深圳地铁并行叠落隧道施工相互影响的数值模拟分析

孙 波，肖龙鸽，江 华，孙正阳，李邵庭

(1.深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518026;2.中建南方投资有限公司，广东深圳 518026; 3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;4.中建交通建设集团有限公司，北京 100044)

0 引言

城市化进程不断发展，城市轨道交通因其具有运量大、速度快、安全、准点、环保和节约用地等优点，逐渐成为了缓解城市交通拥堵、提高城市运行效率和城市公共服务水平的主要途径。因此，在今后几十年的时间里，城市轨道交通将成为我国政府主导投资建设的发力点。

城市地铁形成了地下交通网络，受地下空间的局限性以及地质、水文等客观条件的复杂性等影响，越来越多的城市在建地铁与既有线或者规划线出现交叉或者上下并行叠落相加的情况。在这种施工条件下，如何保证既有隧道的安全以及规划线路的相互干扰是至关重要的，国内外对于此类工程已有一定的研究［1－8］，如白冰等［1］运用ANSYS软件建立仿真模型，研究了列车振动作用对叠落隧道的影响，为运营隧道安全和环保提供了技术保障。刘卫铎［2］采用超前爆破技术、对爆破质量进行控制、对施工进行监控等保证了矿山法叠落隧道的施工。范永波等［3］采用数值模拟软件研究分析了交叉并行叠落隧道。潘秀明等［4］采用数值模拟软件研究分析了盾构叠落隧道。黎杰等［5］采用数值模拟软件研究分析了叠落隧道列车载荷对衬砌结构的影响。关于盾构隧道正交及近似正交下穿或上跨既有线隧道也有很多的数值模拟研究，李磊等［6］对上海地铁某区间段近距离叠交盾构施工对既有隧道的影响进行了研究。张瑾［7］等通过对暗挖法施工隧道下穿既有隧道的数值模拟得出由于先后2次施工的扰动会增大围岩塑性区体积，导致新旧隧道的塑性破坏区相互连通，使得穿越段上方地表沉降槽显著增大的结论，并提出在下穿之前有必要对上部隧道进行预先加固处理。张成平等［8］通过对北京地铁5号线的实测研究发现施工引起的既有地铁隧道结构变形以沉降为主，沉降主要发生在导洞施工阶段。

上述研究虽均对叠落隧道进行了研究，但与本文研究重点与工况有所不同。深圳地铁9号线银湖站西端与后期建设6号线存在五线并行叠落隧道，9号线建设期间同期施工，施工过程前期采用数值模拟分析，着重对盾构法与矿山法隧道并行叠落施工的力学行为和变形特征进行了深入探究。

1 工程概况

1.1 同期建设规划线路交叉重叠段的设想

深圳地铁9，6号线为深圳地铁3，4期工程中的规划线路;其中9号线已于2012年正式开工，预期2016年底正式投入使用，6号线规划建设时间为2014—2019年。

基于后期建设隧道对运营隧道的影响，深圳地铁提出了同期建设叠落并行区段的设想，主要涉及建设6号线南延段(如图1所示)与7，9，11号线同期建设。

1.2 五线并行段概况

银湖站原设计为地下2层车站，因受6号线南延段影响，将其变更为6，9号线换乘3层车站，在银湖站处，6号线埋深18.2 m，9号线埋深10.8 m。

银湖站西端原设计有负2层9号线左、右线以及出场线共3条隧道，加上负3层6号线左、右线，共5条隧道;银湖站西端头呈五线并行叠落，并逐渐分开，如图2所示。

根据钻孔揭示，场地岩土分层及特征自上而下为:素填土〈1－1〉;粉质黏土层〈3－2〉;中粗砂层〈3－4〉;可塑状残积砂质黏性土(砾质黏性土)〈6－1〉;硬塑状残积砂质黏性土(砾质黏性土)〈6－2〉;混合岩全风化带〈11－1〉(Z);混合花岗岩强风化带〈11－2〉(Z);混合岩中风化带〈11－3〉;混合岩微风化带〈11－4〉(Z);9号线与6号线位置关系及地层分布如图3所示。

图1 6号线南延段示意图Fig.1 Sketch of south extension section of Line 6 of Shenzhen Metro

图2 银湖站西端头五线并行叠落示意图(单位:mm)Fig.2 Sketch of 5 parallel overlapping Metro lines to the west end of Yinhu station(mm)

图3 9号线与6号线叠落位置地质情况Fig.3 Geological conditions of overlapping section of Line 9 and Line 6 of Shenzhen Metro

