长距离小净距重叠隧道施工关键技术分析

丁华兴， 韩翔宇， 陈寿根

(1. 深圳市市政设计研究院有限公司， 广东深圳 518001； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

长距离小净距重叠隧道施工关键技术分析

丁华兴1， 韩翔宇2， 陈寿根2

(1. 深圳市市政设计研究院有限公司， 广东深圳 518001； 2. 西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

文章结合深圳地铁7号线长距离小净距重叠隧道工程实践，采用数值分析软件计算了不同净距条件下施工时的地层位移及隧道应力，分析净距对地体重叠隧道施工的影响。研究结果表明：由于隧道的开挖卸荷，导致一定范围的地层产生位移，其中隧道顶部发生沉降，隧道底部发生隆起；衬砌所受应力均为压力，最大应力出现在隧道拱底和两侧边墙位置；通过塑性区分布云图得到，隧道顶部土层发生破坏，而且隧道周边一定范围的土体产生剪切破坏；随着净距的增加，地层沉降减少，衬砌受力变小。

隧道工程； 小净距重叠隧道； 地层沉降； 衬砌受力

近年来，随着城市建设的快速发展，城市规模不断扩大，人口密度不断增长，城市中的经济运作负担越来越大。地下铁道因其运输能力大、速度快等特点在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，尤其在人口密集的大城市，其对于缓解地面交通压力，效果更是不可替代。修建地铁等城市地下工程的施工方法有明盖挖法、暗挖法、盾构法等，各种方法都有其优缺点和适用条件，而盾构法作为为城市地铁隧道釆用较多的施工方法。当由于施工条件限制导致地铁施工必须采取上下重叠的施工方式时，这给盾构施工提出了严峻的考验。因此，必须对盾构法的施工关键技术进行对比分析，结合盾构施工的特点和地质条件，提出合理有效的施工方法[1-2]。

国内外对重叠盾构施工进行了大量的研究，其中在理论分析、现场实测、模型试验和数值模拟上研究都比较充分。如Peck(1969)基于对隧道表面沉降槽形状的观察及大量实测值数据提出了隧道施工阶段的地面呈正态分布的沉降经验公式[3]。针对两条隧道近接施工的情况，Duddeck H运用位移和刚度的方法进行探讨，对单孔隧道的力学进行了分析，并给出了双孔隧道在位移与应力方面的解[4]。在对地表沉降、隆起与稳定的研究中，孙玉永等通过3D数值模拟，对上海地铁2号线的上方近距离施工的某隧道进行分析，得出相关的结论[5]。西南交通大学何川等在结合了三大研究方法(现场试验、物理模型试验与3D数值模拟)，以南京地铁平行近接盾构隧道下穿玄武湖隧道为例，研究了其施工过程及其影响规律等[6]。但考虑到对于长距离重叠隧道盾构施工的研究还较少，本文在综合已有资料研究的基础上，结合长距离重叠隧道及盾构施工的特点,采用数值分析的手段，重点研究隧道净距对长距离重叠隧道施工的影响，为盾构施工提供科学合理化建议。

1 工程概况

新建深圳地铁7号线连接布心、田贝、笋岗、华强北、福田南、车公庙、龙珠、西丽等片区，是联系深圳特区内主要居住区与就业区的局域线。线路由太安至西丽动物园，全长约28.9 km，设站23座，其中换乘站11座(图1)。

图1 深圳地铁7号线线路

新建深圳地铁7号线红岭北-笋岗-洪湖-田贝三个区间总长2 470 m，主要采用盾构法施工。由于空间限制，三区间多数地段存在重叠隧道，最小净距仅2.0 m。区间场地地形较平坦，表覆素填土、杂填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、砾砂、卵石、砂质黏性土，下伏震旦系全风化～微风化混合岩，局部有花岗岩侵入。地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水。左线盾构先行，靠近笋岗站西端，局部进入中风化岩层。右线盾构段靠近笋岗站西端，隧道顶部分布有卵石、砂砾。

2 数值计算方案

2.1 计算参数

根据研究区段地质条件，主要以人工杂填土、淤泥质土层、砾质黏性土层等饱和富水砂土层为主，地层力学参数软弱，地下水位高。其中计算断面为地层上部为素填土，3～12 m处为砾砂，12～21 m为可塑性黏性土，21～37 m为强风化麻状混合花岗岩。具体地层及结构材料力学参数如表1所示。

2.2 计算模型

本文采用FLAC3D有限差分软件建立三维分析数值模型，分析模型中重叠隧道之间的位置关系见图2所示。根据隧道结构实际尺寸、净距关系，设置了三种工况，分别是上下净距2 m、3 m及4 m。

表1 地层及结构材料力学参数

图2 有限差分数值模型

数值模拟计算中做了以下假设：(1)工程所研究横断面范围内，同一高层处均为同一土层，同一土层厚度不变，具有相同的物理力学性能；(2)土体破坏采用摩尔-库伦屈服准则进行计算，行车隧道混凝土衬砌及盾构机管片采用弹性模型计算；(3)采用大变形理论计算。

