北京地鐵6號線盾構區間疊落隧道設計思考

劉清文 趙 磊

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京100037)

1 國內外盾構區間疊落隧道概述

地鐵線路在城區地段受規劃條件、既有建(構)筑物和車站設置形式等因素影響，出現了大量的近接工程，盾構區間疊落隧道作為自身小凈距近接工程的一種已在國內外一些城市地鐵建設中出現，作為一種區間特殊布置形式已在國內外引起各方的研究熱潮。

盾構區間自身疊落隧道近年來在深圳、北京、上海、廣州、杭州等地已有實施，如深圳地鐵2號線東延線東門南站—黃貝嶺站區間疊落隧道，該線路從東門南站以疊線方式出站后轉為平行隧道，重疊段長度111 m;深圳地鐵3號線紅嶺中路站—老街站—曬布站區間交疊隧道，為區間避讓建筑物基礎形成疊落，兩區間疊落段總長為1 045 m;北京地鐵6、8號線南鑼鼓巷站受周邊建筑規劃及線路布置的影響，均為兩線上下疊落車站，兩端區間形成疊落段;上海軌道交通明珠線地鐵二期浦東南路站—南浦大橋站區間，穿越南浦大橋和新地大廈兩處狹窄通道，形成疊落段，隧道疊交距離約為437.7 m，最小凈距為2 m;廣州地鐵5號線區莊站—動物園站區間和動物園站—楊箕站盾構區間，為規避內環梅東路立交橋樁基，動物園站兩線上下重疊，兩端形成疊落;杭州地鐵1號線文化廣場站—艮山門站盾構區間，為規避建筑物形成約90 m的交叉重疊段。國外類似工程實例有日本新建Tozai地鐵線與既有Keishin地鐵線的連接工程，為四孔麻花形的線路形式;新加坡高速公路交通系統采用四孔平行隧道穿越回填土和海相黏土沖積層［1］。

關于盾構疊落隧道的研究較多，有數值模擬、施工分析及安全控制等方面，研究成果如張海波等人對上海浦東南路站—南浦大橋站區間長距離交疊隧道的模擬［2］、張曉軍等人對深圳地鐵3號線紅嶺中路站—老街站—曬布站區間交疊隧道的研究［3］等，主要研究內容:一是近距離隧道施工時的相互影響及其環境影響;二是運營期間列車振動荷載對隧道結構及周圍環境的影響。

北京地鐵6號線南鑼鼓巷站—東四站區間的盾構疊落隧道，作為北京市最早開通運營的盾構疊落隧道工程，在設計中吸取國內外已有的研究成果，結合北京市地質情況和6號線疊落段的實施特點，對隧道受力和變形進行分析預測，并對下方隧道的結構設計和實施監測情況進行分析研究。

2 北京地鐵6號線相關工程概況

北京地鐵6號線南—東區間(右K11+204.220～右K12+862.914)，長1 658.694 m，區間出左右線疊落的南鑼鼓巷站，向東局部礦山法后至盾構始發井，疊落盾構區間段為右K11+253.281～右K11+492.029，長度約238.7 m。疊落段位于中心城區，地面標高為44.5～46.4 m，規劃為玉河風貌保護區及商業區。主要風險源為隧道下穿4～5層磚混結構居民樓，隧道頂與建筑物基礎垂直距離為10.4 m。線路平面向東出發后以半徑300 m的曲線折向南，沿北河沿大街南行，左右線隧道逐漸分離，最終并行。在縱剖面上，隨著平面上兩線分離，左線逐漸降低、右線先降低后抬高，最終兩線基本等高前進，疊落段下方隧道為右線，上方隧道為左線，施工方向均為自西向東。區間平面縱面見圖1、2。

圖1 盾構疊落段平面

圖2 盾構疊落段地質縱剖面

疊落段左線埋深為13.8～15.1 m，左線穿越卵石⑤層、粉質黏土⑥層，局部粉細砂⑦1層。地下水主要為潛水(位于隧道頂附近)和層間潛水(位于隧道底以下)。右線埋深為21.9～23.6 m，主要穿越粉細砂⑦1層、卵石⑨層，地下水主要為層間潛水和承壓水(位于隧道中部)。

