李建高, 王长虹

(1. 中铁隧道集团三处有限公司， 广东 深圳 518000; 2. 上海大学土木工程系, 上海 200444)

0 引言

随着我国经济的高速发展，各城市陆续修建地铁以实现快速交通。为进一步满足地下集约化出行的需求，多线同台换乘交叠隧道应运而生。

目前，盾构隧道对周边环境的影响研究主要集中在对地下管线、桩基础、既有隧道结构以及地面建筑等方面。许多学者对交叠隧道做了有益的研究。朱卫平等[1]基于Perk公式分析了盾构过程中交叠隧道的地层移动；廖少明等[2]利用边界单元法研究了3种交叠位置关系的相邻隧道在开挖过程中的地层位移分布及相互影响；赵春彦等[3]采用Mesri蠕变模型以及分层总和法，提出了交叠隧道长期沉降的预测方法；肖红菊等[4]结合现场监测数据，针对短期内2次穿越施工情况，研究了地面和先建隧道的变形规律；李磊等[5]将现场监测和有限元模拟相结合，研究了近距离的交叠盾构施工对既有隧道变形的影响；周建军等[6]研究了交叠隧道在不同交角情况下进行盾构施工的地层变形规律；文献[7-11]研究了交叠隧道的设计参数对既有隧道稳定性影响。

现有文献对交叠隧道施工技术研究较少，群洞隧道施工的关键技术研究已然成为地下轨道交通发展的热点和难点问题。天津地铁5、6号线文化中心1标是国内最大规模空间立体交叉、重叠隧道群。具有以下特点： 1)地下空间利用率高； 2)满足多条地铁线路同台换乘，更好地提升乘客的便捷性； 3)多次始发、接收造成土体扰动大，易发生渗漏水及周边构筑物变形等风险； 4)多条隧道反复扰动地层、沉降效应叠加。

为了克服富水地层中交叉、重叠盾构隧道群施工风险，参建单位通过确定隧道群最优施工顺序、信息化监测、控制施工时间、研发自行式智能支撑台车、采用注浆加固技术及克泥效技术等，最终确保隧道安全贯通且地表建(构)筑物安全。

1 工程概况

1.1 地理位置

天津地铁5、6号线文化中心1标位于天津市南开区与河西区交界处，由“1站”(环湖西路站)“4区间”组成，如图1所示。盾构区间隧道单线全长8 028 m，隧道管片均为圆形断面，内径5 500 mm，外径6 200 mm。

图1 盾构区间示意图

区间隧道6号线以平行状出水上东路站，渐变为交叉、重叠状进入环湖西路站，隧道以右上左下重叠状出环湖西路站一直延伸至宾馆西路站。区间隧道5号线以右上左下重叠状出宾馆西路站，交叉渐变为拧麻花状，以左上右下重叠状进入环湖西路站，隧道以上下重叠状出环湖西路站渐变为交叉、平行状进入体育中心站。

1.2 地质概况

如图2所示，隧道主要穿越⑥1粉质黏土、⑥3粉土层、⑥3粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土和⑨1粉质黏土层。隧道穿越地层地下水属孔隙性潜水，由大气降水和地表水补给，静止水位埋深0.9～4.8 m，水位年变幅0.5～1.0 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黏土层，其中距离隧道最薄的隔水层为7.2 m。

1.3 设计概况

区间隧道覆土6.56～20.01 m，最大纵坡25.5‰，最小转弯半径300 m，其中重叠段长度达1 883.6 m，隧道最小净间距仅为2.3 m，具有转弯半径小、纵坡大、重叠段多、局部浅覆土和隧道净间距小的特点，始发井具体情况如表1和图3所示。

