深圳地铁9号线盾构区间近接既有隧道施工力学行为研究

李恒一

深圳地铁9号线盾构区间近接既有隧道施工力学行为研究

李恒一

(广州地铁设计研究院有限公司，广州510010)

“近接施工”工程问题一直以来都是地下工程关注的热点．在许多地铁隧道近接隧道施工中，上、下重叠隧道是城市地下隧道中最基本和常见的近接隧道类型．本文以深圳地铁9号线孖岭站～银湖站区间隧道上跨深圳地铁9号线停车场入场线隧道近接隧道施工的控制技术研究项目为契机，运用Midas-GTS进行三维分析，着重于研究不同施工工序对重叠隧道近接施工力学行为及对地表沉降的影响，进而指导设计和施工．

城市地铁；重叠隧道；地表沉降；近接施工

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展，地铁隧道线网的不断完善．城市地铁修建过程中不可避免的出现了小净距重叠隧道[1-2]．随着隧道开挖使围岩受到扰动，进而波及附近围岩．当隧道之间的距离很近时，附近的围岩又会对已建隧道造成影响，使得土体力学行为变得较为复杂[3]．目前，国内、外已对该类工程进行了相关研究，取得了很多成绩[4-5]．

本文以深圳地铁9号线孖银区间上跨入场线区间为依托．对交叉盾构隧道段先上洞后下洞和先下洞后上洞施工全过程力学行为进行三维有限元数值模拟研究[6]，得出结构和力学较复杂的重叠隧道段在整个施工过程中纵向力学效应和隧道施工过程中的力学变化并与实际施工的情况进行结合，将计算结果用以设计施工，为今后此类隧道的设计提供一定的参考．

1 工程概况

深圳地铁9号线起始于红树湾站，终至文锦站，全长25.32 km，连接南山、福田、罗湖等片区．本文以深圳地铁9号线停车场入场线区间和孖岭站-银湖站区间隧道为背景．

深圳地铁9号线入场线区间西起梅林路向南穿过北环大道到达停车场，全长约733.43 m．孖岭站-银湖站区间西起梅林路穿过银湖山沿北环大道辅道进入银湖站，全长约1863.66 m．孖银区间右线在梅林路处上跨停车场入场线区间，此段范围内，两区间均为盾构区间．隧道所在的地层从上往下：填土、中粗砂、砾质粘性土、全风化混合岩、强风化混合岩及中风化混合岩，隧道在砾质粘性土和混和岩全风化岩中，综合判定围岩等级为Ⅴ级．

两隧道最近距离为1.22 m，由于两隧道净距较近，两隧道的施工工序对结构安全及地表沉降等有较大的影响，本文针对不同的施工工序进行数值模拟得出不同施工工序对结构安全和地表沉降的影响，选出比较适合的施工工序用以设计并指导施工．

2 数值模型

本施工过程数值模拟运用有限元软件Midas-GTS，建立2个模型[7]．

工法1：下洞为既有隧道，上洞隧道逐步开挖；

工法2：上洞为既有隧道，下洞隧道逐步开挖，研究不同的开挖工况并进行对比，研究新建隧道对既有隧道的位移和受力的影响．选出较合理的施工工况．

模型基本假定：采用Mohr-Coulomb本构模型，尺寸取70 m×30 m×40 m(X×Y×Z)模拟土层，为形象的反应施工的过程，在分析中，拟定开挖时荷载释放50%，加载管片时荷载释放50%．

模型所在地区为地应力地段，地应力以岩层自重作为考虑；计算模型的应力边界和位移边界为：前后面边界(Y=0 m和Y=30 m)、左右面边界(X=0 m和X=70 m)为位移约束边界，约束水平方向的位移；模型的底面(Z=-40 m)也为位移约束边界，仅约束垂直方向的位移．

计算参数：上方隧道埋深为12.4 m，隧道外径为6 m，下方隧道埋深为19.62 m，隧道净距为1.22 m，衬砌厚度为0.30 m，管片采用板单元进行模拟；地面考虑活载20 kN/m．

三维有限元模型如图1和图2所示．计算土体和衬砌物理力学参数见下表1．

图1 三维模型图

图2 两隧道关系

表1 围岩及支护参数表

管片的混凝土强度为C50，在模拟过程中由于管片与管片之间的链接由螺栓构成，强度要相应的折减，折减20%．

本段区间采用盾构法施工，工法一：下洞为既有隧道，上洞道逐步开挖的；工法二：上洞为既有隧道，下洞逐步开挖．将40.5 m(27环)的区间隧道分为9段，每段为3 m(2环)．

3 结果分析

3.1地层应力

分析工法一和工法二开挖的情况．如图3和图4为典型施工阶段地层竖向地应力场分布状况．隧道施工过程中，地应力场变化较大的区域主要集中在隧道横断面内离隧道结构距离为6 m的范围内，且两区间之间的地层为应力变化的敏感区域，施工过程中60%以上的应力变化区域为该区域；施工过程中，地应力场(同时也是绝对值)变化较大的区域位于本施工阶段的附近区域，且主要集中在仰拱、拱角和拱顶附近的区域；隧道纵向方向上，因隧道施工对隧道前方和后方土体的影响范围主要集中在盾构隧道施工断面前方和后方4环(6 m)区域内，但受隧道施工影响的范围将会延伸到隧道前方和后方20环(30 m)以上的区域内．

