唐明明，劉 淼

(北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037)

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，地下空間的開發(fā)利用也在不斷擴(kuò)大，地鐵交通建設(shè)得到了快速發(fā)展。在部分地鐵線路設(shè)計(jì)中，由于受地質(zhì)條件及地下空間綜合開發(fā)利用等因素的影響，地鐵線路之間近距離相互交疊、穿越等現(xiàn)象越來越多［1－2］。隧道交疊施工對同一區(qū)域地層進(jìn)行多次擾動(dòng)，并且隧道間也存在相互作用，地應(yīng)力分布復(fù)雜，交疊施工對周圍環(huán)境以及隧道結(jié)構(gòu)本身都將造成極大的安全隱患［3－6］。

針對交疊隧道施工安全性影響問題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。孫鈞等［7］通過對地鐵左右線隧道斜向并列工況進(jìn)行分析研究，認(rèn)為地面最大沉降量在上部隧道推進(jìn)過程中將會(huì)大幅增加，并且在推進(jìn)前期增幅最為顯著。Hage C.F.等［8］通過對雙線隧道在水平并列、斜向并列、豎向交疊3種線路排布情況進(jìn)行研究，認(rèn)為豎向交疊隧道對地層沉降的影響最為明顯，斜向并列情況次之，水平并列時(shí)地層沉降相對較小。Byun G.W.等［9］對交疊隧道進(jìn)行了相似模型試驗(yàn)，認(rèn)為既有隧道擾動(dòng)了交疊區(qū)域的地應(yīng)力分布，在新建隧道下穿施工時(shí)，地層呈拱效應(yīng)被削弱，進(jìn)而將引起較為顯著的地層沉降。靳曉光等［10］則對深埋交叉隧道的力學(xué)行為進(jìn)行闡述，認(rèn)為沿2個(gè)隧道縱向平面內(nèi)的地層剪應(yīng)力最為顯著。

國內(nèi)外學(xué)者的研究成果為交疊隧道工程提供了重要參考，但目前多數(shù)的研究成果偏向于對2條隧道橫向交疊或豎向并列的情況，而對于同一條線路左右線間交叉轉(zhuǎn)換情況的研究相對缺乏。本文以西安地鐵臨潼線區(qū)間左右線交叉轉(zhuǎn)換工況為背景，研究并行隧道空間交叉轉(zhuǎn)換施工對周圍地層的影響情況，并對隧道間先后施工擾動(dòng)的相互作用問題進(jìn)行分析，得出隧道交叉轉(zhuǎn)換工況下的一般變形規(guī)律。

1 工程概況

西安地鐵臨潼線西起紡織城，終止于臨潼區(qū)秦漢大道，其間紡織城站至香王站區(qū)間線路隧道在YCK1+306.625～+402.000里程段長約95 m進(jìn)行左、右線轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方式為左線上跨右線，如圖1和圖2所示。區(qū)間隧道埋深12.7～29.2 m，隧道交叉重疊段采用“先下后上”的施工順序，均采用盾構(gòu)法施工，隧道豎向凈距為3.9～5.0 m，屬于小凈距重疊施工關(guān)系。盾構(gòu)管片外截面直徑6.0 m，厚0.3 m，采用C50預(yù)制混凝土管片錯(cuò)縫拼裝成環(huán)，環(huán)寬1.2 m，采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)法掘進(jìn)，盾構(gòu)直徑為6.3 m，管片和周圍地層間隙采用水泥漿充填。

圖2 紡織城站—香王站區(qū)間交疊段隧道縱剖面圖Fig.2 Longitudinal profile of overlapping shield tunnels in Fangzhicheng Station-Xiangwang Station section

線路左右線交疊轉(zhuǎn)換段位于灞河三級階地，地形較為平坦，區(qū)間地層主要為第四系堆積物，自上而下依次為:全新統(tǒng)人工填土(，層厚0.5～2.7 m)、沖洪積()黃土狀土(層厚 8.5 ～13.7 m)、卵石土(層厚5.8～7.8 m)和中更新統(tǒng)沖洪積()粉質(zhì)黏土(層厚27.8～41.6 m)及圓礫土(層厚 1.4 ～6.9 m)。場地地層剖面如圖3所示。

圖3 左右線交疊區(qū)域地層剖面圖Fig.3 Profile showing geological conditions of overlapping tunnel section

2 計(jì)算模型及方法

隧道左右線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)屬于空間交疊問題，在轉(zhuǎn)換前后均在同一水平面內(nèi)，但在交疊位置存在上下交錯(cuò)，線路空間特征復(fù)雜。為更真實(shí)地反映線路的實(shí)際工況，建立三維空間計(jì)算模型，如圖4所示。計(jì)算模型尺寸長600 m、寬150 m、高41 m，盾構(gòu)管片及周圍地層均采用實(shí)體單元模擬，土體屈服采用摩爾－庫侖準(zhǔn)則，共劃分225 067個(gè)單元，模型側(cè)面和底面為位移邊界，模型頂面取為自由邊界，底面采用固定約束，側(cè)面采用法向約束。隧道在垂直交疊處的建模剖面如圖5所示。

