隧道施工對(duì)近距離重疊盾構(gòu)影響研究

江宇　郭　晨　張祥祥　牛國(guó)棟　朱自力

（西藏大學(xué)工學(xué)院）

隧道施工對(duì)近距離重疊盾構(gòu)影響研究

江宇郭晨張祥祥牛國(guó)棟朱自力

（西藏大學(xué)工學(xué)院）

結(jié)合深圳地鐵3號(hào)線工程，采用數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究近距離重疊盾構(gòu)隧道施工的相互影響。考慮“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”兩種施工順序，重點(diǎn)分析后建隧道施工對(duì)地表沉降的影響程度，對(duì)已建隧道周圍圍巖位移的影響程度。通過對(duì)比分析可出結(jié)論，采用先下后上的施工順序，后建隧道的施工對(duì)地表沉降和已建隧道的二次擾動(dòng)更小。

重疊隧道；近距離；施工影響

1　工程背景

隨著地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展和地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，地鐵網(wǎng)絡(luò)間眾多節(jié)點(diǎn)的工程建設(shè)中不可避免地出現(xiàn)兩條隧道相互平行、重疊以及交叉穿越等較為復(fù)雜的施工情況。當(dāng)兩個(gè)隧道的距離越來越小，重疊隧道近接施工的影響越來越明顯。這就需要了解重疊隧道中后建隧道施工對(duì)地表沉降和對(duì)已建隧道的影響程度。

深圳地鐵3號(hào)線工程的老街站～東門站區(qū)間設(shè)計(jì)起訖里程為YDK8+056.37～YDK8+889.7。左右線為分修的兩條單線隧道。由于受老街站的（為滿足與1號(hào)線同站臺(tái)平行換乘的方式，車站采用上下重疊的側(cè)式站臺(tái)形式）控制，左右線隧道（左線在上，右線在下）以軌面高差7.6m的間距（兩隧道凈1.6m）從老街站以上下重疊的形式出發(fā)后，在接近東門中路時(shí)左右線隧道在平面上線間距逐漸拉開，縱斷面上軌面高差逐漸減小，左右線隧道逐漸由上下重疊過渡到左、右平行的結(jié)構(gòu)形式。見圖1所示。其中YDK8+056.37～YDK8+320.00區(qū)間段（263.63m）左右線盾構(gòu)隧道上下重疊，上下隧道軌面高差為7.6m，上下隧道凈距為1.6m。見圖2所示。

圖1　線路示意圖

圖2　模擬斷面示意圖

本文以此工程為背景，在兩隧道夾土體注漿加固的條件下（下隧道拱頂90°范圍內(nèi)、襯砌環(huán)外3.0m線以內(nèi)土體），考慮“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”兩種施工順序，采用大型通用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行三維彈塑性數(shù)值模擬計(jì)算，探索近距離的重疊盾構(gòu)隧道近接施工的影響規(guī)律。重點(diǎn)分析了后建隧道施工對(duì)地表沉降的影響程度，以及對(duì)已建隧道周圍圍巖位移的影響程度。

2　建模參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力，選取半邊結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。軌面埋深約為15.4m，隧道拱頂埋深約為10.6m。模型的范圍：x方向沿隧道軸向取為m，y方向沿水平方向取為：m，Z方向沿豎直方向取為m。模型邊界條件為：沿x軸隧道軸線方向，對(duì)模型前后兩面施加x方向約束；對(duì)模型右側(cè)邊界施加y方向約束；對(duì)模型左側(cè)邊界施加垂直于y軸的對(duì)稱面約束；對(duì)模型底部施加x、y、z三方向約束，地表為自由面。見圖3所示。

圖3　建模模型（數(shù)值計(jì)算模型和襯砌及加固區(qū)模型）

表1　物理力學(xué)指標(biāo)

模型中，土體為三維實(shí)體單元C3D8R，襯砌管片為三維殼單元S4R。土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，襯砌采用線彈性模型。模型共有31570個(gè)節(jié)點(diǎn)，29720個(gè)單元。用生死單元法模擬盾構(gòu)施工推進(jìn)過程，已建隧道全長(zhǎng)一次性開挖，后建隧道每次進(jìn)尺1.5m，一共20個(gè)開挖步。