由于工期原因，南東區間施工方案確定為兩臺盾構先、后同期施工，先自右線盾構井始發1臺盾構機，待掘進出了疊落段后，再在左線盾構井始發第2臺盾構機，兩臺盾構機在東四盾構接收井接收。

3 疊落隧道設計

為盡量減小兩隧道間的相互影響，線路在縱斷面上應盡可能拉大距離。本疊落隧道自車站起，右線(下方隧道)先按15‰下坡，在最低點設右線泵房，然后按12.9‰上坡，左線(上方隧道)先按車站縱坡按2‰下坡，水平距離拉開后再按15‰下坡。

自左線盾構始發井出發，根據兩盾構隧道間水平距離關系分為兩段，第一段為垂直投影重合疊落段(右K11+253.281～右K11+328.266)，隧道中心線水平距離為3.203～6.0 m，長度約75 m;第二段為投影分離疊落臨近段(右K11+328.266～右K 11+492.030)，隧道中心線水平距離為6.0～10.0 m，長度約164 m。兩隧道剖面關系見圖3。

3.1 疊落隧道受力及變形分析

疊落盾構隧道屬于小凈距自身近接工程的一種，其特點為后實施隧道對已建隧道存在顯著影響，表現為已建隧道在后建隧道的實施過程中，其周邊荷載發生顯著變化，從而引起內力和變形發生較大變化。

根據盾構隧道一次完成管片襯砌的特點和既有研究成果，確定疊落段隧道先實施下方隧道(右線)，待出疊落段后，再從左線盾構井開始實施上方隧道(左線)方案，對于結構自身風險來說，研究下方隧道所受影響應為疊落段設計的重點。

圖3 疊落段隧道剖面

3.1.1 在上方隧道施工期間的下方隧道受力分析

3.1.1.1 工況分析

下方隧道主要荷載工況有3個，圖4中1-1～3-3剖面分別代表下方隧道受上方隧道施工影響的3個工況，如表1所示。

圖4 上方隧道掘進縱剖面

表1 下方隧道在上方隧道施工期間工況

3.1.1.2 所受荷載

下方隧道盾前和盾后工況受力模式如圖5所示，其中盾前工況的垂直土壓力為標準盾構單洞區間上方土壓力與盾構推進力對下方隧道管片的豎向附加應力之和，盾后工況的土壓力為上方隧道底部彈簧反力與夾層土土壓力之和。盾中工況受力模式如圖6所示。

圖5 盾前和盾后工況荷載模式

圖6 盾中工況荷載模式

1)豎向土壓力。下方隧道覆土厚21.9～23.6 m，所穿地層主要為砂卵石，為Ⅵ類圍巖，根據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》中表4.1.4所述，判定為淺埋隧道。盾構施工過程中盾尾空隙和襯砌位移都會引起隧道頂部上覆土柱的下沉，由于盾構掘進速度快、管片組裝成環快和盾尾空隙同步注漿及時，造成盾構隧道土體擾動范圍較小，隧道土壓力采用泰沙基公式計算。

2)水壓力。取勘察期層間潛水位計算靜止水壓力。

3)盾構自重壓力。盾構機自重320 t，前體質量約240 t。估算盾構作用于隧道橫向寬度為3 m，經簡化計算在盾構自重壓力作用下隧道均布荷載壓應力為279 kPa。

4)盾構水平推力引起下方隧道側向附加應力。盾構作用于工作面上的均布推力可以看作是由許多微面積組成的集中力，會引起下方隧道管片的側向水平附加應力，經核算，應力很小，在荷載計算中可忽略此附加應力的影響。

3.1.2 在運營階段的下方隧道受力分析

根據行車方式的不同，運營階段共分3個工況，即上洞行車、下洞行車和上下洞同時行車。凌昊等人對深圳地鐵重疊隧道各典型斷面的現場振動加速度測試及數值分析成果［4］表明:對隧道結構而言，靜載是結構設計的控制荷載，但在設計時需考慮列車動載的影響。吳樣松等人對上海地鐵楊浦線(M8)黃興綠地站—翔殷路站區間隧道雙圓盾構工程進行了動力響應研究［5］，結果表明:對隧道結構而言，土壓靜載是結構設計的控制荷載，列車振動引起的附加內力增幅在10%左右，在隧道設計時應考慮此附加荷載。

