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盾構(gòu)法重疊隧道施工過程中施工順序及施工間隔對土體變形的影響研究

范?奇，張?zhí)炱?/p>

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350)

隨著我國地下工程的持續(xù)開發(fā)建設(shè)，城市地下空間變得愈發(fā)擁擠．城市地鐵上下行雙線隧道在面對狹窄的地下空間環(huán)境限制時，有時需要采取重疊隧道的形式進(jìn)行施工．由于雙線隧道重疊布置，施工引發(fā)的土體變形產(chǎn)生疊加效應(yīng)，因此重疊隧道施工引發(fā)的地表沉降更難控制和預(yù)測．同時，由于雙線隧道重疊一般是為了應(yīng)對狹窄的空間，因此重疊隧道通常會臨近其他結(jié)構(gòu)物施工，如建筑基礎(chǔ)、管線和其他隧道．本文以天津地鐵5號線程津段重疊隧道工程為背景，建立了精細(xì)化模擬的有限元數(shù)值模型，考慮了盾構(gòu)掘進(jìn)過程中掌子面支撐、盾構(gòu)摩擦、盾構(gòu)推力、盾尾注漿和臺車重量等施工因素．計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)行了對比驗證，證明了數(shù)值模型的可靠性．借助該數(shù)值模型對重疊隧道施工順序與盾構(gòu)施工參數(shù)的關(guān)系展開研究，優(yōu)化了已有研究得出的簡單定性結(jié)論．對重疊隧道雙線隧道同步施工時不同施工間隔進(jìn)行評估，從地表沉降、沉降發(fā)展速率、隧道位移和收斂等方面進(jìn)行了分析，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)方法和施工實際情況給出了推薦的重疊隧道施工間隔方案，應(yīng)用該結(jié)論可以幫助重疊隧道施工節(jié)省近一半工期成本．

重疊隧道；施工順序；施工間隔；現(xiàn)場實測

隨著現(xiàn)代城市地下空間的不斷開發(fā)，城市地下空間正在變得越發(fā)擁擠．當(dāng)?shù)罔F線路穿越擁擠地段時，上下行的雙線地鐵隧道有時不得不采取雙線重疊的形式進(jìn)行施工．目前國內(nèi)已有多個盾構(gòu)重疊隧道設(shè)計與施工的先例，如表1所示．

表1?重疊隧道施工案例

Tab.1?Cases of overlapping tunnel constructions

重疊隧道施工研究中，一個討論較為廣泛的問題就是重疊隧道施工順序問題，然而已有重疊隧道施工順序研究中，得到的結(jié)論并不一致．

國外學(xué)者Addenbrooke等[1]、Chehade等[2]建立了重疊隧道二維數(shù)值模型，研究了不同隧道間距條件下的地表沉降及隧道自身的變形．計算結(jié)果認(rèn)為重疊隧道“先上后下”比“先下后上”施工引起的地表沉降要大．

Do等[3]使用三維數(shù)值模擬方法研究了軟土中重疊隧道施工對先建隧道和周圍土體的影響，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)上線隧道先施工會比下線隧道先施工產(chǎn)生更大的地表沉降．馬少坤等[4-5]結(jié)合數(shù)值模擬方法與離心機(jī)模型試驗，得到了與Do等[3]一致的結(jié)論，重疊隧道“先上后下”施工比“先下后上”施工地表最大沉降值大約18%．郭晨[6]、金乃麒等[7]國內(nèi)學(xué)者通過三維數(shù)值模擬方法得到了相似的結(jié)論，即“先上后下”施工地表沉降較大．

陳平[8]、范曉真等[9]計算重疊隧道兩種不同施工順序，認(rèn)為沉降值基本相近．

江宇等[10]結(jié)合深圳地鐵3號線工程，利用數(shù)值模擬方法對比了“先下洞，后上洞”和“先上洞，后下洞”兩種施工順序，通過計算結(jié)果得知，“先上后下”地表橫向沉降量比“先下后上”?。S著計算隧道掘進(jìn)距離的變化，該差值比例也在變化(27%～50%)．

以上研究的具體方法與關(guān)鍵結(jié)論如表2所示．通過分析和比較，本文更傾向于三維模型的計算結(jié)論，因為它考慮了隧道掘進(jìn)方向的力學(xué)行為，同時也考慮了隧道結(jié)構(gòu)的縱向剛度的影響．但已有三維數(shù)值模擬研究仍對重疊隧道施工順序問題有不同結(jié)論，然而不同研究中的模擬方法區(qū)別較大，因此仍需進(jìn)一步對該問題展開研究．