在工程實(shí)際中，隧道開挖是土體在自重和地面超載作用下的固結(jié)沉降已經(jīng)完成后，在有限元模擬計(jì)算中，構(gòu)建初始自重應(yīng)力場(chǎng)的目的是為了模擬在自重作用下固結(jié)沉降已經(jīng)完成的原狀土，作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。本文自重應(yīng)力場(chǎng)的構(gòu)建如下：給土體單元施加自重作用下的有效應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)給土體單元加上自重荷載，土體這時(shí)處于平衡狀態(tài)，只有10～6m數(shù)量級(jí)的變形。以此狀態(tài)作為隧道開挖的初始狀態(tài)。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1地表沉降

從圖4和表2可以看出：隨著后建隧道的開挖，地表沉降都是增大的；先上后下的增加幅度比先下后上的增加幅度大。從后建隧道開挖工作面對(duì)地表沉降的影響范圍看，先上后下的范圍比先下后上的范圍大；前者大于15m，后者為15m左右。

圖4　后建隧道開挖一半后5個(gè)斷面的地表沉降曲線

表2　后建隧道開挖一半后地表中心線處地表沉降變化

從圖5可以看出：先上后下工序下隨著后建隧道的開挖，地表沉降逐漸增大；后建隧道開挖工作面影響范圍大于15m。先下后上工序下隨著后建隧道的開挖，地表沉降先是增加，然后有少量隆起，最后結(jié)果表現(xiàn)為沉降增加；后建隧道開挖工作面影響范圍為15m左右。

圖5　地表中心線的沉降變化

從圖6和表3可以看出：在先下后上的工序下地表的最終沉降比在先上后下工序下的地表沉降小。

圖6　X=0斷面處地表沉降變化

表3　X=0斷面處地表沉降變化

3.2隧道周圍圍巖位移

從表4可以看出：下隧道開挖過程中，已建上隧道拱底變化最大；拱頂沉降繼續(xù)增加；拱底隆起逐漸減小最后表現(xiàn)為沉降；拱腰先是少量外擴(kuò)，再逐漸內(nèi)斂；下隧道開挖工作面對(duì)上隧道周圍圍巖位移的影響范圍大于15m。

表4　下隧道開挖一半后上隧道周圍圍巖位移（先上后下）

從表5可以看出：后建上隧道開挖過程中，已建下隧道拱頂變化最大：拱頂上揚(yáng)；拱底繼續(xù)隆起；拱腰逐漸內(nèi)斂；開挖工作面對(duì)上隧道周圍圍巖位移的影響范圍大約15m。

從圖7可以看出：下隧道開挖過程中，已建上隧道拱底豎向位移變化最大。上隧道開挖過程中，已建下隧道拱頂豎向位移變化最大。

表5　上隧道開挖一半后下隧道周圍圍巖位移（先下后上）

從表6和表7可以看出：先上后下，拱底位移變化最大；先下后上，拱頂位移變化最大。先下后上工況下后建隧道對(duì)已建隧道周圍圍巖位移的二次擾動(dòng)更小。

表6　X=0斷面處后建隧道周圍圍巖位移（先上后下）

表7　X=0斷面處后建隧道周圍圍巖位移（先下后上）

4　結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究，得出了一些近距離重疊盾構(gòu)隧道施工影響的規(guī)律性結(jié)論，具有一定的參考價(jià)值：

⑴先上后下施工地表的最終沉降值大于先下后上施工地表的最終沉降值。從施工過程對(duì)地表的分次擾動(dòng)影響程度觀點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)下隧道施工結(jié)束后再施工上隧道對(duì)地表的二次擾動(dòng)將小于上隧道施工結(jié)束后再施工下隧道對(duì)地表的二次擾動(dòng)。前者的二次擾動(dòng)影響為23%，后者的二次擾動(dòng)影響為57%。

⑵采用先上后下的施工順序，后建下隧道的施工使得已建上隧道周圍圍巖沉降增加，采用先下后上的施工順序，后建上隧道的施工使得已建下隧道周圍圍巖上揚(yáng)。從施工過程對(duì)圍巖位移的分次擾動(dòng)影響程度觀點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)下隧道施工結(jié)束后再施工上隧道對(duì)圍巖位移的二次擾動(dòng)將小于上隧道施工結(jié)束后再施工下隧道對(duì)圍巖位移的二次擾動(dòng)。

圖7　后建隧道對(duì)已建隧道周圍圍巖位移的影響

⑶從后建隧道開挖工作面對(duì)地表沉降的影響范圍和對(duì)已建隧道周圍圍巖位移的影響范圍來看，先下后上施工順序下的影響范圍小于先上后下施工順序下的影響范圍。前者的影響范圍大約為15m，后者的影響范圍大于15m。●

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