地鐵交疊隧道夾角對隧道施工影響的數(shù)值分析

賈艷飛

（中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

地鐵建設中隧道重疊方案通常是作為困難地段隧道展線的備選方案出現(xiàn)，重疊隧道多由雙線平行逐漸過渡到上下重疊。實際工程中，相比于真正的重疊隧道，交疊隧道所占比重更大。本文以昆明地鐵首期工程環(huán)城南路站—昆明火車站站區(qū)間為背景，研究更廣義的重疊隧道，即以交疊隧道施工相互影響為著眼點，研究交疊隧道在不同交疊角度條件下施工，兩隧道之間的相互影響規(guī)律。研究中變量為交疊隧道上下兩隧道之間的夾角，兩隧道最小凈距保持 3 m 不變，兩隧道的開挖工序采用先下后上方法進行。

1 計算模型

本次數(shù)值計算考慮上下兩隧道間夾角為15°、30°、45°、60°、75°和 90°等 6 種工況，數(shù)值計算模型如圖 1所示。模型尺寸為 60 m×60 m×45 m，邊界約束情況為四周和底面進行位移約束，頂面為自由表面。初始應力為土體的自重應力，土體破壞服從摩爾-庫倫準則。

圖1 數(shù)值模型

本次數(shù)值計算所取斷面土層涉及土層較多，且很多為互層或是厚度較薄土層。為計算方便，將性質(zhì)相似且較薄的互層歸為一種土層，并且將各土層概化為均一地層。

2 有限元計算分析

本次有限元計算，模擬施工過程為先施工下洞隧道，后施工上洞隧道，盾構法施工。交疊隧道施工時，在交疊區(qū)域隧道凈距減小，近接施工效應顯著，控制不當易引發(fā)工程事故。因而，交疊隧道施工計算分析側重點為上洞施工對下洞管片結構受力以及地層沉降變形的影響。

2.1 下洞隧道施工引起的地層沉降

圖2 為下洞隧道施工引起地層沉降分布云圖。從圖2 中可以看出，由于邊界效應影響，各種工況下的計算結果略有不同，但整體上地層變形規(guī)律一致，即在隧道開挖輪廓周邊呈現(xiàn)拱頂下沉、仰拱隆起的變形規(guī)律。從沉降槽形態(tài)看，越靠近隧道中線沉降越大，越遠離隧道中線沉降越小。

2.2 上洞隧道施工引起的地層沉降及管片應力

（1）圖 3 為上洞隧道施工引起地層沉降分布云圖。從圖 3 中可以看出，上洞隧道開挖后，由于擾動效應疊加，地層沉降分布明顯增大，最顯著為隧道垂直掘進的情況。由于隧道開挖擾動效應在交叉點附近疊加，該區(qū)域沉降明顯大于周邊沉降，沉降分布出現(xiàn)從中間向四周逐漸減小的趨勢。

圖2 下洞施工（不同交疊角）引起地層沉降云圖（單位：m）

（2）為比較上洞隧道開挖對下洞隧道的影響，并量化影響范圍，圖 4 給出了上洞隧道開挖后兩隧道整體變形情況對比。從圖 4 可明顯看出，交疊隧道施工影響與交疊情況有直接關系，上洞與下洞處于不同的交疊角度情況下，施工相互影響范圍及影響程度不同。這在實際工程中，可為確定合理加固范圍提供理論依據(jù)。出于這樣的原因，提取各種工況下進行上洞開挖時上洞的差異變形，該差異變形的范圍可視為交疊隧道施工需要考慮的影響范圍，也是注漿加固范圍。由于實際工程中土層性質(zhì)差異性很大，數(shù)值計算所得沉降或變形量值結果具有相對性，需要根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測，輔以必要的數(shù)值計算規(guī)律進行綜合判斷。