圖4 盾構(gòu)隧道的空間結(jié)構(gòu)Fig.4 3D model of overlapping shield tunnels

圖5 隧道垂直交疊處的模型剖面圖Fig.5 Profile of vertically-overlapping section of shield tunnels

盾構(gòu)推進(jìn)過程的模擬方法采用剛度遷移法［11］，模型中預(yù)留注漿區(qū)單元以及管片單元，在計(jì)算過程中逐步更換材料參數(shù)。盾構(gòu)采用復(fù)合式土壓平衡方式，計(jì)算過程中忽略盾構(gòu)自身重力，僅在掌子面上施加與所在地層的壓力相平衡的推進(jìn)壓力［12］。計(jì)算過程按照實(shí)際施工工序，二隧道均從小里程向大里程方向掘進(jìn)，先施工位于下部的右線，后施工上跨的左線。

3 計(jì)算參數(shù)

場地范圍內(nèi)土層分布主要以雜填土(層厚1.3～8.3 m)、素填土(層厚 0.5 ～7.2 m)、黃土狀土(層厚1.2 ～13.7 m)、圓礫土(屬于透鏡體夾層，層厚 0.9 ～4.5 m)、卵石土(層厚 0.8 ～ 7.8 m)及粉質(zhì)黏土(0.8～41.6 m)為主?？紤]到地層實(shí)際分布狀況，在計(jì)算中將土層簡化為填土層、黃土狀土、卵石土及粉質(zhì)黏土4層，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 各材料力學(xué)特性參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of soils，grouting section and tunnel segment

4 結(jié)果分析

采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)模型并劃分網(wǎng)格，根據(jù)實(shí)際地層對網(wǎng)格單元賦與材料參數(shù)，得出各個(gè)施工步驟下地層位移及隧道變形量。

4.1 地層沉降規(guī)律

右線隧道施工完成后的總體沉降云圖以及各橫斷面沉降云圖如圖6和圖7所示，圖中x表示沿模型長邊方向的坐標(biāo)(取值范圍0≤x≤600 m，其中x=0為盾構(gòu)起始方向)。

圖6 右側(cè)隧道施工完畢時(shí)的地層沉降云圖Fig.6 Contour of ground settlement after completion of right tunnel tube

由圖6和圖7可知:受右側(cè)隧道盾構(gòu)施工的影響，隧道上方的土體出現(xiàn)了較為明顯的沉降，地層沉降規(guī)律屬于典型的漏斗形，土體沉降值隨與隧道的水平距離的增加而減小，沉降影響距離為2～3倍隧道直徑。盾構(gòu)引起的地層沉降在管片上方位置相對較大，最大值約為10.97 mm，管片底部地層有隆起趨勢，最大隆起值為4.21 mm。通過各剖面沉降云圖對比可知，受地層壓力的影響，管片上部沉降值以及底部隆起量均隨著隧道埋置深度的增加而增加，即在中間下凹段(x=300 m)最大，在兩端水平段相對較小。

圖7 右側(cè)隧道施工完畢時(shí)各橫剖面沉降云圖Fig.7 Contour of ground settlement at different cross-sections when the construction of the right tunnel tube is completed

左、右線隧道均施工完畢后的總體沉降云圖以及各橫斷面沉降云圖如圖8和圖9所示。

圖8 左、右線隧道均施工完畢后的地層沉降云圖Fig.8 Contour of ground settlement after the construction of both the left tunnel tube and the right tunnel tube is completed

圖9 左、右線隧道均施工完畢后各橫剖面地層沉降云圖Fig.9 Contour of ground settlement at different cross-sections after the construction of both the left tunnel tube and the right tunnel tube is completed

由圖8和圖9云圖可知:左側(cè)隧道的盾構(gòu)施工增大了周圍地層的沉降量以及沉降影響區(qū)范圍，沉降最大值約為15.63 mm，最大沉降區(qū)域出現(xiàn)在左右線垂直交疊(x=300 m)時(shí)的左線管片上方位置處，此處地表最大沉降值為9.79 mm。地層沉降值和隆起量與二隧道間相對位置有關(guān)，其中垂直交疊段地層沉降值和隆起量均最大，斜向并列段次之，水平并列段則相對較小。

從地層總體沉降云圖(圖8)可知:區(qū)間隧道施工引起的地層沉降區(qū)域呈條帶狀，沿區(qū)間線路走向延伸，影響寬度為3～4倍隧道最大水平間距。在同一橫截面中，地層沉降最大值均位于盾構(gòu)管片上部區(qū)域，地表沉降最大值則位于二隧道之間的區(qū)域。沿區(qū)間走向方向分析，地表沉降最大值位于二隧道垂直交疊區(qū)域處，并且地表沉降隨著隧道垂直交疊程度的減弱略有減小，即隧道垂直交疊鋪設(shè)相比水平并行鋪設(shè)對地層的擾動(dòng)更為明顯。

