盾構(gòu)隧道管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，寬度為1 200 mm，每環(huán)由6塊管片構(gòu)成，錯縫拼裝，襯砌環(huán)采用右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)直線的組合形式。

1.2 工程地質(zhì)

婁跨區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)土層是以軟塑狀為主的④1粉質(zhì)黏土層、④2粉砂夾粉土層、⑤1粉質(zhì)黏土層、⑥1黏土層以及⑥2粉質(zhì)黏土層，微承壓水水頭標(biāo)高2.31 m。婁跨區(qū)間隧道位置如圖1所示。

圖1 婁跨區(qū)間隧道位置示意Fig.1 Indication of Lou-Kua interval tunnel position

1.3 周邊環(huán)境

婁跨區(qū)間沿線主要下穿滬寧普速鐵路路基及滬寧城際高鐵蘇州東1號橋，下穿35 kV高壓鋼管塔及北新建材公司片區(qū)廠房。工程區(qū)間沿線道路地下管線密集，包括給水、雨水、污水、天然氣、電力電纜、路燈和通信等多種管線。

2 重疊隧道施工臨時支撐體系方案比選

根據(jù)理論分析和以往數(shù)值模擬分析結(jié)論，重疊隧道在施工階段所面臨的主要矛盾是：在上行隧道施工過程中，如何減小盾體對下行隧道安全的影響。通過在下行隧道內(nèi)設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)進而保證重疊隧道中下行隧道的安全。該臨時支撐體系需滿足以下要求：保證下行隧道安全承受因上行隧道施工而產(chǎn)生的環(huán)間剪力作用；提高下行盾構(gòu)隧道縱向剛度，有效控制下行隧道因上行隧道施工產(chǎn)生的變形；保證下行隧道一定范圍內(nèi)的支撐力。

根據(jù)對臨時支撐體系的要求，研究人員設(shè)計出諸多支撐方案。本文對臨時支撐體系方案進行比較分析。

2.1 十字支撐方案

十字支撐的構(gòu)件包括鋼環(huán)、十字鋼支撐和4根縱向工字鋼。十字支撐位于管片環(huán)縫處，縱向鋼支撐分別在隧道的3點位、6點位、9點位和12點位沿隧道縱向布置，構(gòu)件間采用螺栓連接，形成整體支撐體系，如圖2所示。

圖2 十字支撐方案示意圖Fig.2 Diagram of cross supporting scheme

2.2 滿堂支架支撐方案

滿堂支架支撐方案主要由鋼管支架和鋼橫梁組成，具體形式如圖3所示。

圖3 滿堂支架支撐方案示意圖Fig.3 Diagram of full-hall supporting scheme

2.3 井字形支撐方案

井字形支撐方案參考了穿行式隧道模板臺車的結(jié)構(gòu)原理。但井字支撐體系操作復(fù)雜，工序較多，且支撐向前倒運的過程中存在卸力的問題，不能滿足持續(xù)支撐的要求。該方案具體形式如圖4所示。

圖4 井字形支撐方案示意Fig.4 Diagram of grillage supporting scheme

2.4 門字型支撐方案

門型支撐由工字鋼組成，為保證施工方便，鋼支架考慮分段加工，接頭采用M24螺栓連接；縱向鋼支架(每榀)間采用螺栓連接。該方案基本結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 門式支撐方案示意圖Fig.5 Diagram of store supporting scheme

2.5 輪式液壓臺車支撐方案

輪式液壓臺車由4節(jié)臺車組成，相鄰臺車間采用銷軸連接。每節(jié)臺車在隧道縱向方向每間隔750 mm設(shè)一道支撐，該支撐由5個輪式支撐組成(分別位于1點位、3點位、9點位、11點位和12點位)，具體形式如圖6所示。臺車在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下可沿軌道行進，4節(jié)臺車長度保證了隧道縱向一定范圍內(nèi)的支撐力。

圖6 輪式液壓臺車支撐方案示意圖

2.6 方案對比分析

表1為重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表。

表1 重疊隧道施工中下行隧道支撐方案比較表

經(jīng)過綜合比選，婁跨區(qū)間重疊段下行隧道支撐擬采用輪式液壓臺車支撐方案。

3 輪式液壓臺車支撐方案設(shè)計及布置

3.1 臺車支撐系統(tǒng)組成

輪式液壓支撐分為4節(jié)，每節(jié)5 m，臺車總長20 m。臺車間設(shè)置頂推油缸，每個臺車設(shè)置4個支撐斷面。該斷面有5個支撐輪組，分別位于斷面的1點位、3點位、9點位、11點位和12點位。每個輪組包括2個聚氨酯橡膠鋼芯輪，由液壓油缸提供支撐力，最大可承受32 t的支撐力。橡膠鋼芯輪與管片接觸時，由于橡膠的存在可以有效減小管片在支撐過程中的局部受力，從而管片得到最大程度的保護。

3.2 臺車支撐布置

輪胎支撐臺車組裝、調(diào)試完成后進行準(zhǔn)確定位。定位原則：支撐臺車前端超出上部隧道刀盤前方5 m，支撐臺車后方超出上部盾構(gòu)機盾尾5 m，就位完畢后根據(jù)荷載計算油缸壓力，調(diào)整各組油缸壓力，并根據(jù)實際情況不斷修正。

