劉建檳

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著城市地下道路的不斷推廣，大直徑盾構的應用越來越普遍。目前，國內已有不少大直徑盾構下穿既有隧道工程，以及軌道交通疊落并行的案例[1-4]。但大直徑盾構長距離疊落并行的工程案例，國內未見。本文依據(jù)實際工程對疊落并行大直徑盾構隧道進行分析研究。

1 工程概況

珠海興業(yè)路（南段）勘察設計工程香寧一街段紅線寬度較窄，兩側建筑物密集，管線眾多。為保證周邊建筑物的安全以及不中斷交通，主線和匝道隧道均采用盾構法施工，主線盾構隧道外徑15.2m，內徑13.9m，管片厚650mm，環(huán)寬2m。匝道盾構隧道外徑11.36m，內徑10.4m，管片厚480mm，環(huán)寬1.5m。

主線盾構與匝道盾構由北至南先后疊落掘進，疊落長度604m，兩條盾構最終先后在板樟山工作井中接收。匝道盾構隧道覆土為5.8~13.5m，最小曲線半徑約600m，最大縱坡為4%。主線盾構隧道疊落段覆土為27.0~36.5m，最小曲線半徑約600m，最大縱坡為4%。匝道盾構隧道距離建筑物的平面最小距離為3m。疊落盾構段平面布置圖如圖1所示，剖面圖如圖2所示。

2 工程地質及水文情況

圖1 疊落盾構段平面布置圖

圖2 疊落盾構段剖面圖（單位：m）

板樟山工作井到檸溪路工作井之間地勢總體呈北低南高，地質起伏較大，南側巖層較厚，往北巖層厚度逐漸減小。匝道盾構主要穿越②2粉質黏土、④礫質黏性土，南側局部穿越⑤4微風化花崗巖。主線盾構主要穿越⑤2強風化花崗巖、⑤3中風化花崗巖，南側局部穿越⑤4微風化花崗巖。疊落盾構段地質縱斷面圖如圖3所示。

盾構穿越斷面土層性質如下：

圖3 疊落盾構段地質縱斷面圖

②2粉質黏土：褐黃~灰褐色，飽和，可塑，干強度及韌性中等，局部不均勻混約5%~10%的石英砂。④礫質黏性土：灰白~褐紅色，飽和，硬塑，為花崗巖風化殘積土，礦物組分主要為黏土和少量石英，巖芯浸水易軟化、崩解。⑤1全風化花崗巖：飽和，巖芯土柱狀，堅硬，原巖風化劇烈，礦物組分主要為黏土和少量石英、長石碎屑、云母，巖芯浸水易軟化、崩解。巖石堅硬程度為極軟巖，巖體完整程度極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ類。⑤2強風化花崗巖：礦物組分主要為黏土、石英、長石碎屑和少量云母，巖石為軟巖，巖體破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ類。⑤3中風化花崗巖：節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石為較軟～較硬巖，巖體較破碎～較完整，巖體基本質量等級為Ⅲ～Ⅳ類。⑤4微風化花崗巖：偶見少量節(jié)理裂隙，巖石為較硬巖，巖體較破碎～較完整，巖體基本質量等級為Ⅱ～Ⅲ類。盾構隧道斷面范圍內的中、微風化花崗巖石英含量占30%~38%，長石含量占60~67%，巖石單軸抗壓強度為25.30～131MPa。盾構進入微風化巖層的長度約80m，隧道在堅硬巖中穿行，刀具加速磨損，掘進速度比較慢。

工程勘察期間穩(wěn)定水位埋深平均值2.8m，②1粗砂、②4粗砂層屬強透水層，②4粗砂層具微承壓性，其余各土（巖）層均屬微～弱透水層，富水性差?；鶐r裂隙水主要是花崗巖各風化帶裂隙水，且強風化~中風化帶是主要儲水層段，花崗巖風化層有較好的水力聯(lián)系。