3 结果及分析

通过对不同的工况进行数值计算，分析隧道开挖后的位移、应力及塑性区的分布情况。限于篇幅，本文仅列出上下净距为2 m的工况计算结果(图3)。

针对不同工况，提取隧道关键位置的数据并进行比较(表2)。

表2 不同工况计算结果

由图3中位移云图可知，随着下部隧道的开挖，隧道开挖的影响区域变大，开挖引起的地表位移增加至26.5 mm，沉降最大值出现在隧道顶部。与此同时，由于上部隧道开挖引起的隧道底部隆起，下部隧道开挖引起下部隧道顶部的沉降，因此必须采取相关措施严格控制上下隧道之间的位移变化。分析洞室掘进后的塑性区范围可以得到，上部隧道开挖过程中，隧道顶部土体将受到破坏，同时隧道洞壁周围将产生一定范围的剪切破坏。随着下部隧道的开挖，下部隧道周围土体同样产生一定区域的剪切破坏，而且破坏区域大于上部隧道开挖引起的破坏范围。由于下部隧道的顶部土体将受到破坏，两隧道洞壁塑性区将会连通，尤其是在衬砌管片顶部塑性区域较大。通过分析应力云图可知，由于土体的开挖卸荷，导致衬砌承受土体的压力。随着下部隧道的开挖，造成隧道周边的位移继续增加，土层进而产生更大的土压力，使得隧道衬砌的压力增大。

(a)隧道开挖后地层位移分布云图

(b)隧道开挖后地层塑性区分布

(c)衬砌管片应力半径云图图3 2 m净距计算结果

从表2可以看出，三种工况中，隧道掘进施工引起的地层位移、塑性区分布以及衬砌的受力规律大致相同。随着上下隧道净距的增加，地表沉降逐渐减弱，地层位移减小，隧道衬砌所受应力减小，尤其是下部隧道与上部隧道所受应力差减小。

4 结论

本文针对不同净距情况下盾构隧道的施工过程分析，采取了上下净距为2 m、3 m、4 m三种工况进行模拟。通过模拟小净距隧道先上后下施工过程，计算分析了隧道掘进施工引起的地层位移，塑性区分布以及衬砌的受力状况，得出以下结论：(1)由于上部隧道的开挖卸荷，导致一定范围的地层产生位移，其中隧道顶部发生沉降，隧道底部发生隆起衬砌所受应力均为压力。最大应力出现在隧道拱底和两侧边墙位置。通过塑性区分布云图得到，隧道顶部土层发生破坏，而且隧道周边一定范围的土体产生剪切破坏。(2)随着下部隧道开挖施工的进行，隧道周边土体受到二次扰动，下部隧道开挖产生的位移较上部隧道大，塑性区范围也比上部隧道大。(3)因为盾构隧道的开挖作用及隧道衬砌结构的特点，所以隧道衬砌所受应力均为压力。最大应力出现在隧道拱底和两侧边墙位置，且下部隧道衬砌所受压力大于上部隧道衬砌。(4)对比不同工况计算结果可得，随着净距的增加，隧道顶部土体沉降减小，衬砌受力变小，所以在净距较小的重叠隧道盾构施工时，要精确监测地表沉降，并对土层进行加固处理。

[1] 杨公正.昆明地铁重叠隧道盾构施工位移数值模拟分析[J].路基工程,2015(2):90-94.

[2] 台启民,张顶立,房倩, 等.暗挖重叠地铁隧道地表变形特性分析[J].岩石力学与工程学报,2014(12):2472-2480.

[3] 孙智勇.地铁重叠隧道内力及变形规律研究[J].铁道建筑技术,2010(S2):84-87.

[4] 凌昊,郑余朝,仇文革,等.深圳地铁重叠隧道列车振动响应测试与数值分析[J].城市轨道交通研究,2010(8):49-53.

[5] 陈磊,陈国兴.近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应[J].防灾减灾工程学报,2008(4):399-408.

[6] 赵东平,王明年,宋南涛.浅埋暗挖地铁重叠隧道近接分区[J].中国铁道科学,2007(6):65-69.

[7] 林刚.地铁重叠隧道施工顺序研究[J].现代隧道技术,2006(6):23-28.

[8] 李德才,扈森,王明年.深圳地铁重叠隧道设计与施工技术要点[J].现代隧道技术,2006(4):21-26.

[9] 黄俊,张顶立.地铁重叠隧道上覆地层变形的数值模拟[J].岩石力学与工程学报,2005(12):2176-2182.

[10] 仇文革,张志强.深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析[J].铁道标准设计,2000(Z1):41-42.

[定稿日期]2017-05-11

丁华兴(1980～)，男， 本科，高级工程师, 从事城市轨道交通工程设计及管理工作。

U455.49

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