疊落盾構隧道施工相互影響及對地表沉降分析

■艾正偉 宋文凱

（新疆交通規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，烏魯木齊 830006）

近年來， 隨著國內城市地下交通的不斷發(fā)展，越來越多的城市開始建設地鐵工程。 在城市地下隧道工程建設過程中，不可避免地會遇到疊落隧道這一現(xiàn)象，如何選擇合適的疊落隧道施工方式至關重要。 國內學者對近接隧道進行了一些研究，如以盾構隧道近距離下穿既有隧道為研究對象，研究了新建盾構隧道近距離下穿既有隧道的開挖面破壞以及地表沉降的變形特性[1-2]；以某在建地鐵下穿既有工程為研究背景，采用數(shù)值分析軟件分析了新建隧道不同錯距的掘進方案，并給出了合理的施工錯距范圍[3-4]；以新建隧道上跨既有隧道線路為研究對象，采用數(shù)值分析方法分析了新建盾構隧道管片受力狀態(tài)，并對隧道上跨的穩(wěn)定性和安全性進行了分析[5-6]；以新建隧道對既有鄰近隧道施工影響為研究對象，應用復變函數(shù)和Schwarz 交替法等理論手段推導得到了新建隧道對既有隧道影響解析解，并著重考慮了地層初始應力場和新建隧道施工過程中不同階段的影響因素[7-8]。 基于前人的研究，本文主要以某疊落盾構隧道施工為研究對象，重點就“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式對地表沉降、隧道周邊位移、襯砌管片最大軸力和位移的影響，進行了對比分析，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

以某市軌道交通疊落盾構隧道工程，疊落段長度約為86 m，從地表向下土層依次為素填土、粉質黏土、 泥質砂巖和砂礫石， 厚度依次為2、25、10、28 m，上行隧道中心埋深為8.6 m，下行隧道中心埋深為19.1 m，襯砌厚度為30 cm，施工方式有2 種，分別為“先上后下”和“先下后上”隧道施工方式。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

以某市軌道交通疊落盾構隧道施工為研究對象， 采用大型有限元軟件Midas GTS NX 建模進行計算分析，疊落隧道數(shù)值模型圖如圖1 所示。 考慮到隧道的大小以及開挖影響范圍，模型長、寬分別取100 m 和60 m，高度80 m，從上至下土層依次為素填土、粉質黏土、泥質砂巖和砂礫石，厚度依次為2、25、10、28 m。 除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。 隧道直徑為6 m， 管片厚度為30 cm。 隧道圍巖采用實體單元建立、襯砌采用結構單元，均采用摩爾庫倫本構模型，圖中模型網(wǎng)格分別為17682 個。

圖1 數(shù)值模型圖

2.2 參數(shù)賦值

表1 為土體的物理力學參數(shù)，表2 為管片及注漿材料的力學參數(shù)。

表1 土體的物理力學參數(shù)

表2 管片及注漿材料的力學參數(shù)

2.3 工況設置

本文共設置2 種不同工況，分別為“先上后下”施工方式和“先下后上”施工方式，主要對2 種不同施工工序下的隧道施工進行對比分析。 2 種不同施工方式下的單次掘進長度均為3 m （即2 個管片寬度），單次掘進長度時間控制在2.5 h 左右。

3 數(shù)值結果分析

3.1 “先上后下”方式隧道開挖穩(wěn)定性分析

采用“先上后下”方式施工時，得到了疊落隧道周圍土體變形特性。 隧道開挖后土體豎向位移云圖如圖2 所示。 由圖2（a）可知，當上行隧道施工完成后，隧道拱頂土體發(fā)生沉降，拱底發(fā)生隆起，拱頂最大沉降和拱底最大隆起值分別為1.74 mm 和1.99 mm。 由圖2（b）可知，當下行隧道施工完成后，圍巖變形重新分布，上行隧道拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為1.18 mm 和3.63 mm； 下行隧道拱頂和拱底均發(fā)生隆起，拱頂和拱底最大隆起值分別為1.89 mm 和3.34 mm。 相較于上行隧道施工完成時的位移，下行隧道的施工使得上行隧道的拱頂沉降減小，使得拱底隆起增大。

圖2 “先上后下”施工方式隧道開挖完成后土體豎向位移云圖

采用“先上后下”方式施工時，得到了地表沉降變形規(guī)律。 上行隧道開挖完后以及上行、下行隧道全部施工完成后的地表沉降曲線如圖3 所示。 可知地表沉降沿隧道中心呈兩側水平對稱，先建上行隧道開挖完成后，地表最大沉降值為8.64 mm，而在下行隧道施工完成后， 地表最大沉降值為24.16 mm，整體最大沉降值比上行隧道施工完成時增大了約1.8 倍，說明“先上后下”隧道施工方式下，疊落隧道開挖對地表沉降產(chǎn)生疊加效應，且下行隧道施工導致的地表沉降大于上行隧道引起的地表沉降。

