叠落盾构隧道施工相互影响及对地表沉降分析

■艾正伟 宋文凯

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830006）

近年来， 随着国内城市地下交通的不断发展，越来越多的城市开始建设地铁工程。 在城市地下隧道工程建设过程中，不可避免地会遇到叠落隧道这一现象，如何选择合适的叠落隧道施工方式至关重要。 国内学者对近接隧道进行了一些研究，如以盾构隧道近距离下穿既有隧道为研究对象，研究了新建盾构隧道近距离下穿既有隧道的开挖面破坏以及地表沉降的变形特性[1-2]；以某在建地铁下穿既有工程为研究背景，采用数值分析软件分析了新建隧道不同错距的掘进方案，并给出了合理的施工错距范围[3-4]；以新建隧道上跨既有隧道线路为研究对象，采用数值分析方法分析了新建盾构隧道管片受力状态，并对隧道上跨的稳定性和安全性进行了分析[5-6]；以新建隧道对既有邻近隧道施工影响为研究对象，应用复变函数和Schwarz 交替法等理论手段推导得到了新建隧道对既有隧道影响解析解，并着重考虑了地层初始应力场和新建隧道施工过程中不同阶段的影响因素[7-8]。 基于前人的研究，本文主要以某叠落盾构隧道施工为研究对象，重点就“先上后下”和“先下后上”2 种隧道施工方式对地表沉降、隧道周边位移、衬砌管片最大轴力和位移的影响，进行了对比分析，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

以某市轨道交通叠落盾构隧道工程，叠落段长度约为86 m，从地表向下土层依次为素填土、粉质黏土、 泥质砂岩和砂砾石， 厚度依次为2、25、10、28 m，上行隧道中心埋深为8.6 m，下行隧道中心埋深为19.1 m，衬砌厚度为30 cm，施工方式有2 种，分别为“先上后下”和“先下后上”隧道施工方式。

2 数值建模

2.1 模型建立

以某市轨道交通叠落盾构隧道施工为研究对象， 采用大型有限元软件Midas GTS NX 建模进行计算分析，叠落隧道数值模型图如图1 所示。 考虑到隧道的大小以及开挖影响范围，模型长、宽分别取100 m 和60 m，高度80 m，从上至下土层依次为素填土、粉质黏土、泥质砂岩和砂砾石，厚度依次为2、25、10、28 m。 除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。 隧道直径为6 m， 管片厚度为30 cm。 隧道围岩采用实体单元建立、衬砌采用结构单元，均采用摩尔库伦本构模型，图中模型网格分别为17682 个。

图1 数值模型图

2.2 参数赋值

表1 为土体的物理力学参数，表2 为管片及注浆材料的力学参数。

表1 土体的物理力学参数

表2 管片及注浆材料的力学参数

2.3 工况设置

本文共设置2 种不同工况，分别为“先上后下”施工方式和“先下后上”施工方式，主要对2 种不同施工工序下的隧道施工进行对比分析。 2 种不同施工方式下的单次掘进长度均为3 m （即2 个管片宽度），单次掘进长度时间控制在2.5 h 左右。

3 数值结果分析

3.1 “先上后下”方式隧道开挖稳定性分析

采用“先上后下”方式施工时，得到了叠落隧道周围土体变形特性。 隧道开挖后土体竖向位移云图如图2 所示。 由图2（a）可知，当上行隧道施工完成后，隧道拱顶土体发生沉降，拱底发生隆起，拱顶最大沉降和拱底最大隆起值分别为1.74 mm 和1.99 mm。 由图2（b）可知，当下行隧道施工完成后，围岩变形重新分布，上行隧道拱顶最大沉降值和拱底最大隆起值分别为1.18 mm 和3.63 mm； 下行隧道拱顶和拱底均发生隆起，拱顶和拱底最大隆起值分别为1.89 mm 和3.34 mm。 相较于上行隧道施工完成时的位移，下行隧道的施工使得上行隧道的拱顶沉降减小，使得拱底隆起增大。

图2 “先上后下”施工方式隧道开挖完成后土体竖向位移云图

采用“先上后下”方式施工时，得到了地表沉降变形规律。 上行隧道开挖完后以及上行、下行隧道全部施工完成后的地表沉降曲线如图3 所示。 可知地表沉降沿隧道中心呈两侧水平对称，先建上行隧道开挖完成后，地表最大沉降值为8.64 mm，而在下行隧道施工完成后， 地表最大沉降值为24.16 mm，整体最大沉降值比上行隧道施工完成时增大了约1.8 倍，说明“先上后下”隧道施工方式下，叠落隧道开挖对地表沉降产生叠加效应，且下行隧道施工导致的地表沉降大于上行隧道引起的地表沉降。

