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软土地层小净距重叠隧道施工技术研究

摘 要:依托工程实例,对重叠隧道施工技术进行了分析,通过分析模型和实际施工中面临的风险,推荐了“先下后上”的施工顺序,并给出了施工中需采取的措施与建议。通过采取一系列措施,该区间顺利完工,其经验可供类似工程借鉴。
1 概述
  随着城市规模的不断扩大,城市所面临的交通压力也日益增加,地铁因其载客量大,对地面影响小,而被广泛采用,目前我国部分城市的地铁已由单线向网络化快速发展,地铁线路大多穿越城市繁华地区,或为实现两条地铁线同台换乘,导致了重叠隧道的出现。特别是小净距重叠隧道,因双线间距小,相互影响大,施工难度也急剧增加,因此对小净距重叠隧道的分析研究也变得很有必要。本文以天津地铁某区间为例,通过建模分析,研究了小净距重叠隧道的变形规律,并给出了施工建议,可供类似工程借鉴。
2 工程概况
  该区间为实现 5 号、6 号线同台换乘采用了重叠隧道,线型复杂,具有净间距小、重叠线路长、大纵坡段线路长、部分线路覆土浅、局部穿越承压水层等特点。6 号线区间为上下完全重叠状,5 号线区间为上下重叠交叉状,如 图 1 所 示。4 条隧道先后施工,地层经过多次扰动,存在隧道自身变形大、地面沉降大等问题,合理选择各隧道施工顺序,是施工前面临的首要问题。
  该区间主要穿越⑥1 粉质粘土、⑥3 粉土层、⑥4 粉质粘土、⑦1 粉质粘土、⑧1 粉质粘土、⑨1 粉质粘土层。隧道穿地层地下水属孔隙性潜水,静止水位埋深 0.9 m ~ 4.8 m,水位年变幅0.5 m ~ 1 m。承压含水层分布于⑨2 粉土中,水量较丰富,隔水层为上部的粉质粘土层,距离隧道最小距离 7.2 m,如图 2所示。
3 重叠段隧道建模分析
  如按“先下后上”的顺序施工,受上方后建隧道施工影响,下方先建隧道在盾构前方 15 m 范围内存在向下挠曲,而在盾尾后方 30 m 范围内则向上隆起,直至趋于一个定值,见图 3。下方先建隧道在上方后建隧道施工期间的荷载组合建议采用表 1。

  采用岩土分析有限差分法软件 FLAC3D 分别对“先上后下”和“先下后上”进行模拟分析。分析结果如图 4,图 5 和表 2所示。 

  按照 1 号、2 号、3 号、4 号隧道依次施工的顺序进行建模分析( 隧道编号见图 6) ,分析结果如下: 1 号、2 号隧道随着 3 号、4号隧道的开挖将产生上浮,4 号隧道开挖会引起 1 号隧道上浮15 mm。随着相邻隧道的相互错开,这种影响会逐渐减弱。若新建隧道与既有隧道水平距离过近,将会引起既有隧道向新建隧道方向位移。随着 2 号、3 号隧道由重叠状渐变为平行状,2 号隧道将会产生向 3 号隧道的位移,根据理论计算最大位移为10 mm。2 号、3 号线隧道开挖会引起 1 号隧道管片内力的微量增加,弯矩值增加约 1 kN·m。而 4 号隧道开挖会引起 1 号隧道管片内力较大幅度减小,弯矩值由 90 kN·m 减少到 63 kN·m。随着各隧道距离拉开,新建隧道对既有隧道内力的影响越来越小。
4 施工中采取的措施与建议
  根据理论分析,虽然“先上后下”总体沉降量小,但考虑到在施工过程中下部隧道一旦出现险情不可避免的将会对上部已完成隧道造成重大影响,且抢险困难,因此该重叠隧道最终的施工顺序确定为“先下后上”。针对 5 号线区间为上下重叠交叉状,两台盾构机分别从两座车站始发,提前计算出两台盾构机的始发时间,过程中合理控制两台盾构机的掘进速度,确保两台盾构机同时到达中间交叉点,以实现“先下后上”。重叠段隧道管片的注浆孔由原来的 6 孔增加至 16 孔。在上部隧道施工前需对下部隧道进行二次注浆加固。二次注浆采用水泥—水玻璃双液浆,对隧道周围 3 m 范围内土体进行注浆加固,注浆压力 0.3 MPa ~ 0.4 MPa。注浆管采用 3 m 长钢管,永久埋设于注浆加固体内,达到锚杆骨架支撑的效果。上部隧道施工前,应完成下部隧道注浆加固及等强,上部隧道也应根据盾构机推进速度及时注浆。注浆采用TSS 后退式长管注浆工艺,注浆时间为盾构通过后 15 d 左右。隧道纵向注浆顺序采取隔环跳打的方式,每环一次施工 1 孔~ 2 孔,两个施工环间隔 4 环。注浆范围见图 7。
  在上部隧道施工前,采用支撑对下部隧道进行加固,提高下部隧道刚度,减小其垂直弯曲变形。支撑按照每两环加固一环进行布设。加固范围为盾构刀盘前 15 m 至盾尾后 30 m,支撑在盾构施工过程中不能卸力。考虑到重叠隧道同步施工的需要,下部支撑可采用钢拱台车,如图 8 所示。支撑台车在钢轨上行走,每道支撑由 5 个轮式支撑臂组成,支撑点避开纵缝及手孔位置,支撑臂采用液压控制,具备压力调节功能。支撑台车在外力的推动下,根据上部隧道的掘进速度可实现不卸力向前移动。在钢拱台车推进过程中可对支撑臂轴力进行监测。
  重叠隧道施工时,地表沉降监测点以隧道正上方轴线为界,处于主要影响区域的监测点建议按 4 m 间距布设( 影响区如图 9所示) ,处于次要影响区域的监测点建议按 8 m 间距布设。当主要影响区和次要影响区内存在建构筑物时,应加强对建构筑物的竖向位移监测。

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