圖3 “先上后下”施工方式下地表沉降曲線

“先上后下” 方式施工下上行隧道變形規(guī)律較為重要。 “先上后下”隧道施工方式下上行隧道監(jiān)測點豎向位移如圖4 所示， 圖中以位移向上為正，反之為負。 可知,當上行隧道施工完成后，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.74 mm、1.99 mm、1.23 mm 和1.17 mm；當后建下行隧道施工完成后，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.18 mm、3.63 mm、1.65 mm 和1.62 mm。 綜上所述，后建下行隧道施工導致上行隧道的拱頂沉降減小了32.2%， 使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分別增大了82.4%、34.1%和38.5%。

圖4 “先上后下”施工方式下上行隧道監(jiān)測點豎向位移

3.2 “先下后上”方式隧道開挖穩(wěn)定性分析

采用“先下后上”方式施工時，得到了疊落隧道周圍土體變形特性。 隧道開挖后土體豎向位移云圖如圖5 所示、由圖5（a）可知，當先建下行隧道施工完成后，隧道拱頂土體發(fā)生沉降，拱底發(fā)生隆起，拱頂最大沉降和拱底最大隆起值分別為1.73 mm 和1.67 mm。由圖5（b）可知，當后建上行隧道施工完成后，圍巖變形重新分布，下行隧道拱頂和拱底均發(fā)生隆起，最大隆起值分別為0.23 mm 和2.60 mm；上行隧道拱頂最大沉降值和拱底最大隆起值分別為1.27 mm 和1.78 mm。 相較于下行隧道施工完成時的位移，上行隧道的施工使得下行隧道的拱頂由沉降變成隆起，使得拱底隆起值增大。

圖5 “先下后上”施工方式隧道開挖完成后土體豎向位移云圖

采用“先下后上”方式施工時，得到了地表沉降變形規(guī)律。 先建下行隧道開挖完后以及下行、上行隧道全部施工完成后的地表沉降曲線如圖6 所示?？芍乇沓两笛厮淼乐行某蕛蓚人綄ΨQ，先建下行隧道開挖完成后，地表最大沉降值為6.36 mm，而在后建上行隧道施工完成后， 地表最大沉降值為10.92 mm，整體最大沉降值比先建后行隧道施工完成時增大了約0.56 倍，說明“先下后上”隧道施工方式下， 疊落隧道開挖對地表沉降產(chǎn)生疊加效應，且后建上行隧道施工導致的地表沉降小于先建下行隧道引起的地表沉降。

圖6 “先下后上”施工方式下地表沉降曲線

“先下后上”方式施工下下行隧道變形規(guī)律較為重要。 “先下后上”隧道施工方式下下行隧道監(jiān)測點豎向位移如圖7 所示，圖中以位移向上為正，反之為負?？芍滦兴淼朗┕ね瓿珊?，上行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為－1.73 mm、1.67 mm、0.78 mm 和0.76 mm， 當后建上行隧道施工完成后，下行隧道拱頂、拱底、左拱腰和右拱腰的豎向位移分別為0.23 mm、2.60 mm、1.61 mm 和1.57 mm。 綜上所述，后建上行隧道施工導致下行隧道的拱頂沉降減小了1.96 mm，使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分別增大了55.7%、106.4%和106.6%。

圖7 “先下后上”施工方式下下行隧道監(jiān)測點豎向位移

3.3 2 種施工方式對比分析

如表3 所示， 通過對2 種方式下地表沉降、隧道周邊位移、 襯砌管片最大軸力和位移進行分析，可知，采用“先下后上”施工方式均優(yōu)于“先上后下”施工方式。 此外，由上述分析可知采用“先上后下”方式施工產(chǎn)生的二次擾動影響大于 “先下后上”施工方式，尤其是對于拱頂和拱底。 綜上可知，工程中當遇到疊落隧道施工時，采用“先下后上”施工方式要優(yōu)于“先上后下”方式。

表3 2 種施工方式監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

4 結論

本文主要以某疊落盾構隧道施工為研究對象，重點就“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式對地表沉降、隧道周邊位移、襯砌管片最大軸力和位移的影響進行了對比分析， 得到以下結論：（1）“先上后下”和“先下后上”2 種隧道施工方式下地表沉降均產(chǎn)生疊加效應，二者地表最大沉降值分別為24.16 mm 和10.92 mm，采用“先下后上”施工方式較“先上后下”施工方式地表總沉降減小約54.8%。（2）采用“先下后上”施工方式下，工程完工后先建隧道的周邊土體位移均小于“先上后下”施工方式下先建隧道的周邊土體位移，尤其是對于拱頂和拱底采用“先下后上”施工方式相較于“先上后下”施工方式二者大小值分別減小80.5%和28.4%（3）“先上后下”方式施工產(chǎn)生的二次擾動影響大于“先下后上”施工方式，當工程中遇到疊落隧道施工時，可以優(yōu)先采用“先下后上”施工方式。