李 樂(lè) 馮鈺哲

(1.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024； 2.普洱市建筑勘察設(shè)計(jì)院，云南 普洱 665000)

0 引言

盾構(gòu)施工是軟土地區(qū)地鐵隧道建設(shè)的主要施工方法。而施工過(guò)程中難免會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定的影響，在軟土層施工時(shí)，地層移動(dòng)主要表現(xiàn)為地面的沉降，沉降量較大時(shí)會(huì)影響地面建筑和附近地下結(jié)構(gòu)的正常使用，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。因此，盾構(gòu)施工引起對(duì)周邊環(huán)境的影響成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的問(wèn)題。很多研究者通過(guò)理論分析[1-3、數(shù)值模擬[4-6以及試驗(yàn)研究[7]等手段對(duì)此展開，然而縱向疊交的雙線隧道施工較為復(fù)雜，因此，有必要對(duì)雙線隧道施工的相互影響展開研究。本文依托某城市軌道交通疊交隧道工程，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)雙線疊交隧道施工的相互影響進(jìn)行研究。

1 工程概況及有限元數(shù)值模型的建立

某城市軌道交通上下行隧道處于上下疊交狀態(tài)，隧道夾角接近0°，疊交隧道位置關(guān)系如圖1所示。隧道直徑均為6.8 m。其中，上行線隧道覆土深度約為23.1 m；下行線隧道覆土深度約為6.7 m，兩隧道水平方向相距4.0 m。疊交段上行線盾構(gòu)處于⑤1粘土層和⑤3粉質(zhì)粘土層中，下行線盾構(gòu)處于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和④淤泥質(zhì)粘土層中。工程現(xiàn)場(chǎng)土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。計(jì)算時(shí)使用的地下水位深度為地表以下1.5 m。

表1 土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

在有限元數(shù)值模擬時(shí)，首先模擬上行線隧道施工，再模擬下行線隧道施工，分析下行線隧道施工對(duì)既有上行線隧道的影響。在隧道開挖前，先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，再進(jìn)行相應(yīng)的隧道施工，并及時(shí)施作襯砌結(jié)構(gòu)。有限元三維網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。圖3為有限元模擬的施工步。

2 有限元計(jì)算結(jié)果

隧道施工后地層總體變形見(jiàn)圖4。圖5和圖6為地層的水平位移及豎向位移矢量圖。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在施工完成后，土體內(nèi)的最大總位移為6.62 mm，最大水平位移為1.62 mm，最大豎向位移為6.62 mm。從圖中可以看出，隧道施工引起的地層變形主要表現(xiàn)為土體的沉降變形，而水平位移值卻很小，且最大沉降發(fā)生在下行線隧道附近區(qū)域，而下行線的埋深比上行線埋深淺，以此可見(jiàn)，雙線隧道施工時(shí)，埋深較淺的隧道沉降更加明顯。

由圖5可知，下行線埋深較淺，沉降較大，水平位移相對(duì)較小；而上行線埋深較深，沉降值較小，其水平位移比下行線大。以此可見(jiàn)，雙線隧道施工時(shí)，埋深較大的隧道水平變形更加明顯。

地表沉降的最大值出現(xiàn)在下行線的上方，并且距離隧道中心線越遠(yuǎn)，沉降值則越小。地表沉降曲線為一個(gè)中間大兩端小的“沉降槽”。由于兩隧道是交錯(cuò)的，形成的“沉降槽”并不是嚴(yán)格對(duì)稱的。下行線由于覆土厚度小，對(duì)地表沉降的影響較大。

3 雙線隧道施工影響因素分析

3.1 上下行隧道單獨(dú)施工與同時(shí)施工的對(duì)比

由于隧道施工對(duì)地層沉降變形影響較大，因此，為進(jìn)一步研究上下行隧道單獨(dú)施工與同時(shí)施工不同施工工況對(duì)地表沉降的影響，本文中選取了三種工況進(jìn)行了對(duì)比分析：工況一：只施工上行線隧道；工況二：只施工下行線隧道；工況三：同時(shí)施工上下行線隧道。工況一和工況二的有限元模型見(jiàn)圖7。三種工況下的地表沉降對(duì)比見(jiàn)圖8。