表2?重疊隧道施工順序研究結(jié)論

Tab.2 Research conclusions on the construction sequence of overlapping tunnels

針對已有研究結(jié)論對重疊隧道不同施工順序引發(fā)的地表沉降大小關(guān)系存在的分歧，本文以天津5號線程津段重疊隧道工程為背景，建立了精細(xì)化模擬的有限元數(shù)值模型．對重疊隧道施工順序?qū)Φ乇沓两涤绊憜栴}展開研究，重點分析了盾構(gòu)施工參數(shù)與隧道屬性對于該結(jié)論的影響．

實際工程中該重疊隧道工程采用先下線后上線的施工順序，自下線隧道盾構(gòu)機(jī)始發(fā)至上線隧道貫通完成，工期總耗時1年8個月零5天．目前盾構(gòu)雙線平行隧道已有并行施工先例及相關(guān)研究[11]，但由于缺乏重疊隧道同步掘進(jìn)的理論研究和工程經(jīng)驗，程津段采用較為保守的施工方案，先建隧道貫通后再進(jìn)行后建隧道的施工．因此盡管單線隧道掘進(jìn)完成僅需7個月，但重疊雙線隧道施工完成卻需要近2年．因此本文借助數(shù)值模型，對重疊隧道上下線隧道同步施工時不同施工間隔影響展開，分析了不同施工方案土體變形及隧道變形，結(jié)合相對差距和方法對不同施工間距方案進(jìn)行綜合評價并給出推薦的施工間隔方案．

1?工程概況

天津地鐵5號程林路站到津塘路站區(qū)間重疊雙線隧道全長1348m．由于隧道線路緊鄰東風(fēng)立交橋和周圍建筑，地鐵上下行雙線隧道按照豎向重疊的方式進(jìn)行設(shè)計和施工．參考以往的類似重疊工程經(jīng)驗與相關(guān)研究，采用了先下線后上線的施工順序，上線隧道在下線隧道施工完成后開始掘進(jìn)．本工程使用了兩臺長度為8.7m、直徑為6.4m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)．隧道由預(yù)制混凝土管片拼裝，單環(huán)管片1.2m長，內(nèi)徑和外徑分別為5.5m和6.2m．

本文選擇了一塊空曠場地(greenfield)作為研究場地，如圖1所示．場地布置地表沉降測點，地表沉降監(jiān)測共布置4個監(jiān)測面，監(jiān)測面與隧道線路垂直．

表3給出了該場地橫向截面的土層分層情況及參數(shù)，數(shù)據(jù)由巖土鉆孔勘探得到．土層1為人工填土，土層2、3、5、7為粉質(zhì)黏土，其他土層為砂質(zhì)粉土．場地的地下水為靜水力梯度，地下水水位線位于地表以下1m以內(nèi)．土體主要分為8個土層，最上層為1.6m厚的人工填土，下方土層以黏土與粉土為主．下線隧道和上線隧道的軸線深度分別為26.1m和13.4m，兩條隧道掘進(jìn)主要穿過粉土層．

盾構(gòu)機(jī)穿越研究場地時施工參數(shù)如表4所示，為區(qū)間施工參數(shù)的平均值．

圖1?研究場地與監(jiān)測點布置

表3?土層參數(shù)

Tab.3?Soil profile

表4?盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)

