近距離空間交叉盾構隧道受力特性分析

陳 行， 田明杰， 周鵬發， 陳文宇

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

我國的城市地鐵區間隧道主要采用盾構法修建，由于受地質條件及地下空間綜合開發利用等因素的影響，不可避免地出現近距離空間交叉盾構隧道等近接交通工程[1-2]。這種結構的受力特性受到自身圍巖土壓力及鄰近隧道結構荷載的影響，在長期隧道使用過程中甚至發生近距離空間交叉盾構隧道的不均勻沉降等現象，嚴重威脅隧道結構的營運安全[3]。因此，研究近距離空間交叉隧道結構在地面荷載及周圍巖土體重力荷載作用下的力學特性，對揭示城市地鐵的結構安全性和穩定性有極其重要的意義。

目前，部分學者對近距離空間交叉隧道的力學特性進行了相關研究。張春雷[4]分析了施工過程中地表沉降、土體塑性區分布、襯砌結構應力等指標；吳文濤等[5]針對雙線盾構隧道與聯絡通道組成復雜空間結構，進行了相關的受力影響計算分析；王國波等[6]計算了不同間距的4孔平行重疊和4孔垂直交叉隧道結構的抗震性能；陳行等[7]分析了在高鐵列車行駛工況下平行隧道的動力響應特性。

針對目前近距離交叉盾構隧道力學特性研究較少的情況，以武漢地鐵某近距離空間交叉盾構隧道為研究背景依托，建立近距離空間交叉盾構隧道三維數值模型，開展重力荷載作用下近距離交叉盾構隧道的力學特性研究。

1 工程概況

該近距空間交叉盾構隧道主要處于粉質黏土層中，上部隧道埋深15.3 m，下部隧道埋深21.3 m，上部隧道與下部隧道凈距6 m。隧道襯砌及仰拱均采用C50鋼筋混凝土管片，襯砌環外徑6.0 m，內徑5.4 m，厚度0.3 m，幅寬1.5 m。盾構隧道襯砌采用鋼筋混凝土預制管片拼裝而成,管片之間采用螺栓連接，管片襯砌環采用“3+2+1”的分塊方式。

2 數值模型及參數取值

運用有限元軟件MIDAS建立近距離空間交叉盾構隧道及巖土體的數值計算模型，該模型的相關尺寸為:高150 m、長200 m、寬200 m，上下交叉隧道凈距6.0 m。地層圍巖及隧道襯砌均采用實體單元模擬，模型周邊及底部均采用固定邊界。

地層圍巖與襯砌管片均采用實體單元進行模擬和計算，地層圍巖采用摩爾-庫倫彈塑性本構關系，襯砌管片采用彈性本構模型。地層圍巖和襯砌管片的物理參數見表1。

表1 物理力學參數

3 計算結果分析

3.1 地層初始應力場分析

在隧道修建前，由于地層圍巖在長期地質作用下及重力作用下，地層中具有一定的應力分布，根據工程實際情況，采用地質勘測報告所獲得的數據，通過計算得到地層初始應力場。地層圍巖重力作用下，形成了初始應力場。由于場地分布均勻，地層初始應力場沿地層深度的增加而逐步增大，在上部隧道處初始應力場約為570.4 kPa, 下部隧道處初始應力場約為837.7 kPa。

