小凈距長距離重疊隧道的施工順序影響分析

劉建國， 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)

[定稿日期]2017-05-11

近年來，由于城市的快速發展，城市人口密度的劇增，對城市的交通建設提出了越來越高的要求。地鐵因其運輸能力強、速度快等特點而受到人們的青睞。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，是一種施工過程中依靠自身剛性支護不斷地在前方開挖土體，在盾尾進行管片拼裝和壁后注漿的隧道施工方法。該法可在大范圍的工程地質和水文地質條件下使用，具有機械化程度高和施工速度快等優點。一般情況下，采用盾構法修建的地鐵區間都在繁華的鬧市區，施工環境復雜。在這種條件下，由于場地條件的限制，不得不采用小凈距、重疊等施工方案，這給盾構施工帶來了巨大的考驗[1-2]。

對于如何減少施工對周圍土體的擾動程度，最大限度的降低施工對鄰近建筑物及管線的影響，合理的控制施工引起的地表沉降問題，一直是學術界和工程界所關心的問題。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分布的沉降經驗公式[3]。上海地鐵二號線與黃浦江行人隧道交叉段盾構施工，該隧道的先行洞和后行洞的最小凈距為1.57 m，白廷輝等對現場的施工方法進行總結和研究，提出了相應的控制措施[4]。李永盛和黃海鷹結合上海地鐵二號線的實測結果進行分析，預測了由盾構推進導致樁體產生變形的全過程，確定了盾構機與樁體間的最小容許距離[5]。王佩芬采用Midas/GTS軟件，針對天津地鐵某區間兩平行隧道的盾構施工，其中最小凈距僅為0.98 m，經過模擬分析，提出了相應的注漿加固措施[6]。但考慮到對于長距離重疊隧道盾構施工順序的研究還較少，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，重點研究長距離重疊隧道施工順序，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，是聯系深圳特區內主要居住區與就業區的局域線。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3個區間總長2 470 m，主要采用盾構法施工，由于空間限制，三區間多數地段存在重疊隧道，最小凈距僅2.0 m。區間場地地形較平坦，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。

表1 地層及結構材料力學參數表

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，根據重疊隧道結構實際尺寸、凈距關系，選取凈距為2 m，設置了兩種工況，分別是先上后下和先下后上。

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、應力及塑性區的分布情況。其中，施工順序為先上后下的工況計算結果如圖3所示，先下后上的工況計算結果如圖4所示。

通過圖3中的位移云圖、塑性區云圖及襯砌應力圓可以看出由位移云圖可知，隨著下部隧道的開挖，隧道開挖的影響區域變大，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域的剪切破壞，而且破壞區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，兩隧道洞壁塑性區將會連通，尤其是在襯砌管片頂部塑性區域較大。通過分析應力圓云圖可知，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分布

(c) 襯砌管片應力半徑云圖圖3 先上后下計算結果

(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分布

(c)襯砌管片應力半徑云圖圖4 先下后上計算結果

對比圖3和圖4可知，由于上下重疊隧道施工順序不同，使得隧道開挖對于周邊土體和襯砌的影響也有所差異。通過計算結果分析可知，當采用先下后上順序進行開挖時，地表沉降最大值為24.1 mm，土層中最大位移為75.8 mm，小于先上后下工況計算結果。上下隧道之間的土體上部出現隆起，下部出現下沉，與圖3計算規律相似。圖4中的塑性區范圍較圖3中大，說明采用先上后下的施工順序對土體的擾動更大。對比應力圓云圖可以發現，兩種施工順序時最終施加在襯砌上的應力近似相等。

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，采取了先上后下、先下后上兩種工況進行模擬。通過模擬小凈距隧道施工過程，計算分析了隧道掘進施工引起的地層位移，塑性區分布以及襯砌的受力狀況，得出以下結論：(1)無論何種施工順序，都存在由于上部隧道的開挖卸荷，導致一定范圍的地層產生位移，其中隧道頂部發生沉降，隧道底部發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。通過塑性區分布云圖得到，隧道頂部土層發生破壞，而且隧道周邊一定范圍的土體產生剪切破壞。(2)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。(3)對比不同工況計算結果可得，當采用先下后上的施工順序進行隧道開挖時，隧道頂部土體沉降減小，塑性區范圍變小，襯砌受力基本不變，所以在地鐵施工時可優先使用先下后上的施工順序。

[1] 劉建航，候學淵. 盾構隧道[M]. 北京：中國鐵道出版社，1991.

[2] 錢七虎. 迎接我國城市地下空間開發高潮[J]. 巖土工程學報，1998(1):112-113.

[3] Peck R B. Deep excavation and sand tunnel in soft ground[A]. Proceeding of 7thInternational Conference on Soil Mechanic sand Foundation Engineering[C]. Mexico City:State of the Art Report，1969：225-290.

[4] 白廷輝，李文勇.江中段近距離盾構施工相互影響及治理[C]//地下鐵道文集，1999.

[5] 李永盛，黃海鷹. 盾構推進對相鄰樁體力學影響的實用計算方法[J]. 同濟大學學報：自然科學版，1997(3):274-280.

[6] 王佩芬.小凈距平行盾構隧道后施工隧道對先施工隧道影響分析[J].中國西部科技，2011, 10(13):36-37.

[7] 吳波，高波. 地鐵區間隧道施工對近鄰管線影響的三維數值模擬[J]. 巖石力學與工程學報，2002(S2):2451-2456.

[8] 方勇，何川. 平行盾構隧道施工對既有隧道影響的數值分析[J]. 巖土力學，2007(7):1402-1406.