深圳市地铁集团有限公司 广东深圳 518000
摘 要：随着地下空间的开发和利用，城市地铁中上、下重叠隧道越来越多。本文运用Midas-GTS有限元软件进行数值分析，着重于研究不同施工工序对重叠隧道近接施工力学行为及对地表沉降的影响，进而指导设计和施工。
关键词：重叠隧道；地表沉降；数值分析
中图分类号：U455
一、工程概况
随着我国城市轨道交通建设的发展，地铁隧道线网的不断完善。在城市地铁修建过程中不可避免的出现了重叠隧道[1]~[2]。随着隧道开挖使围岩受到扰动，进而波及附近围岩。当隧道之间的距离很近时，附近的围岩又会对已建隧道造成影响，使得土体力学行为变得较为复杂[3]。目前，国内、外已对该类工程进行了相关研究，取得了很多成绩[4]~[5]。
深圳地铁某站为换乘站，为地下三层车站，区间线路以叠线形式出站，竖向结构净距为2.0m。这给区间盾构法施工带来一定风险。基于此本文对区间上下重叠隧道不同施工顺序对周围土体的影响以及对后施工隧道结构的力学行为进行研究。将计算结果用以设计施工，为今后此类隧道的设计提供一定的参考。
二、数值模型
本施工全过程模拟分析为二维平面分析，分析软件为Midas-GTS。运用实体单元模拟围岩；运用梁（beam）单元模拟盾构区间的管片；计算范围为水平长度100m，垂直方向从地表往下取总长50m；地应力场按自重应力场考虑；边界条件为：左右边界水平约束，下边界垂直方向约束，地表为自由面。如图1所示。
管片的砼强度为C50，在模拟过程中由于管片与管片之间的链接由螺栓构成，强度要相应的折减，折减20%。
本段区间均采用盾构法施工。施工顺序本次模拟为工法一：上洞盾构法区间先开挖下洞盾构区间后开挖；工法二：下洞盾构区间先开挖后上洞盾构区间后开挖。
三、结果分析
1、地层应力
分析工法一和工法二开挖的情况。如图2采用先上洞后下洞的施工顺序典型施工阶段地层竖向地应力场分布状况；图3采用先下洞后上洞的施工顺序典型施工阶段地层竖向地应力场分布状况。由图2和图3及相关计算结果可以得出：盾构隧道施工过程中，地应力场变化较大的区域主要集中在隧道横断面内离隧道结构距离5m的范围内。在本地质条件下采用先上洞后下洞施工顺序的底层局部最大主应力值约为55.69kPa，采用先下洞后上洞施工顺序的底层局部最大主应力值约为55.79kPa。其次，施工过程中两洞之间地层的最大应力变化也比较大，在本地质条件下采用先上洞后下洞施工工序两洞间地层最大主应力值约为100kPa，采用先下洞后上洞施工工序两洞间地层最大主应力值约为104kPa。由此可见：地层局部最大主应力值和两洞间地层最大主应力值在两种施工顺序下的大小基本相同，最大值相差不超过5%。
图3 工法二上洞施工结束后应力场
2、地层位移
图4～图5为典型施工阶段地层竖向位移分布状况，由图4～图5可以得出：施工过程中，地层竖向位移主要集中在隧道拱顶以上和仰拱以下的竖直区域；上洞盾构隧道施工过程中，地层竖向位移主要集中在盾构的顶部以上和底部以下的竖直区域，下洞盾构法隧道施工过程中，地层竖向位移主要集中在隧道顶部以上区域和底部以下区域。地层竖向位移主要集中在两个盾构隧道中间地层竖直区域。在本地质和施工顺序工法一条件下，地层的最大下沉为20mm，最大隆起为46mm；在工法二条件下，地层最大下沉为19mm，最大隆起为47mm。由此可见：施工全过程和结束后，从竖向位移最大值出发两种施工顺序的最大位移值在同样量值上，虽然采用先下洞后上洞施工顺序地层的最大竖向位移值将大于先上洞后下洞的施工顺序的对应值，但两洞间地层的竖向位移却有本质的不同，即采用先上洞后下洞的施工顺序时，两洞间地层位移表现为向上隆起；而采用先下洞后上洞施工顺序时，两洞间地层位移表现为向下沉降。
图5 工法二上洞施工结束后地层竖向位移
3、地表沉降
图6和7分别为采用先上洞后下洞施工顺序和先下洞后上洞的施工顺序典型施工阶段地表沉降曲线。由图可以看出：施工过程中地表主要沉降区域为离两隧道中心线对应地表点左右10m范围区域内。当采用先上洞后下洞施工顺序时，地表的最终沉降值为13.55mm，而采用先下洞后上洞施工顺序时，地表的最终沉降值约为15.23mm。由此可见：地表沉降大小在两种施工顺序条件下都在同样的量级上，虽然采用先上洞后下洞施工顺序地表的最终沉降值将小于采用先下洞后上洞施工顺序地表的最终沉降值，但从施工过程对地层的分次扰动影响观点出发，当下洞施工结束后再施工上洞对地层的二次扰动将小于上洞施工结束后再施工下洞对地层的二次扰动。