圖3 上洞施工（不同交疊角）引起地層沉降云圖（單位：m）

（3）圖 5 給出了上洞施工引起地層沉降分布曲線。從圖 5 可以看出，不同交疊角度的交疊隧道施工對管片結構沉降具有不同的影響效應，最主要的表現(xiàn)為：當兩隧道交疊角度小于 45°時，影響區(qū)域范圍較大，整體沉降呈緩而平的趨勢，且隧道差異沉降隨交疊角度的增大而增大；當交疊角度大于 45°時，差異沉降區(qū)域趨于平穩(wěn)，影響區(qū)域為距離隧道交叉中心左右約 15 m 范圍；從上洞隧道管片拱頂和仰拱處差異沉降大小看，上洞平均拱頂沉降約為 20 mm，仰拱沉降約為 5 mm，各工況差異沉降基本相同，表明管片在隧道開挖過程中是協(xié)調(diào)變形的；從差異沉降在隧道的分布情況可知，交疊隧道夾角越小，平均每節(jié)管片分擔差異沉降越小，管片受力越均勻。因此，對于大角度交疊的情況，為避免交疊處管片因差異沉降過大造成應力集中，施工中應視掘進情況進行必要的補強加固。

圖4 上洞施工（不同交疊角）引起兩隧道管片變形云圖（單位：m）

圖5 上洞施工引起地層沉降分布曲線

圖6 不同交疊角度兩隧道管片應力云圖（單位：kPa）

（4）圖 6 給出了不同交疊角度上洞施工過程中兩隧道管片應力的變化情況。從圖 6 可以明顯地看出，在隧道由小角度逐漸變化為大角度交疊的過程中，上洞隧道施工會在交疊區(qū)域下洞管片內(nèi)部產(chǎn)生明顯的附加應力 S，這個過程中 Sx表現(xiàn)明顯。根據(jù)附加應力情況進行分析可知，上洞隧道在開挖施工過程中，由于卸載作用而使得交疊區(qū)域卸載作用更為明顯，導致下洞襯砌結構發(fā)生隆起變形，在襯砌內(nèi)部產(chǎn)生拉應力；同時，由于上下交疊隧道的相互作用，上洞隧道在交疊區(qū)域的應力狀態(tài)也發(fā)生明顯變化，具體表現(xiàn)為上洞隧道拱底處拉應力明顯增大，拱頂壓應力在大交疊角度的情況下也出現(xiàn)明顯增大的情況，從附加應力的分布情況看，主要分布在疊交點左右約 15 m 范圍。

（5）綜合以上分析，可以認為交疊區(qū)域的影響主要是由于上洞隧道開挖卸載，使交疊區(qū)域的夾巖變松軟，上下隧道襯砌在施工完成后，上洞隧道在交疊區(qū)域產(chǎn)生下沉變形，下洞隧道產(chǎn)生隆起變形（圖 7），因而擾動影響疊加，交疊處地層變形、管片附加應力則主要是由于管片與夾巖協(xié)調(diào)變形和在內(nèi)部產(chǎn)生的附加應力；從交疊隧道附加應力的分布范圍以及前述管片差異沉降范圍判斷，當交疊角度較大時，會在以交疊點為中心左右各 15 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，且離交疊點中心越近，附加應力越大。因此，在進行交疊隧道施工時，交疊位置一定范圍內(nèi)為施工控制需要重點考慮的影響區(qū)域，對交疊區(qū)域夾巖進行注漿加固處理，對于控制地層沉降、減少管片附加應力均有一定作用。

圖7 交疊隧道區(qū)域變形示意圖

3 結論

（1）交疊隧道交疊角度對隧道施工有一定影響，具體表現(xiàn)為在交疊區(qū)域附近，上洞隧道開挖會使上下兩隧道整體產(chǎn)生擠壓夾巖效應，從而使襯砌結構產(chǎn)生差異變形。當交疊角度小于 45°時，該差異變形在隧道襯砌結構內(nèi)部被多節(jié)管片均擔，隧道整體變形趨勢緩而平，對管片結構受力影響較小；相反，當交疊角度大于 45°時，該差異沉降由交疊區(qū)域附近一定范圍的管片環(huán)分擔，交疊角度越大，襯砌整體變形曲率越大，在管片內(nèi)部應力集中越明顯。

（2）從附加應力的分布范圍以及前述管片差異沉降范圍來看，交疊隧道交疊角度較大時，會在以交疊點為中心距隧道中心軸線左右各 15 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生較明顯的擾動影響，且離交疊點中心越近，擾動越大、附加應力越大。