3.2 近距離空間交叉隧道位移分析

圖1為近距離空間交叉盾構隧道施工完成后，在重力作用下地層圍巖和上部隧道及下部隧道的位移云圖分布。

(a)地層圍巖

(b)交叉盾構隧道圖1 位移分布云圖

由圖1(a)可知，近距離空間交叉盾構隧道的開挖施工會引起地表的沉降，上部隧道開挖引起的地表沉降和下部隧道開挖引起的地表沉降在空間交叉部位形成了沉降疊加，疊加區域的地表沉降最大，其最大值達到了6.13 mm。圖1可知，由于上部隧道埋深較淺，上部隧道的開挖施工對地表的沉降影響范圍較大，沿上部隧道縱向方向的地表沉降形成了一定范圍內的沉降貫通區域，而下部隧道埋深相對較深，其開挖施工對地表的沉降影響范圍相對較小，其影響的地表沉降未形成沉降貫通區域。由圖1(b)可知，由于近距離空間交叉盾構隧道中上下部隧道之間的相互影響，在空間交叉部位上部及下部隧道的位移相對非交叉部位均較大。上部隧道位移最小值出現在兩邊的拱頂處，其值為1.95 mm, 最大值出現在交叉部位的拱底，其值為14.24 mm。下部隧道位移最小值出現在兩邊的拱頂處，其值為0.12 mm, 最大值出現在交叉部位的拱底，其值為18.37 mm。

3.3 近距離空間交叉隧道應力分析

圖2為近距離空間交叉盾構隧道施工完成后，在重力作用下地層圍巖和上部隧道及下部隧道的應力云圖分布。

由圖2(a)可知，近距離空間交叉盾構隧道的開挖施工會釋放隧道洞室周圍的土壓力，上部隧道及下部隧道的拱頂和拱底的土壓力均得到了較大程度的釋放，但拱頂的土壓力的釋放大小和范圍均大于拱底。由圖2(b)可知，上部隧道和下部隧道的襯砌管片的應力分布規律一直，均表現為拱腰處應力最大，拱頂和拱底處應力較小。

(a)地層圍巖

(b)交叉盾構隧道圖2 應力分布云圖

4 結論

以武漢地鐵某近距離空間交叉盾構隧道為研究背景依托，分析了自重條件下，近距離空間交叉盾構隧道及其所在地層圍巖的初始地應力、開挖后位移以及應力的分布特征，得出以下結論：

(1)上部隧道開挖引起的地表沉降和下部隧道開挖引起的地表沉降在空間交叉部位形成了沉降疊加，地表疊加區域的地表沉降最大。

(2)上部隧道的開挖施工對地表的沉降影響范圍相對下部隧道開挖的影響較大，且沿上部隧道縱向方向的地表沉降形成了一定范圍內的沉降貫通區域，而下部隧道開挖影響的地表沉降未形成沉降貫通區域。

(3)近距離空間交叉隧道開挖后，上部及下部隧道的位移最小值均出現在襯砌縱向兩邊的拱頂，最大值均出現在交叉部位的拱底。

(4)近距離空間交叉盾構隧道的開挖施工會釋放隧道洞室周圍的土壓力，上部及下部隧道的拱頂和拱底的土壓力均得到了較大程度的釋放，但拱頂的土壓力的釋放大小和范圍均大于拱底。

(5)近距離空間交叉隧道開挖后，上部和下部隧道的襯砌管片的應力分布規律一致，均表現為拱腰處應力最大，拱頂和拱底處應力較小。

[1] 杜立兵, 嚴松宏, 蔡白潔. 小凈距空間交叉隧道臺階法施工安全性研究[J]. 隧道建設, 2013(5):378-382.

[2] 馬殷軍. 小凈距空間交叉隧道地震響應分析[J]. 蘭州交通大學學報, 2015(3):15-19.

[3] 趙樂之, 喬磊. 新建隧道與既有隧道交叉段施工方案研究[J]. 建筑結構, 2012(S1):868-870.

[4] 張春雷. 地鐵盾構隧道小偏角近距離上穿既有隧道施工順序研究[J]. 中國勘察設計, 2011(3):82-85.

[5] 吳文濤, 張恒, 李海清. 地鐵聯絡通道施工力學特性分析[J]. 鐵道建筑, 2011(11):65-68.

[6] 王國波, 陳梁, 徐海清,等. 緊鄰多孔交疊隧道抗震性能研究[J]. 巖土力學, 2012(8):2483-2490.

[7] 陳行, 晏啟祥, 劉陽,等. 高速鐵路和地鐵近距離平行隧道動力響應分析[J]. 鐵道建筑, 2017(2):48-52.