地铁小净距浅埋叠落隧道的施工开挖步序研究

地铁小净距浅埋叠落隧道的施工开挖步序研究

樊鑫尚

中铁七局集团西安铁路工程有限公司陕西西安710032

摘要：以大连地铁河口站站后折返线及高河区间正线隧道三线并行的小净距浅埋叠落隧道为研究对象，对4种不同开挖步序的工法采用MIDASSoilWorks（迈达斯）软件进行建模分析研究，重点研究4种开挖步序工法对地表沉降、最大位移及各隧道导洞间的相互影响，得出最优的群洞施工开挖步序。

关键词：地铁；小静距；浅埋；隧道；群洞；步序

导言：随着社会的发展，地铁成为各大中城市交通首先，将掀起地铁建设高潮，每个城市地质情况差异很大，相应的施工工法需做调整和优化。大连是个山城，地质主要以岩石为主，在目前全国修建地铁的城市中，是少有以爆破开挖为主，爆破振动对地下工程施工影响很大。地铁小净距浅埋叠落隧道的施工技术不是单个隧道的简单叠加，施工的理想状态是施工任何一条隧道时对其他相邻隧道及地面建构筑物都不会产生任何影响，相当于进行一条独立的单洞隧道的施工。事实上，这种理想状态是不可能出现的，但这种理想状态指出了浅埋叠落隧道施工的关键原则：尽量避免和减少对相邻隧道的扰动和影响。因此施工中通过对群洞浅埋叠落隧道施工开挖步序的研究，后续施工隧道对已施工隧道的影响减少到最少，具有很重大的意义。

1工程实例

1.1工程概况

大连地铁河口站站后折返线隧道与高河区间地铁正线隧道三线并行段，因受线路及地形地貌的限制，设计为小净距浅埋叠落隧道。河口站站后折返线隧道采用“CRD法”进行施工，设计长度330.731米。设计标准断面尺寸为11.9米（宽）*9.7米（高），埋深9.3~10.7米，且上方为正在运营的202路轻轨线路。隧道沿旅顺南路走行，在平面上设置一段圆曲线。洞身最大埋深11.5m，整体埋深较浅。

该隧道与高河区间地铁正线隧道在左DK22+380.00~左DK22+498.662、右DK22+399.00~DK22+520.00处为小净距叠落，小净距叠落范围为里程DK0+199.366~DK0+313，共计约113.634米，水平最小距离为3.854米，竖向最小距离为1.824米。

1.2工程地质条件

大连市规划区内分布的底层有第四系全新统堆积层（Q[4]（ml））、第四系全新统海积层（Q[4]（m））、第四系全新统冲洪积层（Q[4]（al+pl））、青白口系桥头组石英岩板岩互层（Q[nq]）、震旦系长岭子组板岩（Z[whc]）。

河口站站后折返线隧道大多穿行于震旦系长岭子组板岩（Z[whc]），其中以震旦系长岭子组中风化板岩为主，局部穿越震旦系长岭子组强风化板岩。

震旦系长岭子组强风化板岩：灰黄色，碎裂结构，矿物成分显著变化，节理裂隙发育，岩芯呈碎屑状，遇水软化。层厚0.60~14.00m，层底标高-2.58~11.69m。

震旦系长岭子组中风化板岩：灰黑色，板状构造，岩石风化裂隙较发育，矿物主要为云母、石英，局部夹石英岩脉，岩芯呈饼状、短柱状。该层于起点折返线及地下区间区段普遍分布，揭露层顶高程-11.49～11.69m，层顶埋深5.00～20.00m。根据岩石抗压强度结果，本场地中等风化板岩为较软岩，岩芯较破碎，岩石质量等级为Ⅳ级。

1.3水文地质条件

大连市的气候属温带季风气候，并具有海洋影响的特点。冬季气温较低，降水少。夏季气温较高，降雨集中，较多。气候和降雨量随冬、夏季风的转换而变化。每年5-9月为雨季。本场地地下水性质为潜水，按赋存条件划分为基岩裂隙水。

河口站站后折返线隧道基岩裂隙水主要赋存于岩体的风化、构造裂隙中，基岩裂隙中，水量随节理裂隙的发育情况而变化，水量较少-中等，富水性极不均匀，隧道开挖时可发生涌水、渗水及滴水现象。局部裂隙发育带及断层带，基岩裂隙水具承压性，水量丰富。勘察期间稳定地下水位埋深8.20~25.00m，水位高程2.52~18.17m。

1.4设计支护参数

超前支护：拱顶120°范围采用Φ42小导管（t=3.25）超前支护并预注浆加固地层，根据地层情况选用改性水玻璃或水泥水玻璃浆液，浆液配合比应在现场根据土层情况确定，小导管长L=2.5m，环向间距300mm，倾角10~15°，纵向间距1.0m。

