地铁区间小净距叠交隧道设计与施工技术

刘海智，叶建忠，付艳军

（浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006）



地铁区间小净距叠交隧道设计与施工技术

刘海智，叶建忠，付艳军

（浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006）

摘 要：小净距叠交隧道施工主要面临后建隧道对先建隧道结构影响和因地表沉降叠加引发沉降过大两大问题。文章以深圳地铁7号线红岭北站—笋岗站区间工程为背景，采取对叠交隧道夹层土体注浆加固，先建隧道内增设移动支撑台车，先建隧道管片衬砌结构加强，后建隧道盾构掘进控制技术等技术措施，有效地控制了管片变形和地表沉降，达到预期效果。

关键词：地铁；叠交隧道；施工技术

0　引言

地铁施工采用小净距叠交盾构隧道可较好地解决车站上下重叠的侧式站台、周边环境制约、道路红线狭窄以及线网换乘等工程难题，然而小净距叠交隧道施工存在较大的风险。目前，国内外学者对小净距叠交隧道的施工技术措施已进行了较多的研究，王建山[1]采用有限元方法分析了施工阶段重叠盾构隧道的相互影响；李晓霖等[2]提出了根据监测数据对 2 条盾构隧道小净距、长距离并行施工相互影响进行反分析的方法；张明聚等[3]通过现场监测，研究揭示小净距平行盾构隧道施工中，后行隧道掘进引起的先行隧道管片附加应力的变化规律。

本文以深圳地铁 7号线红岭北站—笋岗站区间工程为背景，根据现场监测结果得到叠交盾构隧道施工引起的地表沉降以及后建盾构隧道开挖对先建盾构隧道的影响，证明了通过对小净距叠交隧道范围内夹层土体注浆，先建隧道内增设移动液压支撑台车、管片衬砌和连接螺栓加强，后建隧道盾构掘进参数控制等技术措施，可以有效地控制管片变形和地表沉降。

1　工程概况

红岭北站—笋岗站区间隧道位于红岭北路与宝岗路之间，其中红岭北站为地下 3 层岛式车站，笋岗站受周边环境限制车站宽度较小，为地下 3 层侧式车站。本区间出红岭北站后，沿梅园路自西往东依次下穿梨园路、宝安北路，左、右线隧道由平行转为上下叠交，最后到达笋岗站。左线隧道由明挖+盾构法组成，其中盾构段长 416.114m。右线隧道由明挖+矿山+盾构法组成，其中盾构段长 341.494m。区间平面线间距由出红岭北站后 15.7m，至笋岗站 0m，区间平面走向详见图 1，区间小净距及叠交段断面情况见图 2～图 4。

图1　7号线红岭北站—笋岗站区间平面图

图2　区间纵断面

图3　典型横断面 1

图4　典型横断面 2

根据本区间盾构隧道工程筹划，选择先掘进下线（左线）隧道再掘进上线（右线）隧道的施工工序。区间需采用 2 台盾构机掘进，盾构机分别从笋岗站西端头井先后出发，由东向西推进至该区间明挖段接收。其中，下线（左线）盾构先行掘进，上线（右线）盾构后行掘进且与下线盾构纵向间距至少 100m。盾构隧道衬砌采用钢筋混凝土管片，每环管片由 6 块管片错缝拼装而成，管片内径为 5.4m，厚度为 300mm。管片混凝土强度等级为 C50，抗渗等级不低于 P10，叠交段管片采用 M27（标准段为 M24）弯螺栓连接。

2　施工技术措施

2.1叠交段隧道注浆加固

为了减少地表累计沉降，保证后建隧道掘进及地铁运营安全，后建隧道掘进前，需通过先建隧道管片上预留注浆孔对叠交段范围内夹层土体进行注浆加固。当后建隧道掘进完成后，再通过后建隧道管片上预留的注浆孔对夹层土体再次进行注浆加固。

2.1.1注浆位置及范围

下线（左线）隧道管片衬砌上部 180°，上线（右线）隧道管片衬砌下部 120°范围内，通过管片上预留的注浆孔（重叠段标准块及邻接块注浆孔均增加 2 处）对夹层范围土体通过预埋钢花管进行注浆加固，叠交段夹层土体注浆加固范围见图 5。

图5　叠交段加固范围示意图

2.1.2注浆参数

根据注浆压力确定每孔注浆量，为防止注浆压力过大造成管片开裂及破损，注浆压力为 0.3～0.6MPa，叠交段范围内土体均需进行加固，经加固后的夹层土体抗压强度不应低于 1 MPa。注浆量及注浆压力应根据监测到的管片变形及位移情况随时调整，防止注浆压力过大造成管片破损。正式施工前应对叠交段进行现场检测，确保加固土体范围及强度满足设计要求。