图3 “先上后下”施工方式下地表沉降曲线

“先上后下” 方式施工下上行隧道变形规律较为重要。 “先上后下”隧道施工方式下上行隧道监测点竖向位移如图4 所示， 图中以位移向上为正，反之为负。 可知,当上行隧道施工完成后，上行隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的竖向位移分别为－1.74 mm、1.99 mm、1.23 mm 和1.17 mm；当后建下行隧道施工完成后，上行隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的竖向位移分别为－1.18 mm、3.63 mm、1.65 mm 和1.62 mm。 综上所述，后建下行隧道施工导致上行隧道的拱顶沉降减小了32.2%， 使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分别增大了82.4%、34.1%和38.5%。

图4 “先上后下”施工方式下上行隧道监测点竖向位移

3.2 “先下后上”方式隧道开挖稳定性分析

采用“先下后上”方式施工时，得到了叠落隧道周围土体变形特性。 隧道开挖后土体竖向位移云图如图5 所示、由图5（a）可知，当先建下行隧道施工完成后，隧道拱顶土体发生沉降，拱底发生隆起，拱顶最大沉降和拱底最大隆起值分别为1.73 mm 和1.67 mm。由图5（b）可知，当后建上行隧道施工完成后，围岩变形重新分布，下行隧道拱顶和拱底均发生隆起，最大隆起值分别为0.23 mm 和2.60 mm；上行隧道拱顶最大沉降值和拱底最大隆起值分别为1.27 mm 和1.78 mm。 相较于下行隧道施工完成时的位移，上行隧道的施工使得下行隧道的拱顶由沉降变成隆起，使得拱底隆起值增大。

图5 “先下后上”施工方式隧道开挖完成后土体竖向位移云图

采用“先下后上”方式施工时，得到了地表沉降变形规律。 先建下行隧道开挖完后以及下行、上行隧道全部施工完成后的地表沉降曲线如图6 所示。可知地表沉降沿隧道中心呈两侧水平对称，先建下行隧道开挖完成后，地表最大沉降值为6.36 mm，而在后建上行隧道施工完成后， 地表最大沉降值为10.92 mm，整体最大沉降值比先建后行隧道施工完成时增大了约0.56 倍，说明“先下后上”隧道施工方式下， 叠落隧道开挖对地表沉降产生叠加效应，且后建上行隧道施工导致的地表沉降小于先建下行隧道引起的地表沉降。

图6 “先下后上”施工方式下地表沉降曲线

“先下后上”方式施工下下行隧道变形规律较为重要。 “先下后上”隧道施工方式下下行隧道监测点竖向位移如图7 所示，图中以位移向上为正，反之为负。可知下行隧道施工完成后，上行隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的竖向位移分别为－1.73 mm、1.67 mm、0.78 mm 和0.76 mm， 当后建上行隧道施工完成后，下行隧道拱顶、拱底、左拱腰和右拱腰的竖向位移分别为0.23 mm、2.60 mm、1.61 mm 和1.57 mm。 综上所述，后建上行隧道施工导致下行隧道的拱顶沉降减小了1.96 mm，使拱底、左拱腰和右拱腰的隆起分别增大了55.7%、106.4%和106.6%。

图7 “先下后上”施工方式下下行隧道监测点竖向位移

3.3 2 种施工方式对比分析

如表3 所示， 通过对2 种方式下地表沉降、隧道周边位移、 衬砌管片最大轴力和位移进行分析，可知，采用“先下后上”施工方式均优于“先上后下”施工方式。 此外，由上述分析可知采用“先上后下”方式施工产生的二次扰动影响大于 “先下后上”施工方式，尤其是对于拱顶和拱底。 综上可知，工程中当遇到叠落隧道施工时，采用“先下后上”施工方式要优于“先上后下”方式。

表3 2 种施工方式监测数据对比

4 结论

本文主要以某叠落盾构隧道施工为研究对象，重点就“先上后下”和“先下后上”2 种隧道施工方式对地表沉降、隧道周边位移、衬砌管片最大轴力和位移的影响进行了对比分析， 得到以下结论：（1）“先上后下”和“先下后上”2 种隧道施工方式下地表沉降均产生叠加效应，二者地表最大沉降值分别为24.16 mm 和10.92 mm，采用“先下后上”施工方式较“先上后下”施工方式地表总沉降减小约54.8%。（2）采用“先下后上”施工方式下，工程完工后先建隧道的周边土体位移均小于“先上后下”施工方式下先建隧道的周边土体位移，尤其是对于拱顶和拱底采用“先下后上”施工方式相较于“先上后下”施工方式二者大小值分别减小80.5%和28.4%（3）“先上后下”方式施工产生的二次扰动影响大于“先下后上”施工方式，当工程中遇到叠落隧道施工时，可以优先采用“先下后上”施工方式。