Tab.4?Shield construction parameters

2?數(shù)值模型

2.1?模型網(wǎng)格及邊界條件

本節(jié)的數(shù)值分析使用商業(yè)數(shù)值軟件ABAQUS進(jìn)行水土耦合的有限元分析計算．ABAQUS提供了方便的二次開發(fā)程序接口，可以定義新的材料屬性．圖2給出了用于模擬重疊雙線隧道施工三維有限元模型的網(wǎng)格及尺寸．模型包括79180個八節(jié)點六面體實體單元(C3D8P)，用于模擬土體和注漿體；6848個四節(jié)點四邊形殼單元(S4)，用于模擬管片和盾構(gòu)機(jī).模型土體長為120m(100環(huán))，寬為86.4m(13.5，為盾構(gòu)機(jī)直徑)，高為64m(10)．該尺寸取值參考Franzius等[12]對模型尺寸及邊界影響的分析，可以滿足隧道開挖模擬對模型尺寸的要求．由于該場地及隧道以隧道縱軸面對稱，所以模型建為半模型．模型底面采用縱向位移約束，對稱面的邊界為對稱邊界，其余側(cè)邊界對法向位移進(jìn)行約束．參考巖土勘察結(jié)果，對水位線高度進(jìn)行簡化，設(shè)置在土體表面，孔壓固定為0．由于本節(jié)工作不考慮土體的長期響應(yīng)，隧道管片均考慮為不透水邊界[13]．

圖2?有限元數(shù)值模型網(wǎng)格及尺寸

2.2?土體本構(gòu)

修正劍橋模型是軟土模擬中應(yīng)用較為廣泛的本構(gòu)模型，由于其使用孔隙比描述土體變形，所以更加適用于水土耦合分析．修正劍橋模型也已多次應(yīng)用在天津軟土隧道開挖問題的模擬中[14-15]，有效性和準(zhǔn)確性得到了驗證．所以本節(jié)工作采用修正劍橋模型對土體進(jìn)行模擬，各土層的修正劍橋參數(shù)見表3．其中壓縮系數(shù)和回彈系數(shù)通過壓縮回彈試驗得到．臨界應(yīng)力比由不排水三軸壓縮試驗測得．土體考慮為正常固結(jié)土，土體水平向壓力系數(shù)0由杰西公式(Jaky’s equation)計算得到．土體的滲透系數(shù)通過定水頭滲透試驗測得．

2.3?盾構(gòu)機(jī)及管片模擬

本工程使用的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)長8.7m，重量為4500kN．為了方便盾構(gòu)機(jī)與管片單元共用節(jié)點，提高計算效率，將盾構(gòu)機(jī)模型優(yōu)化為8.4m，等于7個環(huán)管片的長度．因此，盾構(gòu)機(jī)單元設(shè)置為重度270.6kN/m3、厚度為0.1m的殼單元，彈性模量為21000GPa，忽略盾構(gòu)機(jī)變形．

隧道管片為寬度1.2m、厚度0.35m的C50混凝土預(yù)制管片．本節(jié)模擬未考慮管片接頭及拼裝結(jié)構(gòu)，隧道用厚度0.35m的殼單元圓管進(jìn)行模擬，重度25kN/m3，本構(gòu)選用正交各向異性模型，特點是在某個橫截面內(nèi)為各項同性而面法線方向為不同性．Lee等[16]使用剛度折減法將拼裝管片結(jié)構(gòu)的隧道等效為均質(zhì)圓管．參考他們的研究工作，取0.75的折減系數(shù)用以考慮管片拼裝過程時隧道的剛度損失．參考Shiba等[17]的研究，隧道縱向剛度取0.1的折減系數(shù)用于考慮拼裝結(jié)構(gòu)的縱向剛度折減．縱向剛度n＝0.1con，其他向剛度p＝0.75con，其中混凝土剛度con＝34.5GPa，本文暫不考慮對管片剪切模量的折減，管片泊松比取0.2．

2.4?注漿模擬

盾尾注漿模擬過程主要包括兩個重要因素，即注漿壓力和漿液硬化過程．注漿體采用時間相關(guān)的多孔彈性實體單元進(jìn)行模擬，注漿壓力用盾尾處的孔壓邊界進(jìn)行模擬[18-19]．漿液自盾尾注入盾尾間隙后，注漿體的硬化過程用時間相關(guān)的彈性模量和滲透系數(shù)進(jìn)行描述．注漿體的剛度可以由下式表達(dá)：

()＝(28)E()(1)

式中：(28)為漿液硬化28天后的彈性模量；E()為時間相關(guān)的系數(shù)，具體數(shù)值見文獻(xiàn)[20]．

時間相關(guān)的滲透系數(shù)可以由下式表達(dá)：

()＝((0)－(28))e-0.535t＋(28)(2)

式中：(0)為漿液剛經(jīng)過注漿孔注入時的滲透系數(shù)；(28)為漿液硬化28天后的滲透系數(shù)．

2.5?隧道開挖模擬步驟

本文中雙線隧道開挖均采用step-by-step模擬方法[18]．根據(jù)實際施工速度，下線隧道和上線隧道掘進(jìn)速度分別為0.2天/環(huán)和0.15天/環(huán)．如圖3所示，每一個隧道開挖步過程如下．