由圖8可知，三種工況下最大地表沉降值分別為1.65 mm，4.24 mm和5.69 mm，可以看出淺埋隧道的施工對(duì)地表擾動(dòng)更大。根據(jù)對(duì)稱性很容易知道，隧道單獨(dú)施工時(shí)產(chǎn)生的地表沉降是軸對(duì)稱的，對(duì)稱軸位于隧道的軸線位置處；而同時(shí)施工上下行隧道時(shí)，沉降曲線并非對(duì)稱，這是因?yàn)樯舷滦芯€隧道施工是相互影響的，而這種相互影響并非簡(jiǎn)單的線性疊加，因此同時(shí)施工上下行隧道的最大地表沉降并不等于兩隧道單獨(dú)施工引起的最大地表沉降的簡(jiǎn)單疊加。雙線隧道同時(shí)施工時(shí)，地表沉降最大值位于兩隧道之間，且更偏向于埋深較淺的隧道一側(cè)。

3.2 隧道施工先后次序?qū)Φ乇沓两档挠绊?/h3>

由于上下行線隧道施工是相互影響的，而這種相互影響并非簡(jiǎn)單的線性疊加。也就是說(shuō)，隧道的施工先后次序?qū)Φ乇沓两涤幸欢ǖ挠绊?。本文中選取了兩種工況進(jìn)行了對(duì)比分析：工況一：先施工上行線隧道，后施工下行線隧道；工況二：先施工下行線隧道，后施工上行線隧道。圖9給出了不同施工次序下地表沉降的對(duì)比?？傮w來(lái)說(shuō)，兩種工況下地表沉降比較接近，最大沉降量分別為5.87 mm和5.69 mm。但不同的施工次序?qū)Φ乇沓两颠€是有一定的影響。相比之下，先施工淺埋隧道引起的地表沉降值略大。因此，合理安排施工次序可以達(dá)到降低隧道施工對(duì)周邊環(huán)境影響的目的，在其他條件相同的條件下，現(xiàn)施工深埋隧道在一定程度上可以減少施工引起的地表沉降。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托縱向疊交的雙線隧道施工工程，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)雙線疊交隧道施工對(duì)地表沉降的影響及隧道間的相互影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)雙線隧道施工時(shí)，埋深較淺的隧道沉降更加明顯，而埋深較大的隧道水平變形更加明顯。

2)雙線隧道開挖后地表會(huì)形成一個(gè)“沉降槽”，而這個(gè)“沉降槽”并非完全對(duì)稱，沉埋隧道施工對(duì)地表沉降的影響更大。

3)隧道的施工次序?qū)Φ乇沓两涤幸欢ǖ挠绊懀仁┕\埋隧道引起的地表沉降值略大。因此，通過(guò)合理安排施工次序可以在一定程度上減少施工對(duì)周邊環(huán)境影響。

[1] Verruijt A, Booker J R. Surface settlements due to deformation of a tunnel in an elastic half plane[J].Ggotechnique,1996,46(4):753-756.

[2] 方從啟.基于半解析元法研究頂管施工引起的地層運(yùn)動(dòng)[D.上海：同濟(jì)大學(xué)，1998.

[3] 曾小清,張慶賀.隧道施工過(guò)程的解析與數(shù)值結(jié)合方法[J].巖土工程學(xué)報(bào),1998,20(1):14-17.

[4] 蘇海東.盾構(gòu)法隧洞的平面非線性有限元分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2000,17(4):22-26.

[5] 季亞平.考慮施工過(guò)程的盾構(gòu)隧道地層位移與土壓力研究[D.南京:河海大學(xué),2004.

[6] 王敏強(qiáng),陳勝宏.盾構(gòu)推進(jìn)隧道結(jié)構(gòu)三維非線性有限元仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(2):228-232.

[7] Mair R J, Philips R, Schofield A N, et al.Application of centrifuge modeling to the design of tunnels and excavations in soft clay. Proc. Symposium on Application of centrifuge modeling to Geotechnical Design,Manchester,1984:357-380.