長距離小凈距重疊隧道施工關鍵技術分析

丁華興， 韓翔宇， 陳壽根

(1. 深圳市市政設計研究院有限公司， 廣東深圳 518001； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

長距離小凈距重疊隧道施工關鍵技術分析

丁華興1， 韓翔宇2， 陳壽根2

(1. 深圳市市政設計研究院有限公司， 廣東深圳 518001； 2. 西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

文章結合深圳地鐵7號線長距離小凈距重疊隧道工程實踐，采用數值分析軟件計算了不同凈距條件下施工時的地層位移及隧道應力，分析凈距對地體重疊隧道施工的影響。研究結果表明：由于隧道的開挖卸荷，導致一定范圍的地層產生位移，其中隧道頂部發(fā)生沉降，隧道底部發(fā)生隆起；襯砌所受應力均為壓力，最大應力出現在隧道拱底和兩側邊墻位置；通過塑性區(qū)分布云圖得到，隧道頂部土層發(fā)生破壞，而且隧道周邊一定范圍的土體產生剪切破壞；隨著凈距的增加，地層沉降減少，襯砌受力變小。

隧道工程； 小凈距重疊隧道； 地層沉降； 襯砌受力

近年來，隨著城市建設的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，人口密度不斷增長，城市中的經濟運作負擔越來越大。地下鐵道因其運輸能力大、速度快等特點在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其在人口密集的大城市，其對于緩解地面交通壓力，效果更是不可替代。修建地鐵等城市地下工程的施工方法有明蓋挖法、暗挖法、盾構法等，各種方法都有其優(yōu)缺點和適用條件，而盾構法作為為城市地鐵隧道釆用較多的施工方法。當由于施工條件限制導致地鐵施工必須采取上下重疊的施工方式時，這給盾構施工提出了嚴峻的考驗。因此，必須對盾構法的施工關鍵技術進行對比分析，結合盾構施工的特點和地質條件，提出合理有效的施工方法[1-2]。

國內外對重疊盾構施工進行了大量的研究，其中在理論分析、現場實測、模型試驗和數值模擬上研究都比較充分。如Peck(1969)基于對隧道表面沉降槽形狀的觀察及大量實測值數據提出了隧道施工階段的地面呈正態(tài)分布的沉降經驗公式[3]。針對兩條隧道近接施工的情況，Duddeck H運用位移和剛度的方法進行探討，對單孔隧道的力學進行了分析，并給出了雙孔隧道在位移與應力方面的解[4]。在對地表沉降、隆起與穩(wěn)定的研究中，孫玉永等通過3D數值模擬，對上海地鐵2號線的上方近距離施工的某隧道進行分析，得出相關的結論[5]。西南交通大學何川等在結合了三大研究方法(現場試驗、物理模型試驗與3D數值模擬)，以南京地鐵平行近接盾構隧道下穿玄武湖隧道為例，研究了其施工過程及其影響規(guī)律等[6]。但考慮到對于長距離重疊隧道盾構施工的研究還較少，本文在綜合已有資料研究的基礎上，結合長距離重疊隧道及盾構施工的特點,采用數值分析的手段，重點研究隧道凈距對長距離重疊隧道施工的影響，為盾構施工提供科學合理化建議。

1 工程概況

新建深圳地鐵7號線連接布心、田貝、筍崗、華強北、福田南、車公廟、龍珠、西麗等片區(qū)，是聯系深圳特區(qū)內主要居住區(qū)與就業(yè)區(qū)的局域線。線路由太安至西麗動物園，全長約28.9 km，設站23座，其中換乘站11座(圖1)。

圖1 深圳地鐵7號線線路

新建深圳地鐵7號線紅嶺北-筍崗-洪湖-田貝三個區(qū)間總長2 470 m，主要采用盾構法施工。由于空間限制，三區(qū)間多數地段存在重疊隧道，最小凈距僅2.0 m。區(qū)間場地地形較平坦，表覆素填土、雜填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、礫砂、卵石、砂質黏性土，下伏震旦系全風化～微風化混合巖，局部有花崗巖侵入。地下水主要為孔隙水和基巖裂隙水。左線盾構先行，靠近筍崗站西端，局部進入中風化巖層。右線盾構段靠近筍崗站西端，隧道頂部分布有卵石、砂礫。

2 數值計算方案

2.1 計算參數

根據研究區(qū)段地質條件，主要以人工雜填土、淤泥質土層、礫質黏性土層等飽和富水砂土層為主，地層力學參數軟弱，地下水位高。其中計算斷面為地層上部為素填土，3～12 m處為礫砂，12～21 m為可塑性黏性土，21～37 m為強風化麻狀混合花崗巖。具體地層及結構材料力學參數如表1所示。

2.2 計算模型

本文采用FLAC3D有限差分軟件建立三維分析數值模型，分析模型中重疊隧道之間的位置關系見圖2所示。根據隧道結構實際尺寸、凈距關系，設置了三種工況，分別是上下凈距2 m、3 m及4 m。