(1) 移除新開挖面前的土體單元，同時取消舊開挖面的掌子面支撐力．

(2) 盾構(gòu)模型前進(jìn)至新開挖面．對新開挖面施加掌子面壓力．掌子面壓力豎向梯度為10kPa/m，上線隧道軸心處掌子面壓力為122kPa，下線隧道軸心處掌子面壓力為254kPa．盾殼與土體間的摩擦力由總推力減去掌子面力計算得到，并作用在盾殼與土體之間的節(jié)點上．上線隧道與下線隧道的節(jié)點力分別為218kN和272kN．

圖3?模擬開挖步驟

(3) 盾尾后方生成殼單元管片并同時激活漿液單元．同時，注漿壓力作為孔壓邊界施加在盾構(gòu)尾部的注漿體單元上．考慮到漿液注入時受到管路等設(shè)備的阻力，實際注入土體的壓力比設(shè)備記錄壓力小.因此，數(shù)值模擬中的注漿壓力較施工記錄注漿壓力進(jìn)行了80kPa的折減[15]．注漿壓力豎向梯度取10kPa/m，上線隧道和下線隧道軸線深度注漿壓力分別為183kPa和294kPa．

上述模擬步驟在每一個開挖步進(jìn)行重復(fù)，模擬盾構(gòu)隧道開挖過程．臺車重量3300kN，長度為60m，連接在盾構(gòu)尾部通過臨時軌道運行．臺車重量用軌道分布位置的豎向力進(jìn)行模擬．

3?地表沉降

圖4為盾構(gòu)施工不同階段監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果得到的土體橫向沉降槽．圖中數(shù)值計算為模擬實際工程施工過程的計算結(jié)果．圖4(a)和(b)分別給出了下線隧道和上線隧道施工引發(fā)的凈沉降．圖中實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果分別為不同顏色的點與線，實測數(shù)據(jù)為截面～的平均值．?dāng)?shù)值結(jié)果為模型第40環(huán)正上方監(jiān)測截面的土體沉降．可以看出，數(shù)值計算結(jié)果與實測結(jié)果擬合良好．總地來說，相較于下線隧道，上線隧道施工形成的沉降槽更窄更深．值得注意的是，上線隧道盾構(gòu)到達(dá)監(jiān)測面前，距離隧道中心20m處有輕微隆起．該現(xiàn)象可能是上線隧道相對較大的掌子面壓力和浮力作用造成的隧道上浮引起的.

圖4?實測與計算地表沉降

由于實際工程施工過程無法重復(fù)，因此借助數(shù)值模型分析了天津5號線程津段重疊隧道不同施工順序下土體沉降結(jié)果，結(jié)果如圖5所示．計算結(jié)果顯示，“先下后上”施工，下線引發(fā)沉降占比34.1%，上線占比65.9%；“先上后下”施工，下線引發(fā)沉降占比僅16.6%，上線占比83.4%．“先下后上”施工總沉降量大于“先上后下”施工．

圖5?兩種施工順序地表沉降對比

4?施工順序分析

4.1?參數(shù)定義

以往研究中對比不同施工順序引起的地表沉降時，直接對比“先下后上”和“先上后下”兩種施工順序引起的總沉降大小，這種方法較為直觀，但是不利于對該問題展開規(guī)律分析．因此，為了深入研究重疊隧道不同施工順序?qū)ν馏w沉降的影響，本節(jié)對相關(guān)參數(shù)做出如下定義，見圖6．圖6中，D為下線隧道作為單線隧道施工時引發(fā)的土體沉降，D, UD為重疊隧道“先上后下”施工時下線隧道引發(fā)的土體沉降．重疊隧道先建隧道會減少后建隧道引發(fā)的土體沉降[3]，因此定義DD為上述兩種不同工況時下線隧道引發(fā)最大沉降改變量，即

圖6?重疊隧道施工順序參數(shù)定義

DD＝D－D, UD(3)

同理，可以定義DU為上線隧道作為單線隧道和后建隧道時引發(fā)的最大沉降改變量．U為下線隧道作為單線隧道施工時引發(fā)的土體沉降，U, DU為重疊隧道“先下后上”施工時上線隧道引發(fā)的土體沉降．

DU＝U－U, DU(4)

“先下后上”和“先上后下”兩種施工順序引發(fā)的沉降值差值可以由下式計算，其中D＋U, DU為先下后上地表累計沉降，U＋D, UD為先上后下地表累計沉降．

(D＋U,DU)－(U＋D, UD)=(D－D, UD)－

(U－U, DU)=ΔD－ΔU(5)

由以上可知，重疊隧道不同施工順序地表沉降差值等于ΔD和ΔU的差值，即不同施工順序時地表沉降大小對比，取決于先建隧道對后建隧道的影響程度.

