地鐵交疊隧道夾角對(duì)隧道施工影響的數(shù)值分析

賈艷飛

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南昆明 650200）

0 引言

地鐵建設(shè)中隧道重疊方案通常是作為困難地段隧道展線(xiàn)的備選方案出現(xiàn)，重疊隧道多由雙線(xiàn)平行逐漸過(guò)渡到上下重疊。實(shí)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(chē)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(diǎn)，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(kāi)挖工序采用先下后上方法進(jìn)行。

1 計(jì)算模型

本次數(shù)值計(jì)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(jì)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(jìn)行位移約束，頂面為自由表面。初始應(yīng)力為土體的自重應(yīng)力，土體破壞服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

圖1 數(shù)值模型

本次數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)算分析

本次有限元計(jì)算，模擬施工過(guò)程為先施工下洞隧道，后施工上洞隧道，盾構(gòu)法施工。交疊隧道施工時(shí)，在交疊區(qū)域隧道凈距減小，近接施工效應(yīng)顯著，控制不當(dāng)易引發(fā)工程事故。因而，交疊隧道施工計(jì)算分析側(cè)重點(diǎn)為上洞施工對(duì)下洞管片結(jié)構(gòu)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(yīng)影響，各種工況下的計(jì)算結(jié)果略有不同，但整體上地層變形規(guī)律一致，即在隧道開(kāi)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(xiàn)沉降越大，越遠(yuǎn)離隧道中線(xiàn)沉降越小。

2.2 上洞隧道施工引起的地層沉降及管片應(yīng)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(kāi)挖后，由于擾動(dòng)效應(yīng)疊加，地層沉降分布明顯增大，最顯著為隧道垂直掘進(jìn)的情況。由于隧道開(kāi)挖擾動(dòng)效應(yīng)在交叉點(diǎn)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(shì)。

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(kāi)挖對(duì)下洞隧道的影響，并量化影響范圍，圖 4 給出了上洞隧道開(kāi)挖后兩隧道整體變形情況對(duì)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(guān)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(shí)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(jìn)行上洞開(kāi)挖時(shí)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(shí)際工程中土層性質(zhì)差異性很大，數(shù)值計(jì)算所得沉降或變形量值結(jié)果具有相對(duì)性，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，輔以必要的數(shù)值計(jì)算規(guī)律進(jìn)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(xiàn)。從圖 5 可以看出，不同交疊角度的交疊隧道施工對(duì)管片結(jié)構(gòu)沉降具有不同的影響效應(yīng)，最主要的表現(xiàn)為：當(dāng)兩隧道交疊角度小于 45°時(shí)，影響區(qū)域范圍較大，整體沉降呈緩而平的趨勢(shì)，且隧道差異沉降隨交疊角度的增大而增大；當(dāng)交疊角度大于 45°時(shí)，差異沉降區(qū)域趨于平穩(wěn)，影響區(qū)域?yàn)榫嚯x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(kāi)挖過(guò)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(dān)差異沉降越小，管片受力越均勻。因此，對(duì)于大角度交疊的情況，為避免交疊處管片因差異沉降過(guò)大造成應(yīng)力集中，施工中應(yīng)視掘進(jìn)情況進(jìn)行必要的補(bǔ)強(qiáng)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(xiàn)

圖6 不同交疊角度兩隧道管片應(yīng)力云圖（單位：kPa）

（4）圖 6 給出了不同交疊角度上洞施工過(guò)程中兩隧道管片應(yīng)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(guò)程中，上洞隧道施工會(huì)在交疊區(qū)域下洞管片內(nèi)部產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)力 S，這個(gè)過(guò)程中 Sx表現(xiàn)明顯。根據(jù)附加應(yīng)力情況進(jìn)行分析可知，上洞隧道在開(kāi)挖施工過(guò)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(dǎo)致下洞襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起變形，在襯砌內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力；同時(shí)，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(yīng)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(yīng)力明顯增大，拱頂壓應(yīng)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(yīng)力的分布情況看，主要分布在疊交點(diǎn)左右約 15 m 范圍。

（5）綜合以上分析，可以認(rèn)為交疊區(qū)域的影響主要是由于上洞隧道開(kāi)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(dòng)影響疊加，交疊處地層變形、管片附加應(yīng)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(yīng)力；從交疊隧道附加應(yīng)力的分布范圍以及前述管片差異沉降范圍判斷，當(dāng)交疊角度較大時(shí)，會(huì)在以交疊點(diǎn)為中心左右各 15 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生影響，且離交疊點(diǎn)中心越近，附加應(yīng)力越大。因此，在進(jìn)行交疊隧道施工時(shí)，交疊位置一定范圍內(nèi)為施工控制需要重點(diǎn)考慮的影響區(qū)域，對(duì)交疊區(qū)域夾巖進(jìn)行注漿加固處理，對(duì)于控制地層沉降、減少管片附加應(yīng)力均有一定作用。

圖7 交疊隧道區(qū)域變形示意圖

3 結(jié)論

（1）交疊隧道交疊角度對(duì)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(kāi)挖會(huì)使上下兩隧道整體產(chǎn)生擠壓夾巖效應(yīng)，從而使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異變形。當(dāng)交疊角度小于 45°時(shí)，該差異變形在隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部被多節(jié)管片均擔(dān)，隧道整體變形趨勢(shì)緩而平，對(duì)管片結(jié)構(gòu)受力影響較??；相反，當(dāng)交疊角度大于 45°時(shí)，該差異沉降由交疊區(qū)域附近一定范圍的管片環(huán)分擔(dān)，交疊角度越大，襯砌整體變形曲率越大，在管片內(nèi)部應(yīng)力集中越明顯。

（2）從附加應(yīng)力的分布范圍以及前述管片差異沉降范圍來(lái)看，交疊隧道交疊角度較大時(shí)，會(huì)在以交疊點(diǎn)為中心距隧道中心軸線(xiàn)左右各 15 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生較明顯的擾動(dòng)影響，且離交疊點(diǎn)中心越近，擾動(dòng)越大、附加應(yīng)力越大。