3 案例調研

目前，國內盾構隧道上下疊落的案例主要集中在城市用地緊張的軌道交通領域，見表1。

疊落隧道都是先掘進下部隧道，后掘進上部隧道，先后掘進間距為100~200m。盾構隧道疊落的豎向凈距與控制掘進的地層情況密切相關。軟土地層中，疊落隧道的豎向凈距在條件允許情況下應盡量拉大。國內上下盾構隧道的最小凈距在2~3m左右，且先行盾構掘進時皆對后行隧道區(qū)域進行加固，減小后行盾構對已建隧道的影響。

表1 盾構隧道上下疊落案例

4 設計分析

4.1 抗浮分析

大直徑盾構隧道管片的局部上浮會造成管片間的錯臺、縱向連接螺栓受剪、管片裂縫的產生、管片防水結構的破壞等。

匝道盾構掘進時，對主線隧道而言，上部土體卸載，隧道管片存在上浮的可能性。當上下盾構隧道的凈距較小時，應對盾構之間的土體進行主動注漿加固，既減小后行盾構對已建隧道的影響，也滿足上下盾構整體抗浮的要求。

為減少主動注漿量，以及減小匝道盾構與主線隧道的相互影響，采用局部抗浮計算方法驗算主線隧道的抗浮要求。

抗浮分析時，不考慮上覆土體的側向剪切阻力，僅考慮主線隧道直徑范圍內、匝道隧道軸線下方土體的自重P以及管片本身的自重G和π型件等的自重Gπ。假設單位長度上管片所受浮力為F浮，隧道間凈距為d，土體浮容重為γ'，管片重度為γc，建立力學模型，如圖4所示。

式中：G為管片自重，kN/m3；γc為管片重度，kN/m3；P為主線隧道直線范圍內、匝道隧道軸線下方土體自重，kN/m3；γ'為土體浮容量，kN/m3；d為遂道間凈距，m。

施工期間的管片抗浮分項系數(shù)取1.1，則：

計算得d≥7.5m。

圖4 主線隧道抗浮計算力學模型

4.2 不同隧道凈距影響分析

該工程所處場地地層分布自上而下為：①填筑土、②2粉質黏土、④礫質黏性土、⑤1全風化花崗巖、⑤2強風化花崗巖、⑤3中風化花崗巖、⑤4微風化花崗巖，各土層物理力學參數(shù)見表2。土體采用硬化模型進行計算，隧道襯砌采用板彈性模型進行模擬，盾構推進地層損失率采用0.3%。根據(jù)“先下后上，先大后小”的原則，采用先實施主線盾構，后實施匝道盾構的施工順序，以此減小施工風險，保證隧道結構及周邊建構筑物的安全。

表2 土層物理力學參數(shù)

采用PLAXIS2D研究疊落盾構隧道的凈距為1.5m、3m、4.5m、6m、7.5m、9m、10.5m、12m時，匝道盾構掘進對主線盾構的影響。圖5所示為不同盾構凈距的土體總位移云圖。

由土體位移云圖可知，匝道隧道掘進引起的土體變形范圍在水平軸線處最小，往地表呈喇叭形擴大，在主線隧道周邊產生突變。隧道凈距越小，主線隧道變形影響越大，變形最大值發(fā)生在隧道頂，呈隆起狀態(tài)。

根據(jù)主線隧道頂?shù)奈灰齐S隧道凈距變化情況繪制曲線如圖6所示。隧道頂?shù)淖冃坞S凈距的減小呈指數(shù)型增加，假設隧道間凈距為x，主線隧道頂?shù)淖冃螢閥，曲線函數(shù)擬合為：

圖5 不同隧道凈距的土體總位移云圖

圖6 主線隧道頂位移隨隧道凈距變化曲線

當隧道凈距為1.5m時，主線隧道頂?shù)奈灰浦颠_到7.3mm。當隧道凈距為7.5m時，位移值減小為1.8mm，隧道凈距在7.5m以上時，變形減小較為緩慢。

4.3 三維數(shù)值分析

4.3.1 有限元建模計算

為模擬盾構開挖對周邊土體以及結構的影響，采用Plaxis3D有限元軟件進行模型的建立與計算。本模型長寬高分別為300m、230m、70m。土體采用硬化模型，建筑物采用線彈性模型，隧道襯砌采用板彈性模型進行模擬，先開挖主線隧道，后開匝道隧道，盾構推進地層損失率采用0.3%。土體參數(shù)取值見表2，整體模型如圖7所示。