4.2?施工參數(shù)的影響

在已有研究中，已經(jīng)明確了先建隧道結(jié)構(gòu)存在會明顯影響后建隧道施工造成的土體應(yīng)力變化．在馬少坤等[4-5]關(guān)于重疊隧道的研究中，也提到了既有隧道的“遮攔”效應(yīng)．因此本節(jié)研究了隧道剛度對重疊隧道不同順序施工土體沉降結(jié)果的影響．定義隧道管片剛度系數(shù)如下：

p＝(6)

隧道剛度變化對后建隧道最大沉降改變量的影響如圖7(a)所示，隨著隧道管片剛度增加，先建隧道造成的后建隧道最大沉降改變量Δ逐漸減小，“先下后上”和“先上后下”兩種施工順序中，管片剛度對Δ的影響規(guī)律基本一致．“先下后上”施工中的ΔU與“先上后下”施工中的ΔD相比始終較大，差值約為1mm．由于隧道管片剛度變化時，上下線隧道作為單線隧道開挖時引起的土體沉降也將發(fā)生變化，因此為了直觀地表述由于隧道管片剛度變化造成后建隧道引發(fā)土體沉降改變的程度，圖7(b)給出了管片剛度系數(shù)與后建隧道最大沉降量改變比的關(guān)系．在管片剛度在0.1～2.0的范圍內(nèi)時，下線隧道作為后建隧道最大沉降量改變比55%＜DD/D＜57.1%，而上線隧道作為后建隧道，最大沉降量改變比10.1%＜DU/U＜18.3%．由此可見，重疊隧道施工，先修建上線隧道對后建隧道引發(fā)沉降的影響比先修建下線隧道的影響要大得多．同時也可以發(fā)現(xiàn)，下線隧道作為后建隧道最大沉降改變比隨隧道剛度增大而增大，而上線隧道作為后建隧道最大沉降量改變比隨隧道剛度增大而減?。?/p>

圖7?隧道剛度對后建隧道沉降改變的影響

Avgerinos等[21]進(jìn)行交疊隧道中新建隧道對既有隧道影響的研究中，發(fā)現(xiàn)新建隧道的掌子面壓力增大對既有隧道有益．因此本節(jié)計算掌子面壓力變化對不同施工順序土體沉降的影響．本節(jié)定義掌子面壓力系數(shù)如下：

f, p＝f(7)

式中：f,p為參數(shù)分析時的掌子面壓力；為掌子面壓力系數(shù)；f為實際工程中的掌子面壓力．本次分析共計算6組不同掌子面壓力，掌子面壓力系數(shù)分別為：1＝0.7，2＝0.8，3＝0.9，4＝1.0，5＝1.1和6＝1.2．掌子面壓力變化對后建隧道最大沉降改變量的影響如圖8(a)所示，隨著掌子面壓力增加，先建隧道造成的后建隧道最大沉降改變量Δ逐漸減小，ΔD和ΔU在＝0.8附近相交．圖8(b)給出了掌子面系數(shù)與后建隧道最大沉降量改變比的關(guān)系．在掌子面系數(shù)在0.7～1.2的范圍內(nèi)時，下線隧道作為后建隧道最大沉降量改變比41.5%＜ΔD/D＜69.4%，而上線隧道作為后建隧道，最大沉降量改變比8.3%＜ΔU/U＜17.7%．后建隧道最大沉降改變比隨著掌子面壓力增大而增大，同時下線隧道作為后建隧道時，其最大沉降改變比受掌子面壓力變化影響更加明顯．

圖8?掌子面壓力對后建隧道沉降改變的影響

進(jìn)行參數(shù)分析時，發(fā)現(xiàn)隧道管片的重量變化也會改變“先下后上”和“先上后下”土體沉降的大小關(guān)系．其中管片重量系數(shù)定義如下：

p＝(8)

