縱向疊交雙線地鐵隧道施工相互影響數值分析

李 樂 馮鈺哲

(1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024； 2.普洱市建筑勘察設計院，云南 普洱 665000)

0 引言

盾構施工是軟土地區地鐵隧道建設的主要施工方法。而施工過程中難免會對周邊環境造成一定的影響，在軟土層施工時，地層移動主要表現為地面的沉降，沉降量較大時會影響地面建筑和附近地下結構的正常使用，嚴重時甚至發生結構破壞。因此，盾構施工引起對周邊環境的影響成為國內外學者普遍關注的問題。很多研究者通過理論分析[1-3、數值模擬[4-6以及試驗研究[7]等手段對此展開，然而縱向疊交的雙線隧道施工較為復雜，因此，有必要對雙線隧道施工的相互影響展開研究。本文依托某城市軌道交通疊交隧道工程，通過數值模擬的方法對雙線疊交隧道施工的相互影響進行研究。

1 工程概況及有限元數值模型的建立

某城市軌道交通上下行隧道處于上下疊交狀態，隧道夾角接近0°，疊交隧道位置關系如圖1所示。隧道直徑均為6.8 m。其中，上行線隧道覆土深度約為23.1 m；下行線隧道覆土深度約為6.7 m，兩隧道水平方向相距4.0 m。疊交段上行線盾構處于⑤1粘土層和⑤3粉質粘土層中，下行線盾構處于③淤泥質粉質粘土和④淤泥質粘土層中。工程現場土層分布及物理力學性質參數見表1。計算時使用的地下水位深度為地表以下1.5 m。

表1 土層分布及物理力學性質參數

在有限元數值模擬時，首先模擬上行線隧道施工，再模擬下行線隧道施工，分析下行線隧道施工對既有上行線隧道的影響。在隧道開挖前，先進行地應力平衡，再進行相應的隧道施工，并及時施作襯砌結構。有限元三維網格劃分見圖2。圖3為有限元模擬的施工步。

2 有限元計算結果

隧道施工后地層總體變形見圖4。圖5和圖6為地層的水平位移及豎向位移矢量圖。根據有限元計算結果，在施工完成后，土體內的最大總位移為6.62 mm，最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為6.62 mm。從圖中可以看出，隧道施工引起的地層變形主要表現為土體的沉降變形，而水平位移值卻很小，且最大沉降發生在下行線隧道附近區域，而下行線的埋深比上行線埋深淺，以此可見，雙線隧道施工時，埋深較淺的隧道沉降更加明顯。

由圖5可知，下行線埋深較淺，沉降較大，水平位移相對較小；而上行線埋深較深，沉降值較小，其水平位移比下行線大。以此可見，雙線隧道施工時，埋深較大的隧道水平變形更加明顯。

地表沉降的最大值出現在下行線的上方，并且距離隧道中心線越遠，沉降值則越小。地表沉降曲線為一個中間大兩端小的“沉降槽”。由于兩隧道是交錯的，形成的“沉降槽”并不是嚴格對稱的。下行線由于覆土厚度小，對地表沉降的影響較大。

3 雙線隧道施工影響因素分析

3.1 上下行隧道單獨施工與同時施工的對比

由于隧道施工對地層沉降變形影響較大，因此，為進一步研究上下行隧道單獨施工與同時施工不同施工工況對地表沉降的影響，本文中選取了三種工況進行了對比分析：工況一：只施工上行線隧道；工況二：只施工下行線隧道；工況三：同時施工上下行線隧道。工況一和工況二的有限元模型見圖7。三種工況下的地表沉降對比見圖8。

由圖8可知，三種工況下最大地表沉降值分別為1.65 mm，4.24 mm和5.69 mm，可以看出淺埋隧道的施工對地表擾動更大。根據對稱性很容易知道，隧道單獨施工時產生的地表沉降是軸對稱的，對稱軸位于隧道的軸線位置處；而同時施工上下行隧道時，沉降曲線并非對稱，這是因為上下行線隧道施工是相互影響的，而這種相互影響并非簡單的線性疊加，因此同時施工上下行隧道的最大地表沉降并不等于兩隧道單獨施工引起的最大地表沉降的簡單疊加。雙線隧道同時施工時，地表沉降最大值位于兩隧道之間，且更偏向于埋深較淺的隧道一側。

3.2 隧道施工先后次序對地表沉降的影響

由于上下行線隧道施工是相互影響的，而這種相互影響并非簡單的線性疊加。也就是說，隧道的施工先后次序對地表沉降有一定的影響。本文中選取了兩種工況進行了對比分析：工況一：先施工上行線隧道，后施工下行線隧道；工況二：先施工下行線隧道，后施工上行線隧道。圖9給出了不同施工次序下地表沉降的對比。總體來說，兩種工況下地表沉降比較接近，最大沉降量分別為5.87 mm和5.69 mm。但不同的施工次序對地表沉降還是有一定的影響。相比之下，先施工淺埋隧道引起的地表沉降值略大。因此，合理安排施工次序可以達到降低隧道施工對周邊環境影響的目的，在其他條件相同的條件下，現施工深埋隧道在一定程度上可以減少施工引起的地表沉降。

4 結語

本文依托縱向疊交的雙線隧道施工工程，通過數值模擬的方法對雙線疊交隧道施工對地表沉降的影響及隧道間的相互影響進行了研究，得到以下結論：

1)雙線隧道施工時，埋深較淺的隧道沉降更加明顯，而埋深較大的隧道水平變形更加明顯。

2)雙線隧道開挖后地表會形成一個“沉降槽”，而這個“沉降槽”并非完全對稱，沉埋隧道施工對地表沉降的影響更大。

3)隧道的施工次序對地表沉降有一定的影響，先施工淺埋隧道引起的地表沉降值略大。因此，通過合理安排施工次序可以在一定程度上減少施工對周邊環境影響。

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