地鐵暗挖區(qū)間重迭交叉隧道施工與監(jiān)測

1、摘 要以深圳地鐵太安站怡景站區(qū)間重疊交叉雙層隧道為研究對象，對復(fù)雜環(huán)境下的關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行闡述與分析，利用 ABAQUS 建立有限元計(jì)算模型，對施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與現(xiàn)場的實(shí)際監(jiān)測資料進(jìn)行對比分析，最終證明在城市地質(zhì)條件較差的情況下，群洞重疊隧道借助超前小導(dǎo)管注漿加固的輔助施工方法，可實(shí)現(xiàn)上下重疊隧道錯(cuò)開一定開挖步距后同步進(jìn)行開挖。關(guān)鍵詞隧道工程; 淺埋暗挖; 重疊交叉隧道; 超前注漿; 數(shù)值模擬; 監(jiān)測; 施工技術(shù) 在重疊隧道的施工過程中，傳統(tǒng)的施工順序傾向于下層隧道開挖結(jié)束并施作二襯后，再進(jìn)行上層隧道的施工，這樣安全性比較高，但工期較長，對加快地鐵建設(shè)與運(yùn)營不利，深圳地鐵太安站怡景

2、站區(qū)間隧道重疊段采取下層隧道開挖 25m 后即進(jìn)行上層隧道施工。如何處理好施工影響范圍內(nèi)的土體穩(wěn)定、地表沉降、建筑物沉降和地下管線等的相關(guān)問題成為該施工方案順利進(jìn)行的關(guān)鍵。 1 工程概況 深圳地鐵太安站怡景站區(qū)間隧道包含地鐵 5號(hào)線和 7 號(hào)線接入段，均為礦山法施工的暗挖區(qū)間隧道。在重疊隧道段，5 號(hào)線部分首先為 90m 的雙連拱隧道，之后過渡為兩條單洞小凈距隧道; 7 號(hào)線部分為兩條單洞隧道; 結(jié)尾段 5，7 號(hào)線均為 1 條緊臨地鐵車站的單洞隧道。重疊隧道所處地理位置如圖 1 所示。 重疊隧道豎直凈距為 0. 9 1. 4m，考慮初支凈空外放后的最小間距僅為 0. 6m。5，7 號(hào)線位置關(guān)

3、系如圖 2 所示。 太安站怡景站區(qū)間隧道穿越地質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下大致分為雜填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合巖和強(qiáng)風(fēng)化混合巖 4 層，如圖 3 所示。由圖 3 可以看出隧道重疊段 7 號(hào)線主要穿越全風(fēng)化段，5 號(hào)線主要穿越強(qiáng)風(fēng)化段。根據(jù)地質(zhì)詳勘資料可知，全風(fēng)化混合巖層含水量豐富，自穩(wěn)性差，部分地段存在較大面積的砂層; 強(qiáng)風(fēng)化混合巖層自穩(wěn)性較好，含水量一般，但局部地段含有砂層。 2 群洞隧道施工組織與施工工藝2. 1 群洞段隧道總體施工組織 根據(jù)全線總體工期的要求，以及區(qū)間結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境的特點(diǎn)，重疊段隧道施工均由太怡區(qū)間 2，3號(hào)豎井進(jìn)行施工組織，如圖 4 所示。隧道開挖前，首先對重疊隧道間土體進(jìn)行深孔注漿

4、預(yù)加固，然后展開下層 7 號(hào)線隧道開挖，錯(cuò)開 25m 后隨即展開 5 號(hào)線隧道開挖。 5，7 號(hào)線襯砌根據(jù)各自的施工進(jìn)度及狀態(tài)分別展開進(jìn)行，由于 5 號(hào)線部分為制約全線工期的關(guān)鍵部位，結(jié)合現(xiàn)場襯砌資源的調(diào)配，工程中率先展開 5號(hào)線部分的襯砌。 在重疊隧道位置打設(shè)一處連通 5，7 號(hào)線的卸渣通道，將 5 號(hào)線隧道開挖及清底土方通過卸渣通道卸至 7 號(hào)線，再通過 7 號(hào)線運(yùn)輸至 3 號(hào)豎井吊出，緩解 5 號(hào)線 2 號(hào)豎井提升壓力。2. 2 注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)技術(shù) 為保證上下重疊隧道同步開挖的安全性，在工作區(qū)域采用注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)技術(shù)進(jìn)行加固止水，減小圍巖的擾動(dòng)。 隧道開挖前，對 5，7 號(hào)線重疊