式中：p為參數(shù)分析時的管片重量；為管片重量系數(shù)；為實際工程中的管片重量．本次分析共計算3組不同管片重量，管片重量系數(shù)分別為：＝1，＝0.8和＝2．

圖9(a)為管片重量系數(shù)與后建隧道最大沉降改變量的關(guān)系．隨著管片重量增加，下線隧道作為后建隧道最大沉降改變量ΔD逐漸減小，而上線隧道作為后建隧道時，其最大沉降改變量ΔU逐漸增大．ΔD和ΔU在略大于2的位置相交．圖9(b)給出了管片重量系數(shù)與后建隧道最大沉降量改變比的關(guān)系．在管片重量系數(shù)在1～3的范圍內(nèi)時，下線隧道作為后建隧道最大沉降量改變比16.1%＜ΔD/D＜60%，受管片重量系數(shù)影響明顯；而上線隧道作為后建隧道，最大沉降量改變比11.2%＜ΔU/U＜11.9%，幾乎不受到管片重量系數(shù)變化的影響．同時，后建隧道最大沉降改變比隨著管片重量系數(shù)增大而增大．

圖9?管片重量對后建隧道沉降改變的影響

圖10為不同施工參數(shù)變化對重疊隧道不同施工順序引發(fā)沉降大小關(guān)系的影響．隧道管片剛度變化時，“先下后上”施工引發(fā)的總沉降始終比“先上后下”大約1mm．因此盡管上文中已指出先建隧道的結(jié)構(gòu)的“遮攔”效應(yīng)會明顯影響后建隧道施工引發(fā)的土體應(yīng)力變化，但隧道結(jié)構(gòu)的剛度并不會定性地改變兩種施工順序土體沉降大小的關(guān)系．掌子面壓力較小時(＜0.8)，“先下后上”施工引發(fā)的總沉降比“先上后下”小；當(dāng)掌子面壓力增加時(＞0.8)，兩種施工順序總沉降值大小關(guān)系發(fā)生反轉(zhuǎn)，“先下后上”施工引發(fā)的總沉降比“先上后下”大．管片重量增加時，也會出現(xiàn)“先下后上”施工總沉降從比“先上后下”大到比“先上后下”小的轉(zhuǎn)變．

5?施工間隔分析

5.1?施工間隔定義

重疊隧道施工間隔及其參數(shù)的定義如圖11所示，其中為盾構(gòu)長度(數(shù)值分析中＝8.4m)，g為上下線隧道盾構(gòu)機(jī)同步施工時二者掌子面之間的距離．本節(jié)共計算13個不同的施工間隔方案(-15～＋15)，其中g(shù)＞0為下線隧道先掘進(jìn)，g＜0時為上線隧道先掘進(jìn)，g＝0時為上下線隧道盾構(gòu)機(jī)并行掘進(jìn)．

5.2?施工間隔對地表變形的影響

不同施工間隔土體沉降計算結(jié)果如圖12所示．其中圖12(a)為不同盾構(gòu)施工間隔時地表最大沉降值，地表最大沉降值為重疊隧道施工完成時隧道中心正上方的地表沉降．圖12(b)為不同盾構(gòu)掘進(jìn)間隔對應(yīng)的地表最大沉降發(fā)展速率，地表最大沉降發(fā)展速率計算方法為

式中：為最大沉降發(fā)展速率；S為地表最大沉降值；t為施工時間．

圖12中，下線隧道先行掘進(jìn)時地表最大沉降值總大于上線隧道先行掘進(jìn)，而下線隧道先行掘進(jìn)時沉降發(fā)展速率則較上線隧道先行掘進(jìn)更慢．施工間隔在0～3的范圍內(nèi)時，不同施工間隔土體沉降數(shù)據(jù)變化較大，這是由于該距離范圍內(nèi)先行掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)尾部注漿與后掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)掌子面開挖相近，施工擾動相互作用較為復(fù)雜．當(dāng)掘進(jìn)間隔大于5時，土體沉降數(shù)據(jù)變化較?。?/p>

