劉建國， 韓翔宇， 陳壽根

(1. 深圳市市政設(shè)計研究院有限公司， 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，由于城市的快速發(fā)展，城市人口密度的劇增，對城市的交通建設(shè)提出了越來越高的要求。地鐵因其運輸能力強、速度快等特點而受到人們的青睞。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，是一種施工過程中依靠自身剛性支護不斷地在前方開挖土體，在盾尾進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，具有機械化程度高和施工速度快等優(yōu)點。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)施工帶來了巨大的考驗[1-2]。

對于如何減少施工對周圍土體的擾動程度，最大限度的降低施工對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題，一直是學(xué)術(shù)界和工程界所關(guān)心的問題。Peck(1969)基于對隧道表面沉降槽形狀的觀察及大量實測值數(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)驗公式[3]。上海地鐵二號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，白廷輝等對現(xiàn)場的施工方法進行總結(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)合上海地鐵二號線的實測結(jié)果進行分析，預(yù)測了由盾構(gòu)推進導(dǎo)致樁體產(chǎn)生變形的全過程，確定了盾構(gòu)機與樁體間的最小容許距離[5]。王佩芬采用Midas/GTS軟件，針對天津地鐵某區(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)過模擬分析，提出了相應(yīng)的注漿加固措施[6]。但考慮到對于長距離重疊隧道盾構(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)合長距離重疊隧道及盾構(gòu)施工的特點，采用數(shù)值分析的手段，重點研究長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號線連接布心、田貝、筍崗、華強北、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物園，全長約28.9 km，設(shè)站23座；其中換乘站11座(圖1)。

圖1 深圳地鐵7號線線路

新建深圳地鐵7號線紅嶺北-筍崗-洪湖-田貝3個區(qū)間總長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)值計算方案

2.1 計算參數(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)系見圖2所示，根據(jù)重疊隧道結(jié)構(gòu)實際尺寸、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 有限差分數(shù)值模型

數(shù)值模擬計算中做了以下假設(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-庫倫屈服準則進行計算，行車隧道混凝土襯砌及盾構(gòu)機管片采用彈性模型計算；(3) 采用大變形理論計算。

3 結(jié)果及分析

通過對不同的工況進行數(shù)值計算，分析隧道開挖后的位移、應(yīng)力及塑性區(qū)的分布情況。其中，施工順序為先上后下的工況計算結(jié)果如圖3所示，先下后上的工況計算結(jié)果如圖4所示。

通過圖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，隨著下部隧道的開挖，隧道開挖的影響區(qū)域變大，開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，由于上部隧道開挖引起的隧道底部隆起，下部隧道開挖引起下部隧道頂部的沉降，因此必須采取相關(guān)措施嚴格控制上下隧道之間的位移變化。分析洞室掘進后的塑性區(qū)范圍可以得到，上部隧道開挖過程中，隧道頂部土體將受到破壞，同時隧道洞壁周圍將產(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)將會連通，尤其是在襯砌管片頂部塑性區(qū)域較大。通過分析應(yīng)力圓云圖可知，由于土體的開挖卸荷，導(dǎo)致襯砌承受土體的壓力。隨著下部隧道的開挖，造成隧道周邊的位移繼續(xù)增加，土層進而產(chǎn)生更大的土壓力，使得隧道襯砌的壓力增大。

(a) 隧道開挖后地層位移分布云圖

(b) 隧道開挖后地層塑性區(qū)分布

(c) 襯砌管片應(yīng)力半徑云圖圖3 先上后下計算結(jié)果

(a) 隧道開挖后地層位移分布云圖

(b)隧道開挖后地層塑性區(qū)分布

(c)襯砌管片應(yīng)力半徑云圖圖4 先下后上計算結(jié)果

對比圖3和圖4可知，由于上下重疊隧道施工順序不同，使得隧道開挖對于周邊土體和襯砌的影響也有所差異。通過計算結(jié)果分析可知，當采用先下后上順序進行開挖時，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計算規(guī)律相似。圖4中的塑性區(qū)范圍較圖3中大，說明采用先上后下的施工順序?qū)ν馏w的擾動更大。對比應(yīng)力圓云圖可以發(fā)現(xiàn)，兩種施工順序時最終施加在襯砌上的應(yīng)力近似相等。

4 結(jié)論

本文針對不同凈距情況下盾構(gòu)隧道的施工過程分析，采取了先上后下、先下后上兩種工況進行模擬。通過模擬小凈距隧道施工過程，計算分析了隧道掘進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)無論何種施工順序，都存在由于上部隧道的開挖卸荷，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)因為盾構(gòu)隧道的開挖作用及隧道襯砌結(jié)構(gòu)的特點，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)對比不同工況計算結(jié)果可得，當采用先下后上的施工順序進行隧道開挖時，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，所以在地鐵施工時可優(yōu)先使用先下后上的施工順序。

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