2.1.3注浆材料

采用水泥-水玻璃双液浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，具体配合比参数需根据现场实验确定。

2.2下线隧道内支撑加固

为防止上线隧道盾构推进时造成下线隧道管片变形、破损，上线隧道盾构机掘进过程中，首先确定下线隧道支撑台车与上线隧道盾构机前后位置关系，在下线叠交段对应上线掘进盾构机盾体下部及前后各 10m 采用移动液压支撑台车进行支撑（图6）。支撑台车前端距盾构机刀盘距离控制在 10～14.5m 之间，当刀盘前方对应的下线隧道支撑段只有 10m 时，上线隧道施工人员通知下线支撑台车运行人员移动叠交支撑台车，每次移动距离为 4.5m，上线隧道掘进 4.5m 后再次移动叠交支撑台车，如此反复进行。支撑台车移动时上线隧道盾构机停止掘进，并只能进行管片拼装作业，移动过程中支撑油缸压力控制在 5MPa 左右。

图6　支撑台车横断面示意图（单位：mm）

2.3下线隧道管片衬砌结构加强

为了避免上线隧道推进过程中造成下线隧道管片变形、破损，需要对管片衬砌结构及连接螺栓进行加强。对下线隧道管片主筋及分布筋进行加强，外侧主筋采用 4 根 Φ20mm + 8 根 Φ18mm（标准段为12 根 Φ16mm），内侧主筋采用 8 根 Φ20mm + 4 根Φ18mm（标准段为 6 根 Φ18mm + 6 根Φ16mm），分布筋采用 Φ12mm（标准段为Φ10mm）；管片环纵向连接螺栓加强为 8.8 级 M27（标准段为 8.8 级 M24），同时，为了增强衬砌结构的空间刚度，管片之间采用错缝拼装方式。

2.4上线隧道盾构掘进控制

2.4.1出渣量控制

为防止隧道上方土层损失造成地表沉降过大，隧道掘进时，需严格进行土方出渣记录，当每环管片出渣量大于 69.7m3时表明隧道超挖，应及时监测地表沉降，如果地表沉降加大或者沉降速率超过设计允许值，应马上关闭螺旋输送机停止出土，同时加大掌子面土仓压力，直到地表沉降控制在允许值范围内；当每环管片出渣量小于 60.4m3时，应随时监测地表隆起值防止地表隆起，如果隆起值或者隆起速率超过设计允许值，应适当降低土仓压力，一般降低数值在 0.1～0.3bar 左右。

2.4.2土仓压力设定

严格以土压平衡状态下静止水土压力计算值作为盾构掘进施工的土压设定值。掘进过程中可以根据监测数据及地质变化情况，在征得项目工程师同意下，对土压设计值进行调整和修正，以满足信息化施工需要。

2.4.3推进力和推进速度

盾构推进速度过快不利于掌子面稳定，且容易造成土仓压力值变化不均匀，盾构推进速度过慢则会加大对周边土体扰动且出渣量不容易控制。掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，盾构推进速度正常控制在 2～4cm/min 范围。

2.4.4盾构姿态控制

盾构推进过程中应严格控制盾构姿态，确保隧道实际中线与设计中线偏差在上、下、左、右均小于30mm，在圆曲线及缓和曲线段应根据具体里程来控制掘进方向和偏转角度。

2.4.5同步注浆

为尽早填充盾尾与周边土层间空隙，减少周边地层损失造成地表沉降过大危及周边环境安全，当管片脱离盾尾后，通过盾尾注浆系统（双泵四管路）对周边建筑空隙进行均匀充填。同步注浆采用单液浆，注浆压力应稍大于该点处静止水土压力之和，这样既能保证浆液均匀注入又能防止注浆压力过大造成土层劈裂和管片开裂。本区间同步注浆压力为 0.2～0.4MPa。每环管片理论注浆量 4.05m3/ 环，根据地层条件及线路情况，实际每环注浆量控制在 5.67～8.1m3/ 环，盾构注浆率取 1.4～2.0[4]。

2.4.6二次注浆

为了防止同步注浆浆液固结收缩以及注入不够均匀等因素造成地表沉降过大，需要通过管片上预留注浆孔进行二次注浆，进一步填充管片与周围土层空隙并形成密实的防水层，同时也达到加强管片衬砌结构作用。二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，具体配合比参数需根据现场实验确定。二次注浆应压注在较大空隙一侧，主要由注浆压力控制，注浆压力控制在 0.3～0.6MPa，具体控制值还应根据隧道覆土厚度、地下水压力及管片强度等进行准确设定。

