疊落盾構(gòu)隧道施工相互影響及對地表沉降分析

■艾正偉 宋文凱

（新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

近年來， 隨著國內(nèi)城市地下交通的不斷發(fā)展，越來越多的城市開始建設(shè)地鐵工程。 在城市地下隧道工程建設(shè)過程中，不可避免地會遇到疊落隧道這一現(xiàn)象，如何選擇合適的疊落隧道施工方式至關(guān)重要。 國內(nèi)學者對近接隧道進行了一些研究，如以盾構(gòu)隧道近距離下穿既有隧道為研究對象，研究了新建盾構(gòu)隧道近距離下穿既有隧道的開挖面破壞以及地表沉降的變形特性[1-2]；以某在建地鐵下穿既有工程為研究背景，采用數(shù)值分析軟件分析了新建隧道不同錯距的掘進方案，并給出了合理的施工錯距范圍[3-4]；以新建隧道上跨既有隧道線路為研究對象，采用數(shù)值分析方法分析了新建盾構(gòu)隧道管片受力狀態(tài)，并對隧道上跨的穩(wěn)定性和安全性進行了分析[5-6]；以新建隧道對既有鄰近隧道施工影響為研究對象，應(yīng)用復(fù)變函數(shù)和Schwarz 交替法等理論手段推導(dǎo)得到了新建隧道對既有隧道影響解析解，并著重考慮了地層初始應(yīng)力場和新建隧道施工過程中不同階段的影響因素[7-8]。 基于前人的研究，本文主要以某疊落盾構(gòu)隧道施工為研究對象，重點就“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式對地表沉降、隧道周邊位移、襯砌管片最大軸力和位移的影響，進行了對比分析，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

以某市軌道交通疊落盾構(gòu)隧道工程，疊落段長度約為86 m，從地表向下土層依次為素填土、粉質(zhì)黏土、 泥質(zhì)砂巖和砂礫石， 厚度依次為2、25、10、28 m，上行隧道中心埋深為8.6 m，下行隧道中心埋深為19.1 m，襯砌厚度為30 cm，施工方式有2 種，分別為“先上后下”和“先下后上”隧道施工方式。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

以某市軌道交通疊落盾構(gòu)隧道施工為研究對象， 采用大型有限元軟件Midas GTS NX 建模進行計算分析，疊落隧道數(shù)值模型圖如圖1 所示。 考慮到隧道的大小以及開挖影響范圍，模型長、寬分別取100 m 和60 m，高度80 m，從上至下土層依次為素填土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)砂巖和砂礫石，厚度依次為2、25、10、28 m。 除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。 隧道直徑為6 m， 管片厚度為30 cm。 隧道圍巖采用實體單元建立、襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，圖中模型網(wǎng)格分別為17682 個。

圖1 數(shù)值模型圖

2.2 參數(shù)賦值

表1 為土體的物理力學參數(shù)，表2 為管片及注漿材料的力學參數(shù)。

表1 土體的物理力學參數(shù)

表2 管片及注漿材料的力學參數(shù)

2.3 工況設(shè)置

本文共設(shè)置2 種不同工況，分別為“先上后下”施工方式和“先下后上”施工方式，主要對2 種不同施工工序下的隧道施工進行對比分析。 2 種不同施工方式下的單次掘進長度均為3 m （即2 個管片寬度），單次掘進長度時間控制在2.5 h 左右。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 “先上后下”方式隧道開挖穩(wěn)定性分析

采用“先上后下”方式施工時，得到了疊落隧道周圍土體變形特性。 隧道開挖后土體豎向位移云圖如圖2 所示。 由圖2（a）可知，當上行隧道施工完成后，隧道拱頂土體發(fā)生沉降，拱底發(fā)生隆起，拱頂最大沉降和拱底最大隆起值分別為1.74 mm 和1.99 mm。 由圖2（b）可知，當下行隧道施工完成后，圍巖變形重新分布，上行隧道拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為1.18 mm 和3.63 mm； 下行隧道拱頂和拱底均發(fā)生隆起，拱頂和拱底最大隆起值分別為1.89 mm 和3.34 mm。 相較于上行隧道施工完成時的位移，下行隧道的施工使得上行隧道的拱頂沉降減小，使得拱底隆起增大。

圖2 “先上后下”施工方式隧道開挖完成后土體豎向位移云圖

采用“先上后下”方式施工時，得到了地表沉降變形規(guī)律。 上行隧道開挖完后以及上行、下行隧道全部施工完成后的地表沉降曲線如圖3 所示。 可知地表沉降沿隧道中心呈兩側(cè)水平對稱，先建上行隧道開挖完成后，地表最大沉降值為8.64 mm，而在下行隧道施工完成后， 地表最大沉降值為24.16 mm，整體最大沉降值比上行隧道施工完成時增大了約1.8 倍，說明“先上后下”隧道施工方式下，疊落隧道開挖對地表沉降產(chǎn)生疊加效應(yīng)，且下行隧道施工導(dǎo)致的地表沉降大于上行隧道引起的地表沉降。