本疊落隧道下穿居民區，根據環評要求，軌道結構按特殊減振(減振12 dB以上)設計，采用減震效果最好的鋼彈簧浮置板整體道床。基于以上分析，下線隧道在運營階段的列車動荷載可不控制，不考慮此工況的影響。

3.1.3 地面沉降變形分析

以選擇垂直投影重合疊落段的最不利剖面為例，建立二維數值計算模型(見圖7)，橫向、豎向各取寬度不小于15 m(約2.5倍盾構隧道直徑)，圍巖采用實體單元，管片采用殼單元，地層參數取自地質報告。模擬分析分3種情況進行，一為僅施工下方隧道情況下的地面沉降變形，二為上方隧道施工后的地面沉降變形，三為事先在下方隧道內對兩隧道間夾土層進行注漿加固再施工上方隧道后的地面沉降變形。地面沉降模擬曲線如圖8所示，從數值模擬情況可知，單獨施工下方隧道時引起的地面沉降較小，上方隧道施工后引起的地面沉降量較多，若對兩隧道間進行土層加固，地面沉降變形量減少明顯。

圖7 隧道沉降變形分析模型

圖8 地面沉降曲線模擬

3.2 下方隧道內力計算

疊落隧道長度僅占盾構區間總長度的17.4%，除盾中工況外，在其他工況下，標準區間管片結構尺寸及配筋均能滿足受力要求，因此下方隧道設計的重點為盾中工況下盾構管片的設計，由于盾構機、區間隧道限界等控制條件，結構及管片尺寸無調整余地，采用標準區間盾構管片尺寸，即盾構隧道襯砌外徑為6 000 mm，內徑為5 400 mm。襯砌環寬度為1 200 mm，厚度為300 mm，混凝土標號為C50。

根據國內對盾構疊落段的實施經驗，擬定下方隧道采用3種方案應對盾中工況的不利荷載，一是加強管片受力主筋無內支撐方案;二是設置全段十字支撐方案;三是參照深圳地鐵3號線采用臺車支撐方案。利用荷載結構模型，分別對下方隧道獨洞情況，盾中工況的無內支撐、十字支撐和臺車支撐方案進行核算，管片彎矩圖(兩隧道簡化為上下重疊關系)如圖9～12所示。

圖9 下方隧道獨洞情況彎矩

圖10 洞中工況無內支撐彎矩

圖11 洞中工況十字支撐彎矩

圖12 盾中工況臺車支撐彎矩

4 隧道結構設計

4.1 臺車支撐方案選擇

根據下方隧道的受力計算結果，在無支撐情況下，普通配筋管片無法滿足受力要求;對于十字支撐情況，管片內力偏大，配筋較大，同時由于上下兩隧道的相對關系在空間上不斷變化，其最大內力位置也在調整，同時由于在十字支撐實施期間，下方隧道需要停工，所以影響工期，且疊落段長度較長，裝拆工程量大。臺車支撐方案為:利用可行走的型鋼支撐臺車同步跟隨上方隧道盾構機，保證盾構掘進機前方和后方的一定距離內均有支撐;同時為不影響下方隧道正常施工，臺車做成門架形，方便出渣及管片的運輸作業，方案縱斷面及剖面見圖13、14。

圖13 支撐臺車縱剖面

圖14 支撐臺車橫剖面

施工過程中須注意:1)左線盾構機操作室必須與移動臺車隨時保持相互聯系，如盾構機或支撐臺車出現故障，則相應的支撐臺車或左線盾構機必須停止向前推進，直至相互確認故障排除后方可恢復掘進和推進;2)臺車在外力的推力下，可不卸力實現沿縱向向前移動。支撐點需避開縱縫位置以及手孔位置，臺車設計時應根據支撐可能承受的最大內力及隧道不均勻變形允許值，事先估算鋼支撐的最小剛度，支撐應具備壓力調節功能;3)左線盾構機在疊落隧道掘進過程中要平穩、連續、快速掘進，嚴格控制盾構機姿態，不能出現盾構機栽頭現象，如果需要糾偏，則糾偏量不能過大。