5、部分進(jìn)行超前深孔預(yù)注漿加固，如圖 5 和表 1 所示。在 7 號(hào)線初襯前對其進(jìn)行全斷面注漿，抑制圍巖松動(dòng)區(qū)的發(fā)展，補(bǔ)充替代初襯的支護(hù)和止水作用，如圖 6 所示。 為滿足施工對工作環(huán)境的要求，采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿，V水泥漿 V水玻璃= 1 1 1 0. 3 ( 水泥漿 W C = 0. 5 1 1 1，水玻璃 25 40B) 。注漿時(shí)應(yīng)根據(jù)漿液的擴(kuò)散程度、注漿量、注漿壓力等因素在允許范圍內(nèi)調(diào)整注漿材料的配合比，注漿工藝如圖 7 所示。 隧道初期支護(hù)完成后隨即進(jìn)行回填注漿，填充初期支護(hù)與圍巖的間隙，減少圍巖松動(dòng)圈對支護(hù)的影響。二次支護(hù)完成后，對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的孔隙和微小孔洞進(jìn)行二次注漿止

6、水，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)長期的穩(wěn)定和地鐵的正常運(yùn)營。 3 數(shù)值計(jì)算與監(jiān)控量測 利用 ABAQUS 有限元軟件建立坐標(biāo) YSSK0 +687. 165 剖面的二維有限元模型，對群洞隧道施工引起的圍巖及地表變形進(jìn)行模擬研究，并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。3. 1 計(jì)算模型的確立 為簡化計(jì)算，將地質(zhì)模型簡化為 4 層平行地層，根據(jù)施工影響范圍，建立計(jì)算模型的尺寸為 x( 90m) ，y( 80m) ，如圖 8 所示。模型邊界條件為: 側(cè)邊限制水平位移，底邊限制垂直位移，上邊界為自由邊。超前預(yù)注漿和全斷面注漿通過定義不同場變量，在相應(yīng)分析步中激活以提高圍巖參數(shù)來實(shí)現(xiàn)該施工工序的模擬。3. 2 計(jì)算參數(shù)的選取 為盡

7、可能實(shí)現(xiàn)仿真模擬，各層圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)( 見表 2) 。 支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)通過試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定: 初期支護(hù)為 300mm 厚 C25 鋼筋混凝土，彈性模量 30GPa，泊松比 0. 18; 二次支護(hù)為 450mm 厚鋼筋混凝土，彈性模量 35GPa，泊松比 0. 18。3. 3 施工過程模擬 根據(jù)平面彈塑性理論，按工程方案將施工工序簡化 ( 見表3) ，進(jìn)行模擬計(jì)算，網(wǎng)格劃分如圖9所示。 3. 4 計(jì)算分析 經(jīng)分析計(jì)算，關(guān)鍵分析步中的地表沉降變形如圖 10 所示。 進(jìn)行超前注漿和 7 號(hào)線左線全斷面注漿時(shí)，地表均呈現(xiàn)上拱狀態(tài)，表明注漿效果明顯; 在進(jìn)行 7 號(hào)線施工模擬時(shí)

8、，地表沉降控制在 8mm 以內(nèi)，對 7 號(hào)線的全斷面注漿有效替代了初襯的支護(hù)止水作用;對 5 號(hào)線施工狀態(tài)的模擬顯示地表沉降幅度增大，5號(hào)線左線開挖地表最大沉降值為 13. 85mm，5 號(hào)線右線開挖地表最大沉降值為 22. 36mm，并向 x 正方向偏移，但沉降在安全值以內(nèi)。 YSSK0 + 687. 165 斷面地表沉降計(jì)算值與監(jiān)測值的對比曲線如圖 11 所示，從圖中可以看出監(jiān)測曲線與計(jì)算曲線變化趨勢大體一致，數(shù)值計(jì)算對工程有一定的參考價(jià)值。但是實(shí)際監(jiān)測值比計(jì)算值偏大，甚至 5 號(hào)線右線正上方的地表沉降超過了30mm 的監(jiān)控預(yù)警值。 造成監(jiān)測值與計(jì)算值偏差的原因是模型參數(shù)不可能反映工程地質(zhì)