5.3?施工間隔對隧道變形的影響

不同施工間隔上下線隧道豎向位移計算結(jié)果如圖13所示，圖中(a)與(b)分別為上線隧道和下線隧道的豎向位移情況．其中隧道豎向位移為管片安裝完成后至重疊隧道施工完成時隧道截面中心點產(chǎn)生的豎向位移．可以看出，不同施工間隔情況下，上下線隧道施工完成后都會出現(xiàn)一定的上浮，這是由于土體開挖卸荷和孔隙水浮力作用．但當(dāng)上線隧道先行掘進(jìn)時，其下方掘進(jìn)的下線盾構(gòu)開挖卸荷會抵消該效應(yīng)，因此當(dāng)上線隧道先開挖且盾構(gòu)掘進(jìn)間隔大于時，上線隧道的豎向位移很小，接近于0．上下線盾構(gòu)掘進(jìn)間隔大于時，對兩條隧道豎向位移值影響均較?。?/p>

圖13?施工間隔對隧道豎向位移的影響

不同施工間隔上下線隧道收斂變形計算結(jié)果如圖14所示，圖中(a)與(b)分別為上線隧道和下線隧道的隧道收斂情況．其中，隧道收斂變形是指隧道拱頂位移與拱底位移的差值，表示隧道截面豎向直徑變化的情況，其值為負(fù)表示隧道自安裝完成至重疊隧道施工完成過程中豎向直徑變小，即隧道截面被“壓扁”．下線隧道由于埋深較深，土壓力較大，隧道變形較大，其中上線隧道先開挖的情況隧道收斂大于下線隧道先開挖的情況．

圖14?施工間隔對隧道收斂的影響

5.4?基于相對差距和法的施工間隔方案評價

本節(jié)共分析13個施工間隔方案，不同施工間隔方案評價指標(biāo)較多時，很難直觀評價不同施工間隔方案的優(yōu)劣．因此，本小節(jié)使用相對差距和法，對不同施工間隔方案進(jìn)行比較．

相對差距和法較為適用于多評價指標(biāo)的不同方案評價，其具體原理如下．

設(shè)有個參評方案，各有項評價指標(biāo)，則每一方案的指標(biāo)數(shù)據(jù)為

＝(1j，2j，…，)＝1，2，3，…，

設(shè)最優(yōu)樣本為0＝(1，2，…，，…，)，最優(yōu)樣本0中的各元素按如下方法確定：對于高優(yōu)指標(biāo)，＝max{1，2，…，，…，}，即所有個樣本中第項指標(biāo)的最大者；對于低優(yōu)指標(biāo)，＝min{1，2，…，，…，}，即所有個樣本中第項指標(biāo)的最小者．各樣本與最優(yōu)樣本的加權(quán)相對差距和為

式中：為第項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；為所有樣本的第項指標(biāo)值的中位數(shù)．按值的大小對個樣本依次排序，值越小樣本越接近最優(yōu)水平．

對于本節(jié)分析的不同施工間隔方案的評價，其中關(guān)鍵問題為各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)的確定．如果以評價指標(biāo)重要性為依據(jù)確定權(quán)重系數(shù)，較難找到可靠參考且過于主觀．因此，參考現(xiàn)行規(guī)范對不同指標(biāo)控制值范圍，確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，即

式中：為所有樣本的第項指標(biāo)值的中位數(shù)；r為規(guī)范中對應(yīng)指標(biāo)的控制極限值．

評價指標(biāo)為地表沉降最大值、沉降發(fā)展速率、隧道豎向位移和隧道收斂變形．表5為現(xiàn)行規(guī)范《GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對上述監(jiān)測指標(biāo)控制值的規(guī)定．

表5?規(guī)范控制值

Tab.5?Control limits in the regulation

根據(jù)以上方法，計算可得不同施工間隔方案值如表6所示．其中值最優(yōu)解為-2，即上線盾構(gòu)機(jī)先出發(fā)，下線盾構(gòu)機(jī)在距其2距離同步掘進(jìn)．但考慮實際施工情況，兩盾構(gòu)機(jī)相距0～3時，后盾構(gòu)機(jī)掌子面與前盾構(gòu)機(jī)盾尾注漿和二次注漿作業(yè)位置過于接近，未凝固的漿液易竄入后盾構(gòu)機(jī)土倉，極大地提高盾構(gòu)隧道施工的風(fēng)險性，因此不建議盾構(gòu)機(jī)間距小于5同步掘進(jìn)．計算結(jié)果中-5與＋10得到的值基本相同，綜合考慮已有重疊隧道工程施工順序慣例(“先下后上”為主)與“先下后上”隧道受力較優(yōu)的研究結(jié)論，下線盾構(gòu)先掘進(jìn)，上線盾構(gòu)在其后距10位置同步掘進(jìn)，為重疊隧道同步施工最佳施工間隔.

