隧道施工对近距离重叠盾构影响研究

江宇　郭　晨　张祥祥　牛国栋　朱自力

（西藏大学工学院）

隧道施工对近距离重叠盾构影响研究

江宇郭晨张祥祥牛国栋朱自力

（西藏大学工学院）

结合深圳地铁3号线工程，采用数值模拟计算方法，研究近距离重叠盾构隧道施工的相互影响。考虑“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”两种施工顺序，重点分析后建隧道施工对地表沉降的影响程度，对已建隧道周围围岩位移的影响程度。通过对比分析可出结论，采用先下后上的施工顺序，后建隧道的施工对地表沉降和已建隧道的二次扰动更小。

重叠隧道；近距离；施工影响

1　工程背景

随着地铁建设的不断发展和地铁网络的不断完善，地铁网络间众多节点的工程建设中不可避免地出现两条隧道相互平行、重叠以及交叉穿越等较为复杂的施工情况。当两个隧道的距离越来越小，重叠隧道近接施工的影响越来越明显。这就需要了解重叠隧道中后建隧道施工对地表沉降和对已建隧道的影响程度。

深圳地铁3号线工程的老街站～东门站区间设计起讫里程为YDK8+056.37～YDK8+889.7。左右线为分修的两条单线隧道。由于受老街站的（为满足与1号线同站台平行换乘的方式，车站采用上下重叠的侧式站台形式）控制，左右线隧道（左线在上，右线在下）以轨面高差7.6m的间距（两隧道净1.6m）从老街站以上下重叠的形式出发后，在接近东门中路时左右线隧道在平面上线间距逐渐拉开，纵断面上轨面高差逐渐减小，左右线隧道逐渐由上下重叠过渡到左、右平行的结构形式。见图1所示。其中YDK8+056.37～YDK8+320.00区间段（263.63m）左右线盾构隧道上下重叠，上下隧道轨面高差为7.6m，上下隧道净距为1.6m。见图2所示。

图1　线路示意图

图2　模拟断面示意图

本文以此工程为背景，在两隧道夹土体注浆加固的条件下（下隧道拱顶90°范围内、衬砌环外3.0m线以内土体），考虑“先上洞，后下洞”和“先下洞，后上洞”两种施工顺序，采用大型通用有限元软件ABAQUS进行三维弹塑性数值模拟计算，探索近距离的重叠盾构隧道近接施工的影响规律。重点分析了后建隧道施工对地表沉降的影响程度，以及对已建隧道周围围岩位移的影响程度。

2　建模参数

根据工程实际和计算机计算能力，选取半边结构进行模拟。轨面埋深约为15.4m，隧道拱顶埋深约为10.6m。模型的范围：x方向沿隧道轴向取为m，y方向沿水平方向取为：m，Z方向沿竖直方向取为m。模型边界条件为：沿x轴隧道轴线方向，对模型前后两面施加x方向约束；对模型右侧边界施加y方向约束；对模型左侧边界施加垂直于y轴的对称面约束；对模型底部施加x、y、z三方向约束，地表为自由面。见图3所示。

图3　建模模型（数值计算模型和衬砌及加固区模型）

表1　物理力学指标

模型中，土体为三维实体单元C3D8R，衬砌管片为三维壳单元S4R。土体采用Drucker-Prager本构模型，衬砌采用线弹性模型。模型共有31570个节点，29720个单元。用生死单元法模拟盾构施工推进过程，已建隧道全长一次性开挖，后建隧道每次进尺1.5m，一共20个开挖步。

在工程实际中，隧道开挖是土体在自重和地面超载作用下的固结沉降已经完成后，在有限元模拟计算中，构建初始自重应力场的目的是为了模拟在自重作用下固结沉降已经完成的原状土，作为后续开挖步的初始状态。本文自重应力场的构建如下：给土体单元施加自重作用下的有效应力场，同时给土体单元加上自重荷载，土体这时处于平衡状态，只有10～6m数量级的变形。以此状态作为隧道开挖的初始状态。

3　计算结果分析

3.1地表沉降

从图4和表2可以看出：随着后建隧道的开挖，地表沉降都是增大的；先上后下的增加幅度比先下后上的增加幅度大。从后建隧道开挖工作面对地表沉降的影响范围看，先上后下的范围比先下后上的范围大；前者大于15m，后者为15m左右。

图4　后建隧道开挖一半后5个断面的地表沉降曲线

表2　后建隧道开挖一半后地表中心线处地表沉降变化

从图5可以看出：先上后下工序下随着后建隧道的开挖，地表沉降逐渐增大；后建隧道开挖工作面影响范围大于15m。先下后上工序下随着后建隧道的开挖，地表沉降先是增加，然后有少量隆起，最后结果表现为沉降增加；后建隧道开挖工作面影响范围为15m左右。

图5　地表中心线的沉降变化

从图6和表3可以看出：在先下后上的工序下地表的最终沉降比在先上后下工序下的地表沉降小。

图6　X=0断面处地表沉降变化

表3　X=0断面处地表沉降变化

3.2隧道周围围岩位移

从表4可以看出：下隧道开挖过程中，已建上隧道拱底变化最大；拱顶沉降继续增加；拱底隆起逐渐减小最后表现为沉降；拱腰先是少量外扩，再逐渐内敛；下隧道开挖工作面对上隧道周围围岩位移的影响范围大于15m。

表4　下隧道开挖一半后上隧道周围围岩位移（先上后下）

从表5可以看出：后建上隧道开挖过程中，已建下隧道拱顶变化最大：拱顶上扬；拱底继续隆起；拱腰逐渐内敛；开挖工作面对上隧道周围围岩位移的影响范围大约15m。

从图7可以看出：下隧道开挖过程中，已建上隧道拱底竖向位移变化最大。上隧道开挖过程中，已建下隧道拱顶竖向位移变化最大。

表5　上隧道开挖一半后下隧道周围围岩位移（先下后上）

从表6和表7可以看出：先上后下，拱底位移变化最大；先下后上，拱顶位移变化最大。先下后上工况下后建隧道对已建隧道周围围岩位移的二次扰动更小。

表6　X=0断面处后建隧道周围围岩位移（先上后下）

表7　X=0断面处后建隧道周围围岩位移（先下后上）

4　结论

通过数值模拟研究，得出了一些近距离重叠盾构隧道施工影响的规律性结论，具有一定的参考价值：

⑴先上后下施工地表的最终沉降值大于先下后上施工地表的最终沉降值。从施工过程对地表的分次扰动影响程度观点出发，当下隧道施工结束后再施工上隧道对地表的二次扰动将小于上隧道施工结束后再施工下隧道对地表的二次扰动。前者的二次扰动影响为23%，后者的二次扰动影响为57%。

⑵采用先上后下的施工顺序，后建下隧道的施工使得已建上隧道周围围岩沉降增加，采用先下后上的施工顺序，后建上隧道的施工使得已建下隧道周围围岩上扬。从施工过程对围岩位移的分次扰动影响程度观点出发，当下隧道施工结束后再施工上隧道对围岩位移的二次扰动将小于上隧道施工结束后再施工下隧道对围岩位移的二次扰动。

图7　后建隧道对已建隧道周围围岩位移的影响

⑶从后建隧道开挖工作面对地表沉降的影响范围和对已建隧道周围围岩位移的影响范围来看，先下后上施工顺序下的影响范围小于先上后下施工顺序下的影响范围。前者的影响范围大约为15m，后者的影响范围大于15m。●

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