表1 地層及結構材料力學參數

圖2 有限差分數值模型

數值模擬計算中做了以下假設：(1)工程所研究橫斷面范圍內，同一高層處均為同一土層，同一土層厚度不變，具有相同的物理力學性能；(2)土體破壞采用摩爾-庫倫屈服準則進行計算，行車隧道混凝土襯砌及盾構機管片采用彈性模型計算；(3)采用大變形理論計算。

3 結果及分析

通過對不同的工況進行數值計算，分析隧道開挖后的位移、應力及塑性區(qū)的分布情況。限于篇幅，本文僅列出上下凈距為2 m的工況計算結果(圖3)。

針對不同工況，提取隧道關鍵位置的數據并進行比較(表2)。

表2 不同工況計算結果

由圖3中位移云圖可知，隨著下部隧道的開挖，隧道開挖的影響區(qū)域變大，開挖引起的地表位移增加至26.5 mm，沉降最大值出現在隧道頂部。與此同時，由于上部隧道開挖引起的隧道底部隆起，下部隧道開挖引起下部隧道頂部的沉降，因此必須采取相關措施嚴格控制上下隧道之間的位移變化。分析洞室掘進后的塑性區(qū)范圍可以得到，上部隧道開挖過程中，隧道頂部土體將受到破壞，同時隧道洞壁周圍將產生一定范圍的剪切破壞。隨著下部隧道的開挖，下部隧道周圍土體同樣產生一定區(qū)域的剪切破壞，而且破壞區(qū)域大于上部隧道開挖引起的破壞范圍。由于下部隧道的頂部土體將受到破壞，兩隧道洞壁塑性區(qū)將會連通，尤其是在襯砌管片頂部塑性區(qū)域較大。通過分析應力云圖可知，由于土體的開挖卸荷，導致襯砌承受土體的壓力。隨著下部隧道的開挖，造成隧道周邊的位移繼續(xù)增加，土層進而產生更大的土壓力，使得隧道襯砌的壓力增大。

(a)隧道開挖后地層位移分布云圖

(b)隧道開挖后地層塑性區(qū)分布

(c)襯砌管片應力半徑云圖圖3 2 m凈距計算結果

從表2可以看出，三種工況中，隧道掘進施工引起的地層位移、塑性區(qū)分布以及襯砌的受力規(guī)律大致相同。隨著上下隧道凈距的增加，地表沉降逐漸減弱，地層位移減小，隧道襯砌所受應力減小，尤其是下部隧道與上部隧道所受應力差減小。

4 結論

本文針對不同凈距情況下盾構隧道的施工過程分析，采取了上下凈距為2 m、3 m、4 m三種工況進行模擬。通過模擬小凈距隧道先上后下施工過程，計算分析了隧道掘進施工引起的地層位移，塑性區(qū)分布以及襯砌的受力狀況，得出以下結論：(1)由于上部隧道的開挖卸荷，導致一定范圍的地層產生位移，其中隧道頂部發(fā)生沉降，隧道底部發(fā)生隆起襯砌所受應力均為壓力。最大應力出現在隧道拱底和兩側邊墻位置。通過塑性區(qū)分布云圖得到，隧道頂部土層發(fā)生破壞，而且隧道周邊一定范圍的土體產生剪切破壞。(2)隨著下部隧道開挖施工的進行，隧道周邊土體受到二次擾動，下部隧道開挖產生的位移較上部隧道大，塑性區(qū)范圍也比上部隧道大。(3)因為盾構隧道的開挖作用及隧道襯砌結構的特點，所以隧道襯砌所受應力均為壓力。最大應力出現在隧道拱底和兩側邊墻位置，且下部隧道襯砌所受壓力大于上部隧道襯砌。(4)對比不同工況計算結果可得，隨著凈距的增加，隧道頂部土體沉降減小，襯砌受力變小，所以在凈距較小的重疊隧道盾構施工時，要精確監(jiān)測地表沉降，并對土層進行加固處理。

[1] 楊公正.昆明地鐵重疊隧道盾構施工位移數值模擬分析[J].路基工程,2015(2):90-94.

[2] 臺啟民,張頂立,房倩, 等.暗挖重疊地鐵隧道地表變形特性分析[J].巖石力學與工程學報,2014(12):2472-2480.

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[5] 陳磊,陳國興.近斷層強地震動下雙層豎向重疊地鐵隧道的地震反應[J].防災減災工程學報,2008(4):399-408.

[6] 趙東平,王明年,宋南濤.淺埋暗挖地鐵重疊隧道近接分區(qū)[J].中國鐵道科學,2007(6):65-69.

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[8] 李德才,扈森,王明年.深圳地鐵重疊隧道設計與施工技術要點[J].現代隧道技術,2006(4):21-26.

[9] 黃俊,張頂立.地鐵重疊隧道上覆地層變形的數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2005(12):2176-2182.

[10] 仇文革,張志強.深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數值模擬分析[J].鐵道標準設計,2000(Z1):41-42.

[定稿日期]2017-05-11

丁華興(1980～)，男， 本科，高級工程師, 從事城市軌道交通工程設計及管理工作。

U455.49

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