重疊隧道施工順序研究

呂奇峰,黃明利,韓雪峰

(1.北京交通大學隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044;2.中鐵南方投資發展有限公司,深圳 518055)

1 概述

重疊隧道屬于近接隧道的一種。關于近接隧道及其相關的概念有以下的定義:人們把新建結構物鄰近既有結構物施工,并可能對既有結構物產生不利影響的工程稱為近接工程,有關近接工程的施工稱為近接施工;與隧道及地下工程有關的近接工程稱為近接隧道及地下工程,近接隧道及地下工程的施工稱為隧道及地下工程近接施工。在近接工程中問題最為突出的是巖土類近接工程,而近接隧道及地下工程更是首當其沖[1]。所以該問題一直以來都是研究的重要課題。但以往的研究類型相對單一,主要集中在盾構隧道中并行或交叉的情況,這些情況主要出現在日本。日本于 1987年出版了“近接施工設計指南”一書,初步給出了隧道結構相互影響的基本條件,影響范圍的分類及劃分,影響預測和施工對策等內容。日本學者對近接施工的研究主要集中在盾構隧道中,并且局限于既有隧道和新建隧道之間的近接施工。像深圳地鐵 5號、7號線中出現的這種采用淺埋暗挖法同時開挖的小凈距重疊隧道,國外較少出現。國內僅有深圳地鐵一期工程中有過類似情況,即為一條線的兩個隧洞上下重疊后又分叉成平行的兩條單洞的情況,和本工程相比,其斷面尺寸較小,且為一條線,最終的施工方案又改為上下兩層的一條單洞,所以不是真正意義上的重疊隧道。由于目前國內各大城市大規模的修建地鐵,可以預見,這種同時施工的雙線重疊隧道將會大量出現。因此,有必要結合現在正在施工的深圳地鐵 5號、7號線重疊隧道來做全面的研究,為將來類似的工程提供借鑒。

2 工程概況及施工中遇到的主要問題

該段重疊隧道位于在建的深圳地鐵 5號線太怡區間,太怡區間連接太安路站和怡景路站。太安路站為換乘車站,5號線、7號線同時接入,5號線在上,為雙連拱隧道,7號線在下,為兩個單洞隧道。其重疊段橫斷面和平面如圖1、圖2所示。

該段隧道所處地層呈現明顯的上軟下硬的特點。該段地層上覆第四系人工堆積層(Q4ml)、沖洪積層(Q4al+pl)、坡積層(Q3dl)、殘積層(Qel),下伏震旦系混合巖(Z)。其中第四系土主要是人工堆積素填土、雜填土,沖、洪積粉質黏土、粉砂、中砂、粗砂、坡積黏土、粉質黏土,殘積礫質黏性土、砂質黏性土。震旦系混合巖的主要成分為石英、長石、云母。基體粒狀變晶結構,塊狀構造。按風化程度可分為全風化巖、強風化巖、中風化巖、微風化巖。

圖1 深圳地鐵 5號、7號線重疊段橫斷面

圖2 深圳地鐵 5號、7號線重疊段平面

在修建該段隧道時,首要的難題就是施工順序的問題,即先開挖上面的 5號線有利,還是先開挖下面的7號線有利?由于以往類似的工程不多,值得借鑒的經驗較少,該問題也成為整個深圳地鐵 5號線施工中的重點難題。

3 初步分析

對于重疊隧道的施工順序問題,有兩種選擇:工況1,先修上層隧道;工況 2,先修下層隧道。國外對該問題的研究主要集中在盾構隧道上,對于礦山法修筑的重疊隧道,1998年 9月,日本“隧道與地下工程”中一篇文章詳細說明了采用礦山法修筑的一座雙層重疊隧道,文章指出:應先修上層隧道后修下層隧道[1],即采用工況 1的方法。國內對于該問題的研究,在深圳地鐵 1號線上曾出現過類似的情況,深圳地鐵一期工程中羅湖—大劇院區間出現的雙洞重疊段隧道,該段隧道的施工順序問題,文獻[1～3]中認為應該先修上層隧道后修下層隧道(工況 1)。而文獻[4]中的觀點正好相反,即認為工況 2是有利的。

鑒于該問題還未有明確的結論,故需結合深圳地鐵 5號線太怡區間重疊隧道的實際情況做進一步的分析。該段隧道采用淺埋暗挖的方法進行施工,對于淺埋隧道的開挖,其對上部地層的影響要遠大于對下部地層的影響,如圖3所示。圖3中為淺埋隧道施工后的典型位移云圖,從該圖可明顯看出,淺埋隧道開挖后,其上部地層變形很大,下部地層的變形則相對較小。

圖3 淺埋隧道施工后的典型位移云圖

在深圳地鐵 5號線太怡區間重疊隧道段,若采用工況 1施工,即先修建上層的 5號線隧道,然后再開挖下層的 7號線隧道。而開挖 7號線時,地層變形主要分布在 7號線上方,而 7號線上方正好有已建好的 5號線,上方的 5號線隧道將是一個懸臂結構,勢必對其造成嚴重影響。若采用工況 2,即先修下層的 7號線,等 7號線周圍的地層變形穩定后,再修上層的 5號線隧道,而此時 5號線對地層的影響主要在其上方,對其下方的 7號線所處的地層影響較小,故和工況 1相比,工況 2較為有利。