4.3.2 計算結果分析

如圖8（a）所示，在主線盾構隧道掘進后，土體最大沉降出現(xiàn)在隧道結構上方，最大值為26.9mm。受主線掘進的影響，隧道周圍建筑物也出現(xiàn)了不同程度的變形，最大沉降達到了12.2mm，且建筑物的沉降變形隨其與隧道的水平凈距的增大逐漸減小。由圖8（b）可知，匝道盾構隧道的掘進，對主線隧道影響明顯，隧道上方土體的沉降相比之前減小了7.8%，為24.8mm。土體整體上仍是沉降變形，周邊建筑物的變形由于土體的開挖有所增加，達到了13.4mm。

圖7 有限元計算模型

圖8 盾構掘進后土體豎向位移云圖

如圖9所示，主線隧道掘進完成后，主線襯砌頂部發(fā)生了沉降變形，最大沉降為26.8mm。主線襯砌底部位于中風化巖層中，最大隆起變形較小，為1.5mm。在匝道隧道掘進完成后，主線襯砌頂部沉降減小至24.9mm，底部隆起更加明顯，增加至2.7mm，這是因為上部匝道隧道掘進后，主線隧道上部的壓力減小，使主線隧道產生向上的變形。

圖9 盾構掘進后主線襯砌豎向位移云圖

如圖10所示，主線盾構掘進完成后，襯砌結構最大彎矩為780.3kN·m，發(fā)生在襯砌頂部位置，而最小彎矩為696.9kN·m，發(fā)生在襯砌的腰部；當匝道盾構掘進完成后，由于襯砌上方土體的開挖卸荷，襯砌彎矩出現(xiàn)了明顯的減小，襯砌頂部的最大彎矩減小至102.2kN·m，頂部的彎矩為93.29kN·m。管片內力是一個動態(tài)的重分布問題，特別是螺栓的受力具有不確定性。

圖10 盾構掘進后主線襯砌彎矩云圖

5 工程措施

匝道隧道掘進后，主線隧道上部土體卸載，根據(jù)理論計算，對主線隧道管片有利。但是，這是一個動態(tài)的應力重分布以及附加變形的問題，具有不確定性。匝道盾構施工時會對土體進行擾動，產生附加應力，將對主線隧道結構產生一定影響。

（1）主線隧道管片上增設注漿孔，增加二次注漿的點數(shù)。當主線隧道變形較大時，應及時進行二次注漿，并確保注漿效果。

（2）管片上設置剪力銷，加強抵抗管片錯臺的能力，減少管片的變形。

（3）匝道盾構施工時，需密切關注盾構推力、扭矩等施工參數(shù)，保證開挖面壓力合理、穩(wěn)定，盾構姿態(tài)良好，掘進速度平穩(wěn)，減少對下方主線盾構的擾動。

（4）設置試驗段。根據(jù)主線隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)調整盾構推進參數(shù)，最大限度的減小盾構施工影響。

（5）在主線盾構內采用臨時支撐，如移動臺車支護或鋼支撐架等對主線隧道結構進行保護。

（6）增加監(jiān)測頻率，通過主線隧道內部設置結構應力、應變及變形監(jiān)測，確保主線隧道結構處于安全狀態(tài)。

6 結 論

本文通過對復雜地層長距離疊落大盾構隧道進行設計分析，得出以下結論：

（1）疊落隧道的豎向凈距應綜合地質情況、抗浮及變形影響等，該工程疊落隧道的凈距控制在0.5D（D為下部隧道的直徑）是合適的。

（2）上部隧道掘進時，從理論計算分析而言，土體卸載，對主線隧道管片受力有利。匝道盾構隧道對主線隧道的影響應結合實際施工進行進一步的研究。

（3）上部隧道掘進前后管片的內力變化是一個動態(tài)的應力重分布以及附加變形的問題，具有不確定性。