图2 区间工程地质剖面图

区间区间长度/m重叠段长度/m覆土厚度/m最大纵坡/‰最小半径/m最小净间距/m6号线水上东路站—环湖西路站(水—环区间)6781966.56～10.9621.93502.30 5号线环湖西路站—体育中心站(环—体区间)1 1081747.95～16.7524.63002.31 6号线环湖西路站—宾馆西路站(环—宾区间)1 0921 0928.45～11.108.54002.31 5号线宾馆西路站—环湖西路站(宾—环区间)1 134421.610.05～20.0125.54002.31

图3 始发和接收井断面示意图(单位： mm)

1.4 环境概况

隧道区间沿线共有建(构)筑物29栋，其中, 最小距离仅有0.6 m，该建筑物群大多为修建于20世纪80年代的条形基础老旧居民楼，房屋自身抗变形能力极差，因此，减小紧邻建(构)筑物在施工时的沉降和减少开裂是本项目盾构掘进施工控制的重点。

1.5 工程重难点

1)本标段共需始发、接收16次，其中环湖西路、宾馆西路站在负3层始发、接收，端头埋深达27.5 m，且洞身土体多为含水丰富的软弱土层和砂层，水头压力约为25.8 m, 盾构顺利始发、安全接收风险控制是本标段的难点。

2)环—宾区间两侧有大量民房，减小紧邻建(构)筑物在施工时的沉降和减少开裂是盾构掘进施工控制的重点。

3)本标段5、6号线并行，共计8条隧道，重叠、交叉段最小净间距仅1.9 m左右，最浅埋深仅7.82 m左右。如何组织小间距、重叠和交叉盾构隧道群施工，减弱盾构隧道群施工的相互影响和减小对地表及建(构)筑物沉降、变形的叠加影响是盾构掘进施工的难点。

2 交叉、重叠隧道施工技术

本标段的始发、接收端头均处于富水、软弱地层，为有效减少始发时涌水涌沙的风险，确保始发和周边建筑物的安全，该区间左、右线均采用钢护筒始发，所有负2层始发均采用外延钢箱始发。

穿越老旧建筑物群时，为确保建筑物安全，控制盾构正上方沉降，掘进过程中利用盾构中体预留注浆孔注入克泥效。通过注入克泥效和不注入克泥效地层沉降数据的对比可知，注入克泥效可有效将盾构上方的沉降减小5～10 mm。

同时，为减少盾构掘进施工对周围土体重复扰动，引起已完工隧道结构、既有建(构)筑物和地表沉降、变形，通过确定隧道群施工顺序、调整掘进参数、研发智能式自行台车支撑、隧道注浆加固、采用地表沉降控制材料和袖阀管加固技术等，最终确保隧道安全贯通及地表建筑物的安全。

2.1 施工顺序确定

采用大型有限元软件ANSYS与岩土分析有限差分法软件FLAC 3D相结合的方式分别对“先上后下”和“先下后上”工况进行模拟分析[12-13]，分析结果如表2所示。经分析，“先上后下”比“先下后上”引起的地表最终沉降大3～5 mm，同时考虑下部隧道施工过程中一旦发生险情，不可避免地会对上部隧道产生巨大影响，综合考虑后确定采用“先下后上”施工原则。

表2施工沉降情况分析汇总

Table 2 Analysis and summary of settlement induced by construction

施工顺序第1条隧道/mm第2条隧道/mm沉降槽宽度/m剧烈影响区/m先上后下2532 4520先下后上193 5022

环—宾区间隧道5号线线型为交叉、重叠状(如图4所示)，以该区间为例，为始终保持“先下后上”的施工原则，组织2台盾构分别在环湖西路站和宾馆西路站下部(负3层)隧道相对施工。通过合理安排始发时间(右线需提前始发15～20 d)和调整施工进度，确保2台盾构同时达到中间交叉点位置，然后距离交叉点较近的盾构先停机等待，在距离交叉点较远的盾构通过交叉点30 m后再恢复掘进。