区间终点里程段属山前冲积地貌，地下水位埋深0.00～11.00 m，标高22.32～37.57 m，平均标高29.58 m。

1.3 同期建设的重要意义

调整后的设计线路，6号线在负3层、9号线在负2层，如先期完成9号线建设，6号线将在9号线运营隧道下并行叠落穿行施工，将极大程度地增加施工难度，同时由于6号线大部分位于岩石地段，对9号线的运营安全风险更大，因此采用同期施工，以更大程度降低将来运营隧道的安全风险。

2 五线并行叠落模拟分析及工法研究

2.1 五线并行叠落工况分析

理论及实践经验表明，并行叠落隧道在上下隧道中心轴线重合(间距最近)时，相互间影响最大［2］;故本文仅考虑叠落隧道中心轴线重合的情形，即节点1至节点4，如图4所示。

图4 银湖站西端头并行叠落工况示意图Fig.4 Critical positions of parallel overlapping tunnels to the west end of Yinhu station

选取2014年12月31日银湖站西端隧道实际施工进度情况进行数值模拟，具体进度情况如下:6号线矿山法隧道图4中浅紫色部分已施作完成二次衬砌，图4中黄色部分尚未施作二次衬砌;9号线左线(上)盾构已于2014年12月15日完成始发，右线(下)盾构于2015年1月15日始发;出场线盾构施工进度较为滞后，预计将在6号线矿山法隧道施作完成之后方进行盾构施工。

选取以下3种情况进行研究:

1)节点1(节点4):9号线盾构上跨6号线矿山法隧道(已施作二次衬砌)，为更好的研究，分别取6号线矿山法隧道二次衬砌强度为100%，80%和60%;

2)节点2:9号线盾构上跨6号线矿山法隧道(未施作二次衬砌);

3)节点3:6号线矿山法下穿9号线盾构隧道。

2.2 五线并行叠落模拟分析

2.2.1 模型建立

建立地铁隧道施工二维数值模型进行计算分析。模型中，土体用二维平面四边形应变单元(CPE4)模拟，X方向为水平方向，Y方向为竖直深度方向，Z方向为隧道掘进方向。模型尺寸X方向取60 m，Y方向取50 m。9号线管片外径为6 m，开挖直径取6.28 m，其中0.28 m为盾构开挖直径与管片外径的差值，用同步注浆填充;6号线为马蹄形隧道，初期支护厚度0.3 m，二次衬砌厚度0.35 m，二次衬砌完成后隧道拱顶底板间净距5.5 m，左右间距5.2 m。基于隧道的相对位置关系和地质等客观条件，分别建立模型并划分网格，如图5—7所示。其中，盾构隧道上跨和矿山法隧道下穿净距分别为1.39 m和1.28 m。

图5 节点1和节点2处断面模型Fig.5 Model of parallel overlapping tunnels at critical positions 1 and 2

图6 节点4处断面模型Fig.6 Model of parallel overlapping tunnels at critical position 4

图7 节点3处简化模型Fig.7 Simplified model of parallel overlapping tunnels at critical position 3

盾构管片、衬砌和注浆层选用线弹性材料，设计计算参数如表1所示。土体选用M－C模型，土层厚度根据地质勘察报告提供的地质断面图确定，计算参数如表2所示。

对于二维平面问题，每点均具有2个单独的自由度，为了减少边界效应，并且能够更好地模拟工程实际情况，分析时采用齐次边界条件，在模型左右边界施加X向的水平约束;模型的上边界取自由边界，下边界取固定边界。刀盘通过时在隧道范围内施加体力，台车通过时体力减小为20 kPa，注浆压力为300 kPa。

表1 数值模拟中衬砌结构的计算参数Table 1 Parameters of lining used for numerical simulation

2.2.2 数值模拟过程分析

1)9号线盾构上跨已施作二次衬砌的6号线矿山法隧道。9号线盾构隧道开挖模拟包括盾构施工时振动、盾构刀盘与台车集中荷载以及开挖后同步注浆对既有6号线隧道的影响。

该部分模拟含有5个分析步，时长总计为9:第1步为地应力平衡步，时长为1，模拟初始地应力状态;第2步模拟盾构施工产生的振动，时长为5，X方向和Y方向各施加一个0.1g振幅的正弦函数［5］;第3步模拟盾构刀盘集中荷载，时长为1，在开挖区施加相当于盾构质量的体力;第4步模拟盾构台车荷载并加入衬砌和同步注浆，时长为1;第5步模拟盾构隧道开挖完成后的最终状态。

由数值模拟计算得到的数据分析可知，3种情况下各项指标基本一样，差值在0.1 mm左右，如图8—10所示。围岩稳定后位移云图亦大致相同，差值在0.1 mm以内，位移云图如图11所示。