图7　地表沉降时程曲线

图8　拱顶沉降时程曲线

3　后建隧道施工对地表及先建隧道影响分析

红笋区间下线隧道于 2014 年11月8日开始从笋岗站掘进，至 2015 年1月10日贯通；上线隧道于 2015 年1月10日开始从笋岗站掘进，至 2015 年2月16日贯通。

为了监测叠交段上线后建隧道开挖对下线先建隧道的影响，本文选择位于红笋区间叠交隧道段下线第 20、23、26、30 环的监测数据进行分析。施工过程中对地表沉降、下线隧道拱顶沉降以及管片钢筋应力进行监测，监测结果如图 7～图 9 所示。

（1）上线隧道盾构开挖后地表累计沉降最大值为28.7mm，位于地表沉降控制值范围内。地表在盾构机到达前由于掌子面压力有少量隆起，盾构机通过后沉降发展速率较大，后逐渐趋于平稳。

（2）各环拱顶沉降监测数据变化量较小，变化速率较慢，基本趋于正常，位于可控范围内。

（3）管片钢筋应力变化较为明显，主要是受拉，第 20 环管片钢筋累计受拉为 25.52MPa，最大变化为4MPa，第 30 环累计受拉为 28.69MPa，最大变化为2.38MPa；各环管片钢筋最大拉应力状态均发生在盾构机在上线隧道中推进至下线隧道管片对应位置时，随后钢筋拉应力逐渐减小，并趋于稳定状态。上线隧道盾构机推进到下线隧道各管片相应位置时，盾构机自重及相关施工荷载导致下线隧道各管片钢筋应力有所增加。盾构机继续向前推进时，对下线隧道管片则存在一定的卸载效应，其钢筋应力有一定程度减小，并最终趋于稳定。

图9　管片钢筋应力时程曲线

（4）以上各项监测数据分析表明，在对叠交隧道采取上述施工加固技术措施后，盾构机在上线隧道掘进的过程中，对地表沉降及叠交部分先期施工隧道管片结构均影响不大，管片受力也较均匀，均属于可控范围内。

4　结论

（1）地表沉降、先建（下线）隧道的拱顶沉降以及其管片钢筋应力，均随着盾构机在后建（上线）隧道中的位置变化而变化，最大值均发生在盾构刀盘到达其相应位置时，且随着盾构机推进而逐渐减小，并趋于稳定。

（2）采取夹层土体注浆加固，先建隧道内增设移动液压支撑台车、管片衬砌结构及连接螺栓加强，以及后建隧道盾构掘进参数控制等技术措施，可有效控制后建隧道盾构推进过程中先建隧道管片变形和地表沉降。

（3）后建隧道由于盾构机自重及相关施工荷载会对先建隧道产生挤压作用，后建盾构通过后对先建隧道衬砌结构存在一定的卸载作用。

（4）监测数据表明该工程所采用的技术措施合理、有效，可为以后类似工程的设计、施工、监测提供参考。

参考文献

[1] 王建山. 罗湖—国贸区间重叠盾构隧道施工[J]. 施工技术，2008，37（9）.

[2] 李晓霖，郭婷，惠丽萍. 小间距平行盾构隧道施工的反分析研究[J]. 地下空间与工程学报，2014，10（3）.

[3] 张明聚，赵明，王鹏程，等. 小净距平行盾构隧道施工先行隧道管片附加应力监测研究[J]. 岩土工程学报，2012，34 （11）.

[4] 宋天田，周顺华，徐润泽. 盾构隧道盾尾同步注浆机理及注浆参数的确定[J]. 地下空间与工程学报，2008，4（1）.

责任编辑 朱开明

Design and Construction Technology of Superimposed Tunnel with Small Clearance Distance in Metro Sections

Liu Haizhi, Ye Jianzhong, Fu Yanjun

Abstract:The construction of small clearance distance superimposed tunnel mainly faces the influence of the tunnel structure and the two major problems caused by the superposition of the ground surface settlement caused by the construction of the tunnel. Taking section works between Hongling North station and Sungang station on Shenzhen metro line 7 as an example, the paper discusses the grouting reinforcement on the superimposed tunnel layer soil, describes the fi rst step to use mobile support trolley in the fi rstly excavated part in the tunnel， and to start segment lining structure for strengthening, to use control technology and other technical measures in the latter excavated shield tunnel advance period, effectively control deformation of segment lining and earth surface settlement to achieve the desired effect.

Keywords:metro, superimposed tunnel, construction technology

中图分类号：U455

基金项目：浙江省科技计划项目（编号：2014C33054）

作者简介：刘海智（1988—），男，工程师

收稿日期2016-01-22