图4 交叉重叠隧道施工顺序示意图

Fig. 4 Construction sequence of overlapping twisted tunnels

2.2 掘进参数调整

1) 掘进土压。盾构隧道6号线右线在穿越5—10关键断面过程中保持高土压掘进，本区间掘进时将掘进土压比设计值调高20 kPa，安装管片停机时再将土压提高10 kPa，预计使刀盘前方地表有0～1 mm的隆起量，在穿越前、穿越中和穿越后监控土压变化量。

2) 刀盘转速和掘进速度。刀盘转速在穿越关键断面过程中应控制在1.1～1.3 r/min，速度控制在20～40 mm/min。

3) 出碴量。在穿越过程中，出碴量应控制在每环理论值的98%～100%。同时，要求龙门吊司机必须每车进行碴土称量并记录，以便值班工程师进行技术分析。

4) 同步注浆。同步注浆采用水泥砂浆，注浆量原则上控制在5.5～6.5 m3/环(填充率250%～300%)，同时根据地面变形情况调节，施工中要做到 “不注浆、不掘进”。掘进过程中应尽量使掘进速度与注浆速度相一致，注浆压力控制在25～35 kPa。

5) 盾构轴线纠偏控制。盾构在下穿建筑物和关键断面期间, 应少纠偏或不纠偏，使盾构保持较为平顺的掘进状态。设定姿态警戒值为±30 mm，在盾构姿态达到设计警戒值前立即缓慢调整，每环纠偏量不大于5 mm。

6) 渣土改良。由盾构司机根据螺旋输送机的转矩及渣土性质，加泡沫、膨润土以改良渣土性状。

7) 盾尾防漏。在下穿建筑物和关键断面期间，加大盾尾油脂注入量(不少于30 kg/环，可根据实际情况加大注入量)，防止地下水及浆液从盾尾流失。控制盾尾油脂注入压力，防止压力过大击穿盾尾。

8) 二次注浆。根据断面监测情况，在离盾尾5环以外组织注双液浆稳固地层，控制地表沉降，二次注浆作为一道工序组织施工。

2.3 智能式自行台车支撑研发

受工期和施工组织影响，上下重叠隧道必须保证同时施工，而采用传统钢支撑加固工艺不能满足上下隧道同时施工的要求，因此必须设计一套新型支撑系统，作为盾构隧道施工的安全储备，该系统需满足以下要求：

1) 在支撑下部隧道的同时，不能影响下部隧道的正常施工。

2) 支撑系统的长度需满足上部隧道施工对下部隧道的影响范围要求，即前刀盘前15 m至盾尾后30 m。

3) 支撑系统轴力能根据监测的变形数据自由调整。

4) 支撑系统能随上部盾构同步自行移动。

5) 支撑系统能提高下部既有隧道刚度，减小其垂直弯曲变形量，抵抗上方隧道施工过程中，盾体下方既有隧道管片环缝之间因垂直错动而产生的剪力。

根据以上要求，项目部设计了1台智能式、自行移动支撑台车，并在上部隧道施工前，采用移动台车对下部隧道进行支撑。移动台车在上部隧道施工过程中, 采用“被动支顶、密贴管片”的方式跟随上部盾构前移，同时在支撑千斤顶上设置5个光纤光栅应变传感器(如图5所示)，利用光纤光栅解调仪进行数据收集和监测，及时根据监测数据智能自动调整支撑轴力。

图5 支撑台车监测方案示意图

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，如图6所示。支撑台车在外力推动下，根据上部隧道的掘进速度可实现不卸力向前移动。

(a) 支撑台车工作状态纵向示意图

(b) 支撑台车工作状态横向示意图

2.4 重叠、交叉段隧道注浆加固

1) 注浆加固。区间隧道同步注浆完成后，对所有重叠段盾构周圈3 m范围内土体进行二次注浆加固，加固后的土体应具有良好的均匀性和较小的渗透系数，加固强度为0.2～0.3 MPa，如图7所示。