3.3 臺車支撐特點

1) 對盾構(gòu)管片施加預(yù)頂力，保證支撐體系與管片緊密貼合，可避免因管片間相互錯動產(chǎn)生的剪力對管片造成影響。

2) 可利用盾構(gòu)施工運輸軌道自行行走，其移動速度可控制在0～50 mm/min。能夠?qū)崿F(xiàn)與后施工隧道盾構(gòu)機同步前進。

3) 在下行隧道影響范圍內(nèi)，可以實現(xiàn)支撐不卸力，在長距離重疊隧道的施工過程中為其提供連續(xù)支撐力。

4) 提高下行盾構(gòu)管片整體縱向剛度，減小下行隧道豎向變形。

4 輪式液壓臺車支撐方案施工工藝

輪式液壓臺車可利用盾構(gòu)電瓶車軌道進行移動，軌距中心970 mm，每節(jié)臺車組裝后利用電瓶車運送至指定區(qū)域，待4節(jié)臺車到達(dá)指定區(qū)域后安裝，形成輪式液壓臺車。

上部盾構(gòu)機到達(dá)重疊段前，根據(jù)里程，在下行隧道盾構(gòu)管片4點位和8點位位置標(biāo)注里程，每隔1.2 m標(biāo)注一次，同時對全體作業(yè)人員做好技術(shù)交底工作。待臺車調(diào)試完成后，定位臺車位置。在上部盾構(gòu)掘進半環(huán)或停機運輸渣土的時間內(nèi)，輪式液壓臺車無卸載頂推移動。每次移動距離為0.6 m或1.2 m。

上行隧道盾構(gòu)掘進過程中，下行隧道管片結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失穩(wěn)、管片變形過大、螺栓松動或受力過大等問題，須保證臺車在無卸載支撐條件下頂推前進。頂推時，若支撐輪遇到管片輕微錯臺則會引起臺車行走阻力增大，但由于支撐輪是聚氨酯橡膠鋼芯輪結(jié)構(gòu)，可以通過其外圍輕微變形，減少因錯臺而增加的阻力。同時，為了防止因阻力而導(dǎo)致的臺車向后移動，結(jié)合實際情況，在臺車行走輪和軌道間塞入木楔。

5 重疊段隧道施工質(zhì)量監(jiān)測分析

為保障盾構(gòu)掘進施工過程中已建隧道的安全，在下行隧道區(qū)間監(jiān)測范圍內(nèi)布設(shè)20個結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測斷面。斷面間距為5環(huán)6 m，每個斷面布設(shè)4個迷你棱鏡結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點。其中，拱底設(shè)置1個棱鏡，拱腰設(shè)置2個棱鏡，拱頂設(shè)置1個棱鏡。重疊段隧道掘進過程中，盾構(gòu)要嚴(yán)格按照已制定的盾構(gòu)掘進參數(shù)掘進。在重疊段，平均每天掘進5環(huán)，共計20天順利完成重疊段隧道施工。部分測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)隧道重疊段變形及收斂變化趨勢Fig.7 Deformation of overlapping section of shield tunnel and convergence trend

隧道拱頂最大沉降累積變形為8.2 mm，拱底最大沉降累積變形為7.6 mm，最大水平收斂累積值為-9.2 mm，最大垂直收斂累積值為-8.6 mm，均小于設(shè)計規(guī)定的控制值±10 mm。盾構(gòu)隧道重疊段管片拼裝質(zhì)量良好，沒有發(fā)現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。管片環(huán)向錯臺5 mm，縱向錯臺7 mm，滿足盾構(gòu)管片施工相關(guān)規(guī)范要求。該段盾構(gòu)段隧道軸線偏差及地表沉降曲線如圖8所示，其中地表沉降最大值為20 mm。

圖8 重疊段盾構(gòu)隧道軸線偏差及地表沉降曲線

6 結(jié)語

輪式液壓臺車支撐體系可保證重疊盾構(gòu)隧道上行隧道施工時下行隧道管片的安全。該臺車可保證上行隧道施工過程中對下行隧道連續(xù)不間斷的支撐。不卸載的頂推移動可保證臺車與上行隧道盾構(gòu)同步前進。根據(jù)現(xiàn)場實施效果與監(jiān)測結(jié)果可知，該支撐方式保證了下方隧道管片的安全，解決了其他支撐方案安裝及倒運存在的問題。該方案可縮短施工工期，保證安全施工，取得了良好的經(jīng)濟效果。

液壓臺車為裝配式結(jié)構(gòu)，在地面拼裝每節(jié)臺車，采用龍門吊下井，通過電瓶車運輸至指定位置。待4節(jié)臺車均運輸至指定位置后拼裝，機械化程度高。相比于其它臨時支撐方案，該方案施工速度快，節(jié)省工期。

但重疊隧道輪式液壓臺車支撐系統(tǒng)屬于新型特種設(shè)備，目前無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備進場驗收較為困難。如果施工單位采用該種設(shè)備進行施工，可拆分部件逐個驗收合格，最后等設(shè)備組裝完成后，施工、監(jiān)理、設(shè)計、生產(chǎn)廠家四方聯(lián)合驗收合格，可認(rèn)為設(shè)備驗收合格。

輪組變形過大后會影響到臺車的移動，建議增加液壓臺車的應(yīng)力自動補償識別系統(tǒng)，且每個輪組前后并列增設(shè)兩個帶輪的可收縮支撐油缸，實現(xiàn)液壓臺車的自動跨越移動。