9、的每一點(diǎn)狀況，并且計(jì)算對地下水的考慮不周全; 實(shí)際工程施工存在擾動(dòng)和可變荷載的影響，計(jì)算只分析了靜力狀態(tài)下的變形。 計(jì)算模型關(guān)鍵分析步隧道圍巖 U2 方向位移云圖如圖 12 所示，它反映了不同施工工序下的隧道圍巖在豎直方向上的位移變化情況。分析步 1 超前注漿后，注漿加固區(qū)上部圍巖明顯上拱，下部影響范圍內(nèi)的土體在注漿壓力作用下呈現(xiàn)微小沉降，說明對軟弱土層的注漿加固效果顯著; 分析步 2 受到超前注漿加固的影響，進(jìn)行 7 號(hào)線左線開挖時(shí)隧道拱頂沉降較小; 分析步 3 對 7 號(hào)線左線進(jìn)行全斷面注漿后，對土體起到頂升作用，隧道拱頂沉降和底部上拱量均不明顯，全斷面注漿對初襯的補(bǔ)充替代效果明顯; 分析

10、步 4 和 5 對 7 號(hào)線右線的開挖和全斷面注漿也達(dá)到預(yù)期效果; 5 號(hào)線采用中導(dǎo)洞和側(cè)洞先后開挖的施工順序，減緩了圍巖的應(yīng)力釋放，有效控制了圍巖變形; 7 號(hào)線左、右洞室中間的土體為薄弱地帶，承載力較注漿加固區(qū)弱，而 5 號(hào)線優(yōu)先支護(hù)，加重了 7 號(hào)線及中間土體的承載力負(fù)擔(dān)，故 5 號(hào)線右洞拱頂沉降值最大，超過 30mm，需在工程實(shí)際中加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)并加密監(jiān)測，以保證施工安全。3. 5 監(jiān)測分析 實(shí)際工程監(jiān)測中，受群洞施工相互作用效應(yīng)影響，5 號(hào)線拱頂多處監(jiān)測點(diǎn)的沉降超過安全警戒值。選取 5 號(hào)線左線和右線各 5 個(gè)拱頂監(jiān)測點(diǎn)繪制 5 號(hào)線主拱頂沉降歷時(shí)曲線，如圖 13 所示。 5 號(hào)線在

11、ZGD15 和 YGD10，YGD15 處受砂層地質(zhì)條件影響，沉降值急劇增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過監(jiān)控預(yù)警值，但隨即注漿加固和增設(shè)臨時(shí)鋼拱架支撐使沉降最終趨于穩(wěn)定，未對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞; 其他監(jiān)測點(diǎn)也有沉降超過 30mm 的情況，但沉降速率較小，收斂平穩(wěn); ZGD30 和 YGD30 處均有兩監(jiān)測點(diǎn)處最終拱頂累計(jì)沉降值 30mm，表明該段土體自穩(wěn)性較好，施工擾動(dòng)和可變荷載較小，并且借鑒前期施工經(jīng)驗(yàn)，對不良地質(zhì)提前預(yù)防。 4 結(jié)語 深圳太安站怡景站區(qū)間隧道為 5，7 號(hào)線雙層雙洞重疊交叉隧道，迫于工期壓力，在施工工序上探索性地采取 7 號(hào)線施工 25m 后即展開 5，7 號(hào)線的同步施工，施工前輔以小導(dǎo)管超前

12、注漿加固。根據(jù)總體施工組織規(guī)劃，5 號(hào)線支護(hù)先于 7 號(hào)線進(jìn)行，對 7 號(hào)線采取全斷面注漿保證了圍巖松動(dòng)區(qū)的穩(wěn)定，對初襯的補(bǔ)充替代作用顯著。 注漿材料、配合比漿壓力等應(yīng)根據(jù)工程資料和設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)格控制，防止因注漿量或注漿壓力不足影響加固效果; 也防止過大造成對既有結(jié)構(gòu)的破壞。 水泥-水玻璃雙液注漿凝結(jié)時(shí)間可控、結(jié)石體強(qiáng)度高、加固止水效果顯著，在深圳太安站怡景站區(qū)間含水豐富、自穩(wěn)性差的巖層中發(fā)揮重要作用，充分改善了施工工作面，很好地控制了地表沉降和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。 群洞隧道施工對地層擾動(dòng)較大，后行隧道處于先行隧道的擾動(dòng)區(qū)內(nèi)，并且對現(xiàn)行隧道是卸載作用，將對圍巖變形產(chǎn)生更大的影響，引發(fā)更大的地表沉降。太安站怡景站區(qū)間重疊隧道凈距較小，多孔施工引發(fā)的群洞效應(yīng)使得圍巖變形疊加顯著。 城市地下管線密布，地質(zhì)條件復(fù)雜，使得地質(zhì)勘探的精度下降，極易遇到軟弱含水砂土層等不良地