圖3 “先上后下”施工方式下地表沉降曲線

“先上后下” 方式施工下上行隧道變形規(guī)律較為重要。 “先上后下”隧道施工方式下上行隧道監(jiān)測點豎向位移如圖4 所示， 圖中以位移向上為正，反之為負。 可知,當上行隧道施工完成后，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.74 mm、1.99 mm、1.23 mm 和1.17 mm；當后建下行隧道施工完成后，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.18 mm、3.63 mm、1.65 mm 和1.62 mm。 綜上所述，后建下行隧道施工導(dǎo)致上行隧道的拱頂沉降減小了32.2%， 使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分別增大了82.4%、34.1%和38.5%。

圖4 “先上后下”施工方式下上行隧道監(jiān)測點豎向位移

3.2 “先下后上”方式隧道開挖穩(wěn)定性分析

采用“先下后上”方式施工時，得到了疊落隧道周圍土體變形特性。 隧道開挖后土體豎向位移云圖如圖5 所示、由圖5（a）可知，當先建下行隧道施工完成后，隧道拱頂土體發(fā)生沉降，拱底發(fā)生隆起，拱頂最大沉降和拱底最大隆起值分別為1.73 mm 和1.67 mm。由圖5（b）可知，當后建上行隧道施工完成后，圍巖變形重新分布，下行隧道拱頂和拱底均發(fā)生隆起，最大隆起值分別為0.23 mm 和2.60 mm；上行隧道拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為1.27 mm 和1.78 mm。 相較于下行隧道施工完成時的位移，上行隧道的施工使得下行隧道的拱頂由沉降變成隆起，使得拱底隆起值增大。

圖5 “先下后上”施工方式隧道開挖完成后土體豎向位移云圖

采用“先下后上”方式施工時，得到了地表沉降變形規(guī)律。 先建下行隧道開挖完后以及下行、上行隧道全部施工完成后的地表沉降曲線如圖6 所示。可知地表沉降沿隧道中心呈兩側(cè)水平對稱，先建下行隧道開挖完成后，地表最大沉降值為6.36 mm，而在后建上行隧道施工完成后， 地表最大沉降值為10.92 mm，整體最大沉降值比先建后行隧道施工完成時增大了約0.56 倍，說明“先下后上”隧道施工方式下， 疊落隧道開挖對地表沉降產(chǎn)生疊加效應(yīng)，且后建上行隧道施工導(dǎo)致的地表沉降小于先建下行隧道引起的地表沉降。

圖6 “先下后上”施工方式下地表沉降曲線

“先下后上”方式施工下下行隧道變形規(guī)律較為重要。 “先下后上”隧道施工方式下下行隧道監(jiān)測點豎向位移如圖7 所示，圖中以位移向上為正，反之為負。可知下行隧道施工完成后，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.73 mm、1.67 mm、0.78 mm 和0.76 mm， 當后建上行隧道施工完成后，下行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為0.23 mm、2.60 mm、1.61 mm 和1.57 mm。 綜上所述，后建上行隧道施工導(dǎo)致下行隧道的拱頂沉降減小了1.96 mm，使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分別增大了55.7%、106.4%和106.6%。

圖7 “先下后上”施工方式下下行隧道監(jiān)測點豎向位移

3.3 2 種施工方式對比分析

如表3 所示， 通過對2 種方式下地表沉降、隧道周邊位移、 襯砌管片最大軸力和位移進行分析，可知，采用“先下后上”施工方式均優(yōu)于“先上后下”施工方式。 此外，由上述分析可知采用“先上后下”方式施工產(chǎn)生的二次擾動影響大于 “先下后上”施工方式，尤其是對于拱頂和拱底。 綜上可知，工程中當遇到疊落隧道施工時，采用“先下后上”施工方式要優(yōu)于“先上后下”方式。

表3 2 種施工方式監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)論

本文主要以某疊落盾構(gòu)隧道施工為研究對象，重點就“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式對地表沉降、隧道周邊位移、襯砌管片最大軸力和位移的影響進行了對比分析， 得到以下結(jié)論：（1）“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式下地表沉降均產(chǎn)生疊加效應(yīng)，二者地表最大沉降值分別為24.16 mm 和10.92 mm，采用“先下后上”施工方式較“先上后下”施工方式地表總沉降減小約54.8%。（2）采用“先下后上”施工方式下，工程完工后先建隧道的周邊土體位移均小于“先上后下”施工方式下先建隧道的周邊土體位移，尤其是對于拱頂和拱底采用“先下后上”施工方式相較于“先上后下”施工方式二者大小值分別減小80.5%和28.4%（3）“先上后下”方式施工產(chǎn)生的二次擾動影響大于“先下后上”施工方式，當工程中遇到疊落隧道施工時，可以優(yōu)先采用“先下后上”施工方式。