9号线盾构施工刀盘震动时，6号线矿山法隧道拱顶最大上浮量为0.6 mm，底板最大上浮量为0.3 mm;盾构刀盘通过时，拱顶最大沉降量为3.0～3.3 mm (60%强度最大)，底板最大沉降量为1.4～1.5 mm (100%强度最大);盾构台车通过时，拱顶沉降量为0.1～0.2 mm(60%强度最大)，底板沉降量几乎为0;盾构完全通过后，拱顶最大上浮量为2.7～2.9 mm (60%强度最大)，底板最大上浮量为1.2～1.3 mm (100%强度最大)。

图8 二次衬砌强度达设计值100%时6号线竖向位移Fig.8 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 100%of the design value

图9 二次衬砌强度达设计值80%时6号线竖向位移Fig.9 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 80%of the design value

2)9号线盾构上跨未施作二次衬砌的6号线矿山法隧道。本部分与1)模拟大致相同，区别在于不加入二次衬砌单元，且假定此时6号线隧道周围围岩应力已完全释放。由数值模拟计算得到的数据分析可知，9号线盾构施工震动时，6号线矿山法隧道拱顶最大上浮量为0.8 mm，底板最大上浮量为0.2 mm;盾构刀盘通过时，拱顶最大沉降量为5.8 mm，底板最大沉降量为0.8 mm;盾构台车通过时，拱顶沉降量为1.3 mm，底板上浮量为0.1 mm;盾构完全通过后，拱顶最大上浮量为3.6 mm，底板最大上浮量为0.8 mm，如图12所示。

图10 二次衬砌强度达设计值60%时6号线竖向位移Fig.10 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the strength of the secondary lining reaches 60%of the design value

图11 围岩稳定后位移Fig.11 Displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro when the surrounding ground becomes stable

图12 未施作二次衬砌时6号线竖向位移Fig.12 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro without secondary lining

3)6号线矿山法下穿9号线盾构隧道。6号线矿山法隧道开挖模拟包括超前小导管注浆加固、上台阶开挖、隧道上部施加初期支护、下台阶开挖、隧道下部施加初期支护、整体施加二次衬砌及施工步围岩应力释放对既有9号线隧道的影响。

本部分模拟含有9个分析步:第1步为地应力平衡步，时长为1，模拟初始地应力状态;第2步模拟超前小导管注浆加固，时长为1，提高隧道上半部外侧围岩的弹性模量和密度;第3步模拟上台阶开挖，时长为1，衰减开挖区弹性模量和密度，通过分步衰减弹性模量及密度以模拟应力释放过程;第4步模拟施加上台阶初期支护，时长为1，激活上台阶初期支护单元;第5步模拟下台阶开挖，时长为1，衰减开挖区弹性模量和密度，通过分步衰减弹性模量以模拟应力释放过程;第6步模拟施加下部初期支护，时长为1，激活下部初期支护单元;第7步模拟施作初期支护至施作二次衬砌的间隔时间内围岩的应力释放，时长为1，分步衰减弹性模量及密度;第8步模拟作做二次衬砌，时长为1，激活二次衬砌单元;第9步模拟二次衬砌施加完至隧道变形完全收敛之间的应力释放，时长为1，移除开挖区全部单元。

由数值模拟计算得到的数据分析可知，6号线超前小导管注浆加固时，9号线盾构隧道管片顶部上浮量为0.3 mm，底部上浮量为0.5 mm;断面开挖完成(不考虑时间效应)并施加初期支护后，管片顶部沉降量为2.1 mm，管片底部沉降量为2.4 mm;隧道施工完成且围岩变形稳定后，顶部沉降量为2.5 mm，底部沉降量为2.9 mm，如图13所示。

图13 6号线施工引起的9号线隧道竖向位移Fig.13 Vertical displacement of tunnel of Line 9 of Shenzhen Metro caused by construction of tunnel of Line 6

2.2.3 竖直模拟结果分析

1)对比二次衬砌强度不同时9号线盾构对既有6号线隧道拱顶和底板的竖向位移影响，由图14和图15曲线可知，随着二次衬砌强度的增加，6号线隧道竖向位移变化不明显，总体趋势为拱顶位移量减小，底板位移量增加。

图14 二次衬砌强度不同时6号线拱顶竖向位移对比Fig.14 Settlement of crown of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with different strengths of secondary lining

图15 二次衬砌强度不同时6号线底板竖向位移对比Fig.15 Vertical displacement of floor of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with different strengths of secondary lining

