小凈距長(zhǎng)距離重疊隧道的施工順序影響分析

劉建國(guó)， 韓翔宇， 陳壽根

(1. 深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東深圳 518001； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-05-11

近年來(lái)，由于城市的快速發(fā)展，城市人口密度的劇增，對(duì)城市的交通建設(shè)提出了越來(lái)越高的要求。地鐵因其運(yùn)輸能力強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)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(gòu)法等，各種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，而盾構(gòu)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(guò)程中依靠自身剛性支護(hù)不斷地在前方開(kāi)挖土體，在盾尾進(jìn)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(zhì)和水文地質(zhì)條件下使用，具有機(jī)械化程度高和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。一般情況下，采用盾構(gòu)法修建的地鐵區(qū)間都在繁華的鬧市區(qū)，施工環(huán)境復(fù)雜。在這種條件下，由于場(chǎng)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(gòu)施工帶來(lái)了巨大的考驗(yàn)[1-2]。

對(duì)于如何減少施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)程度，最大限度的降低施工對(duì)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(wèn)題，一直是學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)心的問(wèn)題。Peck(1969)基于對(duì)隧道表面沉降槽形狀的觀察及大量實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)提出了隧道施工階段的地面呈正態(tài)分布的沉降經(jīng)驗(yàn)公式[3]。上海地鐵二號(hào)線與黃浦江行人隧道交叉段盾構(gòu)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工方法進(jìn)行總結(jié)和研究，提出了相應(yīng)的控制措施[4]。李永盛和黃海鷹結(jié)合上海地鐵二號(hào)線的實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)了由盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致樁體產(chǎn)生變形的全過(guò)程，確定了盾構(gòu)機(jī)與樁體間的最小容許距離[5]。王佩芬采用Midas/GTS軟件，針對(duì)天津地鐵某區(qū)間兩平行隧道的盾構(gòu)施工，其中最小凈距僅為0.98 m，經(jīng)過(guò)模擬分析，提出了相應(yīng)的注漿加固措施[6]。但考慮到對(duì)于長(zhǎng)距離重疊隧道盾構(gòu)施工順序的研究還較少，本文在綜合已有資料研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合長(zhǎng)距離重疊隧道及盾構(gòu)施工的特點(diǎn)，采用數(shù)值分析的手段，重點(diǎn)研究長(zhǎng)距離重疊隧道施工順序，為盾構(gòu)施工提供科學(xué)合理化建議。

1 工程概況

新建深圳地鐵7號(hào)線連接布心、田貝、筍崗、華強(qiáng)北、福田南、車公廟、龍珠、西麗等片區(qū)，是聯(lián)系深圳特區(qū)內(nèi)主要居住區(qū)與就業(yè)區(qū)的局域線。線路由太安至西麗動(dòng)物園，全長(zhǎng)約28.9 km，設(shè)站23座；其中換乘站11座(圖1)。

圖1 深圳地鐵7號(hào)線線路

新建深圳地鐵7號(hào)線紅嶺北-筍崗-洪湖-田貝3個(gè)區(qū)間總長(zhǎng)2 470 m，主要采用盾構(gòu)法施工，由于空間限制，三區(qū)間多數(shù)地段存在重疊隧道，最小凈距僅2.0 m。區(qū)間場(chǎng)地地形較平坦，表覆素填土、雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、礫砂、卵石、砂質(zhì)黏性土，下伏震旦系全風(fēng)化～微風(fēng)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(gòu)先行，靠近筍崗站西端，局部進(jìn)入中風(fēng)化巖層。右線盾構(gòu)段靠近筍崗站西端，隧道頂部分布有卵石、砂礫。

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)段地質(zhì)條件，主要以人工雜填土、淤泥質(zhì)土層、礫質(zhì)黏性土層等飽和富水砂土層為主，地層力學(xué)參數(shù)軟弱，地下水位高。其中計(jì)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(qiáng)風(fēng)化麻狀混合花崗巖，具體地層及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型

本文采用FLAC3D有限差分軟件建立三維分析數(shù)值模型，分析模型中重疊隧道之間的位置關(guān)系見(jiàn)圖2所示，根據(jù)重疊隧道結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸、凈距關(guān)系，選取凈距為2 m，設(shè)置了兩種工況，分別是先上后下和先下后上。

圖2 有限差分?jǐn)?shù)值模型

數(shù)值模擬計(jì)算中做了以下假設(shè)：(1) 工程所研究橫斷面范圍內(nèi)，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(xué)性能；(2) 土體破壞采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，行車隧道混凝土襯砌及盾構(gòu)機(jī)管片采用彈性模型計(jì)算；(3) 采用大變形理論計(jì)算。