2) 管片设计。重叠段区域混凝土管片设10个注浆孔，6个兼作吊装孔，每环管片共设计16个注浆孔。

3) 重叠段注浆加固施工。交叠注浆加固采用双液浆，初凝时间控制在30～60 s，体积收缩率小于5%。

2.5 沉降控制与注浆加固

地铁5、6号线环—宾区间沿线有大量老旧建构筑物，需先后经过5号线、6号线左右线4次施工扰动。经前期建模计算，最终理论沉降达43 mm，超出设计及规范要求，因此必须采取措施控制盾构掘进对周边的影响。经研究论证除采取控制土舱压力、出土量、注浆量并及时进行二次注浆等常规措施外，采用在盾构中体注入一种新型材料——克泥效，以减小盾构上方的沉降。

图7重叠段注浆范围示意图

Fig. 7 Schematic of grouting scope for overlapping tunnels

穿越建筑物群时利用盾构中体预留注浆孔注入克泥效，填充开挖面与盾构之间的空隙，以减小盾构上方的沉降。

如图8所示，对于在隧道1倍洞径之间内建构筑物提前预埋袖阀管，进行预注浆。后期施工中及时根据监测数据进行跟踪注浆。

3 工程实施效果

3.1 监测断面选取

根据本工程隧道群的线型特点及施工过程中相互影响程度，选取10个典型断面(见图9)进行监测，每个断面连续监测2环管片，监测范围取典型断面前后50 m。先行隧道施工至典型断面时首先取得初始值，后行隧道通过典型断面时对管片的受力、位移及地表变形情况进行监测，同时对重叠隧道的受力及变形情况进行监测。

3.2 监测项目

交叉、重叠隧道段监测项目如表3所示。

3.3 监测结果

以受力情况较为复杂的5、6号线环—宾区间为例，最后一条隧道(6号线环—宾区间右线，由宾馆西路站向环湖西路站掘进)穿越5号线环—宾区间交叉点附近的5—10号6个断面。其中，工况1： 6号宾—环右线(上部隧道)穿越第8断面；工况2： 6号宾—环右线(上部隧道)穿越第7断面。

(a) 位置1(b) 位置2(c) 位置3

图8地面袖阀管注浆加固示意图(单位： m)

Fig. 8 Grouting by sleeve valve pipes (unit: m)

根据监测原则，对管片钢筋应力、管片迎土面土压力、管片环缝应变、地面沉降、隧道位移共分3个阶段进行监测，分别是穿越前、穿越中和穿越后。现场专职人员根据不同阶段的监测频率进行实测，做好监测报表及折线图，供信息化施工决策。

表3 监测项目与方法

3.3.1 管片钢筋应力监测

工况1(管片304环、305环)、工况2(管片480环、481环)盾构隧道钢筋应力计布置及监测成果如图10所示。

由监测结果可知： 1)上部隧道通过时，对下部隧道管片钢筋应力基本无影响(0～2 kPa)； 2)断面8的下部隧道管片中钢筋应力(2～19 kPa)和断面7的下部隧道管片中钢筋应力(3～17 kPa)应力数值整体相当。

3.3.2 管片土压力监测

工况1(管片304环、305环)、工况2(管片480环、481环)的土压力盒布置及监测成果如图11所示。

由监测结果可知： 1) 从土压力历时曲线可以看出，上部隧道通过时，对下部隧道的迎土面的土压力基本无影响； 2) 上部隧道对下部隧道的土压力影响范围在0.03～0.05 MPa。

(a) 钢筋应力计布置

(b) 工况1 (8号断面)

(c) 工况2 (7号断面)

3.3.3 管片环缝应变监测

工况1(管片304环、305环)、工况2(管片480环、481环)环缝应变片布置及监测成果如图12所示。

由监测结果可知： 1)上部盾构穿越过程中，下部隧道管片环缝整体呈受拉趋势，约占总数88%; 2) 上部盾构穿越过程中，下部隧道管片环缝应变值变化较小，相应的应力范围为-17.99～73.28 N。