另外,該段隧道所處地層上軟下硬,因此下層的 7號線需要爆破施工,若按照工況 1來修建,即先施工上層的 5號線隧道,等到下層的 7號線隧道爆破施工時,勢必會對已建好的 5號線造成不利的影響。若改用工況 2,即先把下層的 7號線打通,再暗挖上層的 5號線,由于該段 5號線不需爆破施工,因此對已建好的 7號線影響較小。故從爆破施工這方面來分析,也應該是工況 2較為有利。

綜合上述兩方面的分析,可以初步得出結論,認為工況 2是有利的,即在采用淺埋暗挖法施工的重疊隧道中,應該先施工下層的隧道,然后再修建上層隧道。鑒于上述分析都為定性分析,故還不能完全認定得出的結論就是完全可靠的。若要對該問題給出明確的結論,就需有準確的計算數據來對比兩種工況的優劣性。

4 計算模型

考慮到工況的復雜性,擬采用數值計算的方式來比較兩種工況的優劣。數值計算軟件采用 PLAXIS3D Tunnel,該軟件為荷蘭代爾伏特技術大學開發的有限元軟件,經過多年的改進和在全世界范圍的應用,已擴展成為世界知名的巖土與隧道工程軟件。

計算中所用參數如表1所示。

4.1 工況 1時的計算模型

工況 1即先修建上層的 5號線,其計算模型如圖4所示。該模型中上層的 5號線已經修建完畢,準備開挖下層的 7號線,7號線采用分步開挖的方式,其開挖步驟示意如圖5所示。

表1 數值計算中采用的各項參數

圖4 工況1時的計算模型

圖5 深圳地鐵7號線開挖步驟示意

4.2 工況 2時的計算模型

工況 2即先修建下層的 7號線,其計算模型如圖6所示。

圖6 工況2時的計算模型

該模型中下層的 7號線已經修建完畢,準備開挖上層的 5號線,5號線采用分步開挖的方式,其開挖步驟示意如圖7所示。

5 計算結果及分析

對于兩種工況下的計算結果,主要從塑性區的分布和襯砌內力的變化兩方面來進行對比分析。

圖7 深圳地鐵5號線開挖步驟示意

5.1 塑性區分布

將工況 1和工況 2的塑性區分布圖列于表2中。

表2 兩種工況下的塑性區分布

對比分析表2中的塑性區分布情況,可見,工況 1(先上后下)的塑性區較大并且延伸到已經建好的 5號線襯砌底部,說明后建的 7號線隧道對已建成的 5號線隧道的影響很大,它們之間的土體難于維持穩定。而工況 2(先下后上)正好相反,塑性區小且對下層已經建好的 7號線影響很小。因此,從塑性區的分布來看,工況 2(先下后上)的施工順序較工況 1(先上后下)的施工順序有利。

5.2 襯砌內力的改變

襯砌內力主要考慮環向彎矩和環向軸力兩項,規定彎矩以外側受拉為負,內側受拉為正;軸力以受壓為負,受拉為正。在工況 1(先上后下)下,只研究上層 5號線隧道襯砌內力的變化。在工況 2(先下后上)下,只研究下層 7號線隧道襯砌內力的變化。故若要比較兩種工況下襯砌內力的變化就只能考慮相對變化值,所以首先定義一個參數 λi為工況 i對隧道襯砌內力的影響率,其值為襯砌內力最大變化值和施工前內力最大值之比。

(1)在工況 1下,上層 5號線隧道襯砌的初始內力圖和變化后的內力圖列于表3中。

(2)在工況 2時,襯砌內力的計算結果及其分析如表4所示。

對比表3和表4的計算結果,很明顯,不論是彎矩還是軸力,都有 λ2＜λ1。因此按照影響率的定義,從隧道襯砌的內力變化來說,工況 2是比較安全的,即先下后上的施工順序比較有利。

表3 工況 1下襯砌內力計算結果分析

6 結論

通過以上分析及數值模擬研究,對于該段重疊隧道,可得以下幾點認識。

(1)在重疊隧道施工中,建議采用工況 2的施工順序,即先施工下層隧道后施工上層隧道。

(2)對于深圳地鐵 5號線太怡區間重疊隧道段,若采用工況 2的方法施工,下層的 7號線隧道受上層的 5號線隧道的開挖影響較小,7號線隧道襯砌內力改變劇烈處為兩個導洞的右上角處,在該處應相應的提高襯砌的承載能力,另外,7號線隧道仰拱處受力巨大,也應該提高襯砌的承載能力。

表4 工況 2下襯砌內力計算結果分析

(3)通過數值軟件模擬巖土工程的施工問題,雖然會受到巖土參數難以準確測量的限制,但在對比選擇方案時,卻可以忽略巖土參數的影響,因為各方案中采用的參數都一樣,所以該方法具有科學、快速、廉價的優點,在所有的方案對比的工程中,采用數值模擬的方法都是值得推廣應用的。

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