3 結(jié)果及分析

通過(guò)對(duì)不同的工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析隧道開(kāi)挖后的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)的分布情況。其中，施工順序?yàn)橄壬虾笙碌墓r計(jì)算結(jié)果如圖3所示，先下后上的工況計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

通過(guò)圖3中的位移云圖、塑性區(qū)云圖及襯砌應(yīng)力圓可以看出由位移云圖可知，隨著下部隧道的開(kāi)挖，隧道開(kāi)挖的影響區(qū)域變大，開(kāi)挖引起的地表位移增加至26.5 mm，沉降最大值出現(xiàn)在隧道頂部。與此同時(shí)，由于上部隧道開(kāi)挖引起的隧道底部隆起，下部隧道開(kāi)挖引起下部隧道頂部的沉降，因此必須采取相關(guān)措施嚴(yán)格控制上下隧道之間的位移變化。分析洞室掘進(jìn)后的塑性區(qū)范圍可以得到，上部隧道開(kāi)挖過(guò)程中，隧道頂部土體將受到破壞，同時(shí)隧道洞壁周圍將產(chǎn)生一定范圍的剪切破壞。隨著下部隧道的開(kāi)挖，下部隧道周圍土體同樣產(chǎn)生一定區(qū)域的剪切破壞，而且破壞區(qū)域大于上部隧道開(kāi)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(qū)將會(huì)連通，尤其是在襯砌管片頂部塑性區(qū)域較大。通過(guò)分析應(yīng)力圓云圖可知，由于土體的開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致襯砌承受土體的壓力。隨著下部隧道的開(kāi)挖，造成隧道周邊的位移繼續(xù)增加，土層進(jìn)而產(chǎn)生更大的土壓力，使得隧道襯砌的壓力增大。

(a) 隧道開(kāi)挖后地層位移分布云圖

(b) 隧道開(kāi)挖后地層塑性區(qū)分布

(c) 襯砌管片應(yīng)力半徑云圖圖3 先上后下計(jì)算結(jié)果

(a) 隧道開(kāi)挖后地層位移分布云圖

(b)隧道開(kāi)挖后地層塑性區(qū)分布

(c)襯砌管片應(yīng)力半徑云圖圖4 先下后上計(jì)算結(jié)果

對(duì)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(kāi)挖對(duì)于周邊土體和襯砌的影響也有所差異。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)采用先下后上順序進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，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(jì)算結(jié)果。上下隧道之間的土體上部出現(xiàn)隆起，下部出現(xiàn)下沉，與圖3計(jì)算規(guī)律相似。圖4中的塑性區(qū)范圍較圖3中大，說(shuō)明采用先上后下的施工順序?qū)ν馏w的擾動(dòng)更大。對(duì)比應(yīng)力圓云圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種施工順序時(shí)最終施加在襯砌上的應(yīng)力近似相等。

4 結(jié)論

本文針對(duì)不同凈距情況下盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程分析，采取了先上后下、先下后上兩種工況進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬小凈距隧道施工過(guò)程，計(jì)算分析了隧道掘進(jìn)施工引起的地層位移，塑性區(qū)分布以及襯砌的受力狀況，得出以下結(jié)論：(1)無(wú)論何種施工順序，都存在由于上部隧道的開(kāi)挖卸荷，導(dǎo)致一定范圍的地層產(chǎn)生位移，其中隧道頂部發(fā)生沉降，隧道底部發(fā)生隆起襯砌所受應(yīng)力均為壓力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底和兩側(cè)邊墻位置。通過(guò)塑性區(qū)分布云圖得到，隧道頂部土層發(fā)生破壞，而且隧道周邊一定范圍的土體產(chǎn)生剪切破壞。(2)因?yàn)槎軜?gòu)隧道的開(kāi)挖作用及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，所以隧道襯砌所受應(yīng)力均為壓力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在隧道拱底和兩側(cè)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(duì)比不同工況計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)采用先下后上的施工順序進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，隧道頂部土體沉降減小，塑性區(qū)范圍變小，襯砌受力基本不變，所以在地鐵施工時(shí)可優(yōu)先使用先下后上的施工順序。

[1] 劉建航，候?qū)W淵. 盾構(gòu)隧道[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，1991.

[2] 錢七虎. 迎接我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)高潮[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，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(gòu)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(gòu)推進(jìn)對(duì)相鄰樁體力學(xué)影響的實(shí)用計(jì)算方法[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1997(3):274-280.

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

[7] 吳波，高波. 地鐵區(qū)間隧道施工對(duì)近鄰管線影響的三維數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002(S2):2451-2456.

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