(a) 土压力盒布置

(b) 工况1 (8号断面)

(c) 工况2 (7号断面)

3.3.4 地表沉降监测

工况1(管片304环、305环)、工况2(管片480环、481环)地表沉降点布置及监测成果如图13所示。

由监测结果可知： 1)盾构穿越前(刀盘前方)地表成隆起趋势(0.0～1.8 mm)； 2)盾构穿越过程中盾构上方地表有一定的沉降趋势(沉降量-1.0～-5.2 mm); 3)盾构穿越后1—3 d沉降最大(累计-20.55 mm)后期逐渐趋于稳定； 4)盾构施工时隧道中线位置地表变形叠加效应显著。

(a) 环缝应变片布置

(b)工况1 (8号断面)

(c) 工况2 (7号断面)

Fig. 12 Monitoring of strain of circumferential joints of segment rings

(a) 地表沉降点布置

(b) 8号断面中线点地面累计沉降趋势图

(c) 8号断面横断面地面沉降图

(d) 7号断面中线点地面累计沉降趋势力

(e) 7号断面横断面地面沉降图

图13地表沉降监测图

Fig. 13 Monitoring of ground surface settlement

3.3.5 隧道位移监测

工况1(管片304环、305环)、工况2(管片480环、481环)隧道位移监测点布置及监测成果如图14所示。

由监测结果可知： 1) 上部隧道掘进过程中，下部隧道呈向上部隧道位移的趋势； 2) 上部隧道掘进时，对下部隧道位移影响较小，一般在0.6～-0.6 mm。

3.4 数据分析

1)通过重叠段注浆等技术，下部隧道管片内部钢筋应力变化在20 kPa以内，管片迎土面水、土压力变化在0.05 MPa以内，可认为重叠段上部隧道施工对下部隧道管片内力和管片迎土面水、土压力的影响几乎为零，注浆效果明显。

2)通过在类似条件下对盾构中体注入克泥效和不注入克泥效的监测数据对比分析可知，在盾构中体注入克泥效可将沉降有效降低2～5 mm。

3)交叉、重叠隧道群沉降槽宽度约为隧道中线左右25 m，长度为刀盘前方15 m, 盾尾后30 m。

4)随着上部隧道的盾构开挖施工，下部隧道有向上部隧道开挖面位移的趋势。

(a) 隧道位移监测点布置

(b) 工况1水平位移

(c) 工况1垂直位移

(d) 工况2水平位移

(e) 工况2垂直位移

图14隧道位移监测图

Fig. 14 Tunnel displacement monitoring

4 结论与建议

施工中根据监测数据和受力情况，通过工序的合理安排和有序衔接，研发智能台车支撑，采用同步注浆和二次注浆技术，克服了上、下重叠隧道的同步作业相互影响的若干问题，保证了隧道群的安全，提高了盾构隧道施工速度。对管片外水土压力、管片应力、管片之间的受力进行有效监控量测，为分析交叉、重叠隧道的受力研究提供了依据。综合分析“先上后下”和“先下后上”施工方式对沉降影响和其风险因素，一般情况下采用“先下后上”施工原则比较合理。盾构区间交叉、重叠隧道施工采用地面预注浆、跟踪注浆、洞内注入克泥效和多孔注浆、控制掘进参数及出碴量等措施，能有效控制隧道自身及地面变形，减少对相邻隧道或建筑物的沉降或位移影响。通过在下部隧道加设智能式自行台车支撑，能提高下部区间隧道变形控制能力。移动支撑台车仅作为有效控制隧道变形和地表沉降的安全储备。“先上后下”的施工方案在理论和实践具有可行性，但需做好精确的施工监测和控制措施。

通过总结形成了一套完整的富水软弱地层中交叉、重叠麻花型盾构隧道群施工技术，可为类似隧道群的盾构始发、掘进、接收施工提供技术支撑。