4.2 左線施工對右線的擾動(dòng)規(guī)律

4.1節(jié)主要分析了左、右線盾構(gòu)施工對周圍地層的影響情況，然而對于已經(jīng)完成的右線隧道結(jié)構(gòu)，左線的近距離上跨穿越施工再次擾動(dòng)周圍地層，釋放地應(yīng)力可能引起右線隧道出現(xiàn)變形過大甚至管片結(jié)構(gòu)受力偏壓等問題，影響既有隧道的安全。以右線隧道為研究對象，分析其受左線施工影響下的結(jié)構(gòu)變形及力學(xué)狀態(tài)。各橫截面右線管片變形情況如圖10所示。在圖10中，實(shí)線表示隧道管片初設(shè)位置，綠色填充單元為其受施工擾動(dòng)變形后的位置，綠色數(shù)值為隧道上下2象限點(diǎn)的豎向位移值(單位為mm)，為更明顯地辨識位移趨勢，圖中位移均為夸大比例后的位置。

從圖10可以看出，左線施工對右線的影響主要表現(xiàn)為側(cè)向位移和豎向沉降。左線隧道管片結(jié)構(gòu)承受上覆土體的自重應(yīng)力，通過圓弧型結(jié)構(gòu)傳遞給隧道側(cè)壁，整個(gè)盾構(gòu)襯砌體呈現(xiàn)出橢圓化變形趨勢。受左線施工擾動(dòng)的影響，右線隧道主要表現(xiàn)為遠(yuǎn)離左線的位移趨勢，但當(dāng)左線位于右線正上方時(shí)(x=300 m位置時(shí))，右線位移幾乎無變化。

引起這種位移變化趨勢的原因主要有2個(gè)點(diǎn):1)左線隧道襯砌對側(cè)壁的推擠引起該層土體的水平位移，進(jìn)而將臨近的右線隧道向外推進(jìn)，引起水平位移。2)當(dāng)左、右線隧道在同一水平位置時(shí)，左線隧道開挖引起上覆土體的進(jìn)一步沉降，這種沉降變形連帶影響了附近地層，相當(dāng)于增加了右線隧道上部地層的附加應(yīng)力，引起了右線隧道的整體沉降;當(dāng)左線位于右線上部位置時(shí)，這種附加應(yīng)力增加影響不到右線隧道，外加左線隧道底部應(yīng)力釋放因素的影響，右線隧道位移幾乎無變化(x=300 m位置時(shí))。右線隧道受左線施工擾動(dòng)下的位移變化如圖11所示。

由圖11可知:受左線施工擾動(dòng)影響，右線隧道最大水平位移(絕對值)為1.75 mm，最大沉降值為1.97 mm，并且在左線垂直跨越位置處水平位移和沉降影響相對較小。

圖10 右線受左線施工擾動(dòng)的位移趨勢圖Fig.10 Trend of displacement of right tunnel tube induced by construction of left tunnel tube

5 結(jié)論與討論

根據(jù)地鐵臨潼線隧道左、右線空間交疊轉(zhuǎn)換工況特點(diǎn)以及相關(guān)資料，建立了交疊轉(zhuǎn)換段的空間三維模型，針對隧道交疊位置的地層沉降規(guī)律以及左右隧道間的施工影響情況進(jìn)行計(jì)算分析，主要研究結(jié)論如下。

圖11 右線受左線施工擾動(dòng)影響的位移變化圖Fig.11 Curves of displacement of right tunnel tube induced by construction of left tunnel tube

1)區(qū)間隧道施工引起的地層沉降區(qū)域呈條帶狀，沿區(qū)間線路走向延伸，影響寬度為3～4倍隧道最大水平間距。隧道垂直交疊段上方位置的地層沉降最大，最大地層沉降值為15.63 mm，最大地表沉降為9.79 mm。

2)左線隧道施工對右線位移的影響主要表現(xiàn)為側(cè)向推擠以及增加其附加應(yīng)力的作用，右線隧道在垂直交疊段受擾動(dòng)影響較小，在與左線水平并行段施工擾動(dòng)相對較大，但水平位移和沉降值均在2 mm以內(nèi)。

3)對于隧道左、右線空間交疊轉(zhuǎn)換這種特殊工況，在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)控線路中線以及左右線交疊位置的地表沉降情況，必要時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的注漿加固或補(bǔ)救處理措施。

本文沒有考慮盾構(gòu)自身重力因素以及盾構(gòu)管片拼裝縫的影響，研究方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。此外，文中得出的管片變形和地層沉降尚需在將來的實(shí)際施工中進(jìn)行對比驗(yàn)證，以期進(jìn)行更為深入的研究。

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