2)对比二次衬砌强度达到设计值100%时和未施作二次衬砌时9号线盾构对既有6号线隧道拱顶和底板的竖向位移影响，由图16和图17曲线可知，二次衬砌完成后隧道拱顶上浮量为3.0 mm，底板上浮量为1.5 mm，未施作二次衬砌时6号线隧道拱顶上浮量升至5.8 mm，底板上浮量降至0.7 mm，盾构上跨未施作二次衬砌与已施作二次衬砌的6号线矿山法隧道相比，隧道竖向位移变化较明显，趋势为拱顶位移量增加，底板位移量减小。

3)6号线矿山法隧道下穿既有9号线盾构隧道时，既有9号线呈现出沉降的趋势，9号线管片底部最终沉降量达2.9 mm。

3 施工组织原则与关键技术

根据上述数值模拟计算结果可知:9号线盾构隧道和6号线矿山法隧道严格按设计要求进行施工时，叠落施工的风险是可控的，新建隧道上跨或下穿既有隧道时，既有隧道的变形均能控制在合理范围内。在实际施工过程中，应注意以下施工组织原则与关键施工技术的控制。

3.1 施工组织原则

施工组织应遵循“先下后上”的原则，并保证下部暗挖隧道完成二次衬砌，确保二次衬砌的强度达到60%以上。

图16 有无二次衬砌情况下6号线拱顶位移对比Fig.16 Settlement of crown of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with/without secondary lining

图17 有无二次衬砌情况下6号线底板位移对比Fig.17 Vertical displacement of tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro with/without secondary lining

3.2 施工关键技术

1)对已完成二次衬砌段采用模板台车进行同步支撑，即将10 m长的台车在盾构主机通过段起到支架作用。

2)9号线盾构隧道与6号线矿山法隧道的最小净距较小，最小净距分别只有1.39 m和1.28 m，因此叠落施工段暗挖隧道采用密排超短小导管，小导管长度2 m，保证外插高度不大于50 cm，保证盾构通过时减少对暗挖隧道的影响。

3)9号线盾构施工参数宜小不宜大，推力不大于9 000 kN，土压力按主动土压力设置，推进速度2～3 cm/min，尽可能减少对6号线隧道的影响。

4)9号线盾构施工同步注浆要及时，二次注浆根据监测数据及时调整。

5)盾构通过时在暗挖隧道段设置拱顶、底部的沉降监测点，以指导修正施工参数。

4 现场应用情况与效果

9号线左线盾构于2015年1月31日完成重叠段上跨通过，右线盾构于同年2月22日完成重叠段，采取措施后盾构通过时暗挖隧道已全部完成了二次衬砌，二次衬砌的完成时间为1个月左右，期间在6号线共设置10个监测断面，并采用移动模板台架承受部分盾构通过时的上部压力，以减少对既有6号线隧道的影响，同步注浆采用快硬技术，尽快将管片与周边土层形成受力整体。根据现场监测结果可知，6号线隧道底部沉降与上浮呈正态分布(如图18所示)，6号线隧道拱顶存在1～2 mm的整体上浮，与2.2.2的计算结果相比略有减少，说明采用整体模板台车在通过时进行支顶具有一定的限制隧道变形的作用。

图18 盾构并行穿越过程对6号线隧道的影响Fig.18 Influence of shield boring on tunnel of Line 6 of Shenzhen Metro

5 结论和展望

1)对于新建盾构隧道上跨既有矿山法隧道的工程，二次衬砌对限制隧道竖向位移有重要意义，总体趋势为:二次衬砌强度越高，隧道整体刚度越大;当矿山法隧道二次衬砌钢筋混凝土结构强度达到设计值的60%以上时，可保证既有隧道在新建隧道施工工程过程中的安全。

2)新建盾构隧道在开挖过程中，当位于其下方的既有矿山法隧道尚未施作二次衬砌时，既有矿山法隧道拱顶上浮量较大，底板上浮量较小，初期支护可能出现较大裂纹。

3)基于数值模拟的理论研究以及现场施工实践，探究了盾构法和矿山法隧道叠落施工的关键技术。深圳地铁9号线建设充分考虑后期6号线建设，将与之重叠建设部分前移与9号线同期建设，大大减少了后期6号线建设时对9号线运营隧道的影响，对今后城市地铁规划与建设计划具有重要指导意义。

4)本文研究计算基于二维模拟分析，计算结果显示矿山法施工对既有盾构法隧道影响较大，围岩力学行为更加复杂，施工过程中围岩的应力释放系数难以确定;不过这种影响在依托工程现场施工没有得到实例验证，需在以后类似工程中进一步研究验证，同时可开展三维计算进行更深入的研究。

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