4.2 管片加強措施

下方隧道采用加強型管片，表現為襯砌環管片配筋由常規直徑22 mm加強為25 mm，同時襯砌管片環縱、環縫均采用加強螺栓連接，螺栓性能等級提高至8.8級。

4.3 地層加固

兩隧道間夾層土在施工期間受多次擾動，在運營階段受列車動荷載影響，根據對地面沉降變形的分析，對該地層加固有益于減少地層沉降。本段利用下方隧道吊裝孔和新增注漿孔對拱部土層進行先期注漿，注漿漿液為水泥-水玻璃，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，每環均注，上方隧道施工后利用上方隧道吊裝孔對夾層土進行補充注漿加固(見圖15)。

4.4 監控量測要求

在上方隧道施工時，下方隧道為既有工程，須加強保護，要對下方隧道管片環向、縱向拼裝縫張開量、管片錯臺、螺栓應力、土壓力、管片徑向收斂、管片裂縫等指標進行監測，根據《盾構法隧道施工與驗收規范》［6］和本疊落段的特點制定主要監控量測控制指標為:1)管片表面出現不大于0.2 mm的裂縫或擠壓破損;2)管片環縫或縱縫張開量不大于2 mm;3)管片襯砌環直徑橢圓度小于±6‰;4)相鄰管片的徑向錯臺不大于10 mm;5)相鄰管片的環向錯臺不大于15 mm;6)管片環縫或縱縫出現滲漏水情況;7)臺車支撐軸力超過預警值時。

5 后期實施驗證

疊落段上方隧道于2011年9月29日始發，下方隧道在上方隧道施工期間至2011年10月18日，拱頂沉降最大值為4.3 mm，平均約2.5 mm，最大速率為0.5 mm/d;收斂最大值為2.64 mm，平均約為1 mm，最大速率為0.3 mm/d。

圖15 右K11+274.221處地層注漿加固

疊落段下方隧道中心線處的地面測點沿時間軸的沉降曲線如圖16～18所示，均顯示:在上方隧道掘進時，地面測點沉降發生較大變化，即盾構機土體開挖引起地面沉降，隨著管片背后的壓力回填注漿略有反彈，沉降曲線隨著兩隧道間距離的拉大變化逐漸趨于平緩，實測成果雖然存在現場誤差和數據跳躍現象，但這一結果與已有研究成果趨同，反映了大的趨勢。

經對監控量測數據的統計分析和現場實際觀察，表明下方隧道可滿足變形控制要求，管片狀態良好。

圖16 測點1(右K11+273)實測沉降曲線

圖17 測點2(右K11+330)實測沉降曲線

圖18 測點3(右K11+406)實測沉降曲線

6 結論

通過對北京地鐵6號線盾構疊落段的特點分析，找出控制工況，對影響較大的下方隧道進行了重點論述分析，主要結論如下:

1)盾構區間疊落隧道施工順序應先下后上，下方隧道承受上方隧道施工和運營階段多種工況的影響，其中盾構機重力荷載作用工況為控制工況。

2)下方隧道通過管片加強配筋和施工期間增設臨時支撐臺車跟隨保護措施，能滿足上方隧道施工期間的最不利工況的受力要求。

3)為減少地層沉降和兩隧道的相互影響，通過對隧間土體注漿加固等措施進行加強，后期監控量測表明，疊落隧道段的變形較小，可滿足規范要求。

［1］陳衛軍，朱忠隆.近距離交疊隧道研究現狀及評析［J］.現代隧道技術，2002，39(1):42-47.

［2］張海波.地鐵隧道盾構法施工對周圍環境影響的數值模擬［D］.南京:河海大學，2005.

［3］張曉軍.小間距盾構重疊隧道安全施工控制技術研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［4］凌昊，鄭余朝.深圳地鐵重疊隧道列車振動響應測試與數值分析［J］.城市軌道交通研究，2010(8):20-25.

［5］吳樣松，朱合華.列車激震荷載下地鐵雙圓隧道的動力響應研究［J］.巖土力學，2006，27(S):47-51.

［6］GB 50446—2008盾構法隧道施工與驗收規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.