图7工法二施工阶段地表沉降曲线/mm
4、结构内力分析
图8为采用先上洞后下洞施工顺序典型施工阶段盾构隧道管片内力分布状况。由图8可以看出：采用先上洞后下洞的施工顺序，由于在已经施工结束后的上洞下侧在施工下洞，这样就相当于在上洞施工结束后在其拱底下侧附加了一定的“卸载”荷载，所以下洞施工将使上洞管片的内力值发生一定的调整，主要表现在将使上洞管片轴力分布基本不变，量值稍有减小，而上洞弯矩分布将有相当的变化且最大内力值将减小约30%。同理，在修建下洞隧道时，上洞隧道已经施工结束，所以也相当于在正常的下洞隧道修建过程中在下洞上侧附加了一定的“卸载”荷载，所以下洞的拱顶弯矩值也较相同埋深条件下的单洞隧道拱顶弯矩值小，轴力也有一定的减小。施工结束时，一环管片的最大内力分别为：轴力670.158kN（447.172kNx1.5）、弯矩89.94kN?m（59.959kN?mx1.5）。
图9为采用先下洞后上洞施工顺序典型施工阶段盾构隧道管片内力分布状况。由图9可以看出：采用先下洞后上洞的施工顺序，由于在已经施工结束后的下洞上侧在施工上洞，这样就相当于在下洞施工结束后在其拱顶上侧附加了一定的“卸载”荷载，所以上洞施工将使下洞管片的内力值发生一定的调整，主要表现在将使下洞管片轴力分布基本不变，量值稍有减小，而下洞弯矩分布将有相当的变化且最大内力值将减小约30%。同理，在修建上洞隧道时，下洞隧道已经施工结束，所以也相当于在正常的上洞隧道修建过程中在上洞下侧附加了一定的“卸载”荷载，所以上洞的拱底弯矩值也较相同埋深条件下的单洞隧道拱底弯矩值小，轴力也有一定的减小。施工过程中，两洞最大内力值出现在下洞施工结束而上洞还未施工时，此时一环管片的最大内力分别为：轴力734.268kN（489.512kNx1.5）、弯矩115.584kN?m（77.056kN?mx1.5）。
图9工法二上洞施工结束后每延米盾构隧道衬砌弯矩/kN?m（先上后下）
五、结论
（1）盾构隧道施工过程中，地应力场变化较大的区域主要集中在隧道横断面内离隧道结构距离5m的范围内；地层竖向位移主要集中在隧道拱顶以上和仰拱以下的竖直区域；施工过程中地表主要沉降区域为离两隧道中心线对应地表点左右10m范围区域内。
（2）盾构隧道施工过程中两种施工顺序（先上洞后下洞、先下洞后上洞）的地层局部最大主应力、地层最大位移值和地表最大沉降值都基本处于相同的量级上。考虑到现场的实际情况：施工过程中盾构隧道周围地层的塑性应变可以通过及时的同步注浆或其他的工程措施得以有效地控制，而两洞间地层的塑性应变将成为施工过程中影响地层力学行为（甚至破坏）的最主要因素，故基于以上原因施工顺序推荐采用先下洞后上洞的施工顺序。
（3）在本地质及埋深条件下，由于在盾构隧道施工过程中上下两洞之间地层的最大主应力值将达到约200kPa～270kPa，故施工过程中应对上下两洞间的地层进行加固，加固后地层的凝聚力应不小于270kPa。
参考文献
[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].成都：西南交通大学博士论文，2003.
[2]仇文革等.深圳地铁一期工程重叠隧道技术研究报告.西南交通大学，1999.
[3]阳军生，刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形.北京：中国铁道出版社，2002
[4]台启民，张顶立，房倩，等.暗挖重叠地铁隧道地表变形特性分析[J].岩石力学与工程学报，2014，33(12)：2472-2480.
[5]RobertMCNg，K.Y.Lo，andR.K.Rowe，Analysis offield Per for mance theThunderBaytunnel. CanadianGeotechnicalJournal，1986(23)，30—50
[6]郭菊彬，张昆.新建隧道盾构施工引起邻近地铁隧道沉降分析[J].四川建筑科学研究，2010，36(06)：139-141.
[7]仇文革等.深圳地铁重叠隧道平面应变模型试验研究.地下铁道文集，1999，1
论文作者:耿真
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年1月
论文发表时间:2017/4/14
标签：地层论文; 隧道论文; 盾构论文; 顺序论文; 地表论文; 管片论文; 位移论文; 《建筑学研究前沿》2017年1月论文;