初期支护：C25早强网喷混凝土＋钢筋格栅，格栅间距0.5m。

钢筋网：双层钢筋网，规格Φ6.5@150mmX150mm。

二次衬砌：C30P10防水钢筋混凝土

仰拱填充：C25混凝土

锁脚锚管：台阶处设Φ42X3.25（外径X壁厚）锁脚锚管，每侧设两根L=3.5m，并注浆加固地层。

2群洞施工开挖步序研究

小净距浅埋叠落隧道因洞口较多，每个隧道开挖施工均会对已施工完成隧道和地表造成影响，每种施工先后顺序的选择造成地表沉降及变形均不一样，所以群洞施工中施工歩序的选择非常重要。本工程选用4种方案，每种方案建立模型，通过MIDASSoilWorks（迈达斯）软件软件，利用有限元进行分析，引起地表沉降及变形最小的施工方案为本工程群洞施工歩序。

2.1施工方案建立

由于河口站站后折返线大断面隧道结构比较复杂，施工工序繁琐，施工难度高，施工工期长，且施工环境复杂（与临近正线地铁隧道小净距、穿越既有202轻轨线路），所以选择一个好的施工方案对优质高效完成该段隧道施工尤为重要。选择施工方案时主要考虑以下几个方面：1、施工安全和结构安全；2、施工难度；3、施工周期；4、经济效益。本着这四个原则，经过施工方案的研究和论证，选出下面四个施工方案进行甄选。

第1种方案开挖顺序（工法1）：开挖顺序依次为折返线大断面隧道左上导洞、折返线大断面隧道左下导洞、折返线大断面隧道右上导洞、折返线大断面隧道右下导洞、地铁左线隧道、地铁右线隧道。

第2种方案开挖顺序（工法2）：开挖顺序依次为折返线大断面隧道左上导洞、折返线大断面隧道右上导洞、折返线大断面隧道左下导洞、折返线大断面隧道右下导洞、地铁左线隧道、地铁右线隧道。

第3种方案开挖顺序（工法3）：开挖顺序依次为地铁左线隧道、地铁右线隧道、折返线大断面左上导洞、折返线大断面左下导洞、折返线大断面右上导洞、折返线大断面右下导洞。

第4种方案开挖顺序（工法4）：开挖顺序依次为地铁左线隧道、地铁右线隧道、折返线大断面左上导洞、折返线大断面右上导洞左下导洞、折返线大断面左下导洞、折返线大断面右下导洞。

2.2有限元法理论分析

以上4种方案分别采用MIDASSoilWorks（迈达斯）软件进行分析，SoilWorks是在岩土领域的教授以及业界相关设计人员的帮助下开发的二维岩土分析与设计整体解决方案，程序不仅采用了MIDASIT独有的图形处理、网格划分、数值分析技术，而且结合了隧道、边坡、固结、基础、渗流、动力分析等专业方面的最新的分析与设计技术，力求为用户提供一款专业、实用、高效、方便的岩土分析与设计整体解决方案。主要分析每种方案洞室的开挖对地表产生沉降及变形情况，经过综合分析，选择沉降和变形最小的为最优施工方案。

2.2.1模型建立

大隧道断面为5心拱形，最大跨度为11.90m，高度为9.702m，拱顶距离地表最近距离为9.83m。左右小隧道断面为5心拱形，最大跨度为6.30m，高度为6.51m，拱顶距离地表最近距离为17m，工程地质和支护情况采用勘察报告和设计文件。建立模型尺寸长度为80m，深度为50m，模型比例为1：1，上覆岩层依次为厚度为1.10m的素填土、厚度为2.9m卵石淤泥质粘土、厚度为7.0m强风化板岩及厚度为14.25m的中风化板岩，其余以中风化板岩补齐，划分单元为16300，节点113029个。素填土及淤泥质粘土层松散介质，满足弹性介质，强风化板岩及中风化板岩看做摩尔库伦介质。初期支护及二喷看做梁单元，共计8780个，网格划分见图1所示。边界条件采用左右及底部固定。

图1不同工法的岩土体建模

2.2.2计算结果分析

对4种工法（施工开挖步序）的计算结果进行比较，如表1所示：

表1不同工序计算结果比较

通过分析表中的数据，可以得出如下结论：

1、工法1中开挖引起的地表沉降的影响范围为56.29626m，地表沉降最大值出现在隧道中心线上方，为-8.62mm。

2、工法2中开挖引起的地表沉降的影响范围为54.097m，地表沉降最大值出现在隧道中心线上方，为-10.42mm。

3、工法3中开挖引起的地表沉降的影响范围为40.457m，地表沉降最大值出现在隧道中心线上方，为-6.21mm。

4、工法4中开挖引起的地表沉降的影响范围为45.357m，地表沉降最大值出现在隧道中心线上方，为-10.73mm。

综合分析可知，采用第3种工法进行的开挖步序最合理。

2.3群洞施工步序选择

根据以上4中不同工法（隧道不同开挖顺序）的计算结果和分析得出，并结合河口站折返线区间隧道与地铁正线隧道的实际情况，特制定如下群洞开挖施工步序：地铁左线隧道、地铁右线隧道、折返线大断面左上导洞、折返线大断面左下导洞、折返线大断面右上导洞、折返线大断面右下导洞。

3结束语

总而言之，通过对小净距浅埋叠落隧道的施工开挖步序进行研究，对施工中各种可能的开挖步序方案进行比选，得出了满足结构安全、施工进度和经济效益好的技术方案，可为今后类似工程的设计和施工提供借鉴和参考。

参考文献：

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