表6?施工間隔方案評價結(jié)果

Tab.6?Evaluation results of construction lagging distance

6?結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬方法對重疊隧道施工中上下線隧道施工順序和同步施工時施工間隔的影響展開研究，得到的主要結(jié)論如下．

(1) 重疊隧道施工順序中，對于“先下后上”和“先上后下”引發(fā)土體沉降大小比較的問題，得到了不同的結(jié)論．本文計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)重疊隧道“先下后上”和“先上后下”施工引起土體沉降大小比較取決于先建隧道對后建隧道引發(fā)沉降的影響程度，掌子面壓力和隧道重量變化會改變不同施工順序引發(fā)地表沉降的大小關(guān)系，為解釋已有研究分歧提供一個新的角度，優(yōu)化了已有研究的簡單定性結(jié)論．

(2) 上線隧道作為后建隧道時，受下線隧道影響較小，其最大沉降改變比最大約20%；而下線隧道作為后建隧道時，受上線隧道影響較大，其最大沉降改變比最大約70%．

(3) 掌子面壓力和隧道重量變化會改變“先下后上”和“先上后下”引發(fā)土體沉降大小關(guān)系．掌子面壓力增大時，“先下后上”地表沉降從比“先上后下”小變?yōu)楸取跋壬虾笙隆贝?；管片重量增大時，“先下后上”地表沉降從比“先上后下”大變?yōu)楸取跋壬虾笙隆毙。?/p>

(4) 本文計算分析了重疊隧道同步施工不同施工間隔對地表最大沉降、沉降速率、隧道豎向位移和隧道收斂變形的影響．基于相對差距和法，本章對不同施工間隔的施工效果進(jìn)行評價，結(jié)合盾構(gòu)隧道施工實際綜合考慮，推薦最優(yōu)施工間隔為10，即下線盾構(gòu)機(jī)先出發(fā)，上線盾構(gòu)機(jī)后出發(fā)，兩者間距10倍盾構(gòu)長度，應(yīng)用該方案可減少近一半重疊隧道施工工期.

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Influence of Construction Sequence and Lagging Distance on Ground Movements Induced by Two Overlapping Shield Tunnels

Fan Qi，Zhang Tianqi

(School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China)

The urban underground space in China has become increasingly crowded due to underground construction projects. Because of the space constraints in a narrow underground environment，urban subway twin tunnels must occasionally be constructed as overlapping tunnels. Since the soil deformation caused by the construction has a superimposing effect because of the overlapping arrangement of tunnels，the surface settlement caused by the construction of overlapping tunnels is difficult to control and predict. Moreover，since overlapping tunnels are designed to fit into narrow spaces，they are usually constructed near other structures，such as building foundations，pipes and other tunnels. In this study，a detailed finite element method simulation model is proposed based on the construction of overlapping tunnels for Tianjin Metro Line 5. Construction parameters such as face support，shield friction，shield thrust，tail grouting，and trailer weight were considered in the simulation. The calculation results of the proposed model were compared and verified with the measured data，demonstrating the reliability of the numerical model. In this study，ground settlements due to tunneling were investigated using different construction sequences of overlapping tunnels and the construction parameters of shield tunnels. Simple qualitative conclusions derived from existing studies were perfected. Various lagging distances during the simultaneous construction of overlapping tunnels were evaluated，and the surface settlement，settling rate，tunnel displacement，and tunnel convergence were analyzed. Moreover，a construction plan was proposed using a statistical method and construction conditions. The results can aid in reducing the construction time limit cost of overlapping tunnels by 50%.

overlapping tunnels；construction sequence；lagging distance；field measurement

10.11784/tdxbz202111001

TU43

A

0493-2137(2022)12-1318-11

2021-11-01；

2021-12-03.

范?奇（1991—??），男，博士研究生.

范?奇，fanqi@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(51808387).

Supported by the Youth Science Fund Project of National Natural Science Foundation of China(No. 51808387).

(責(zé)任編輯：樊素英)