图3 工法1上洞施工结束后竖向地应力场(单位：kPa)

图4 工法2下洞施工结束后竖向地应力场(单位：kPa)

3.2地层位移

由图5和图6看出：盾构区间施工过程中，隧道横断面内，施工过程中，地层竖向位移主要集中在隧道仰拱以下和拱顶以上的竖直区域；施工过程以两洞拱腰为分界线，向上为地层的下沉区向下为地层的隆起区域；在施工阶段，地层位移较大的区域主要集中在离当前施工较近范围的区域，即下洞施工过程，位移较大区域主要集中在下洞拱顶(沉降最大)和拱底(隆起最大)附近区域；上洞施工过程，位移较大区域主要集中在上洞拱顶(沉降最大)和拱底(隆起最大)附近区域．隧道纵方向上，隧道施工对隧道前方和后方土体的影响范围将主要集中在盾构隧道施工断面前方和后方4-8环(6 m-12 m)的区域内．

图5 上方隧道开挖对下方既有隧道的影响位移图

图6 下方隧道开挖对上方既有隧道位移的影响

由计算结果可知

（1）当上方隧道开挖处位于下方既有隧道正上方时，不同位置的沉降为：上方隧道拱顶处为3.4 mm，仰拱处为11 mm，侧壁为5.1 mm；下方隧道的拱顶沉降2.1 mm，仰拱处沉降0.98 mm；

（2）当下方隧道开挖处于上方隧道的正下方时，不同位置的沉降：上方隧道拱顶处0.49 mm，仰拱处为0.025 mm，侧壁为0.4 mm；下方隧道拱顶沉降2.5 mm，仰拱处沉降0.02 mm．

由图7和图8可以看出，在相同位置，不同的工况下位移不同,当下方隧道为既有隧道时，随着上方隧道的开挖，洞顶产生向下的位移，最大值为3.65 mm，洞底产隆起位移，最大值为12.0 mm，随着隧道的开挖沉降值趋于直线；如果上方隧道为既有隧道，可以看出，下方隧道的开挖对于上方隧道的沉降产生的影响较小，沉降的最大值：洞底为0.164 mm，洞顶为0.716 mm，变化曲线接近直线．

图7 上方隧道管片顶部不同工况下竖向位移

图8 上方隧道管片底部不同工况下竖向位移

由图9和图10可看出，在相同的位置，不同工况下位移不同，当上方隧道为既有隧道时，随着下方隧道的开挖，洞顶产生向下的位移，最大值为9.47 mm，洞底产隆起位移，最大值为8.10 mm，随着隧道的开挖沉降值趋于直线；如果上方隧道为既有隧道，可以看出，下方隧道的开挖对于上方隧道的沉降产生的影响较小，沉降的最大值：洞底为0.54 mm，洞顶为0.72 mm，变化曲线接近直线．

图9 下方隧道管片顶部不同工况下竖向位移

图10 下方隧道管片底部不同工况下竖向位移

由图11我们可以看到，不同开挖工况下地表沉降位移变化不同，上方隧道进行开挖时，地表沉降位移较下方隧道开挖时大，最大位移为1.02 mm，下方隧道开挖时最大位移0.57 mm．

图11 不同开挖工况下地表沉降位移图

图12 小间距隧道夹土层加固图

由以上分析可以得出结论建议先开挖下方隧道，再进行上方隧道的开挖，在上方隧道开挖的过程中，对下方既有隧道采取一定的措施进行保护，比如架立临时支撑、对两隧道之间的土体进行加固等，确保施工的安全．由于上洞施工过程相当于对下洞附加了一定的“卸载”荷载，所以下洞的竖向位移(包括拱顶下沉和仰拱隆起)在上洞施工过程中都略有减小．

3.3地层加固设计

在实际设计和施工中，对小净距重叠隧道处理措施，对重叠段隧道夹持土体实行洞内注浆，隧道120°范围内，注浆范围以两隧道夹土体为主．注浆方式，在管片中利用吊装孔进行注浆，采用水泥-水玻璃双液浆加固．重叠段当上层隧道掘进时，在盾构机下方的下层隧道内设置临时型钢支撑，支撑在盾构管片上，支撑范围为盾构机前后15 m范围，如图12所示．

4 结论

（1）工法1和工法1计算时，隧道位移及地表沉降均能满足相关规范和设计要求．

（2）建议先开挖下方隧道，再进行上方隧道的开挖，在上方隧道开挖的过程中，对下方既有隧道采取一定的措施进行保护，比如架立临时支撑、两隧道夹层土采用注浆加固等，确保施工的安全．

（3）施工中，施工方采取两隧道夹层土用水泥-水玻璃双液浆进行加固，并在盾构掘进过程中加强同步注浆，及时进行二次补浆加固，在重叠段范围内采用扣件式脚手架进行支撑加固，有效控制了既有隧道变形和地表沉降，已顺利施工完毕．

（4）上、下重叠隧道建议先施工下方隧道，再施工上方隧道．

[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].成都:西南交通大学博士论文,2003.

[2]李恒一.两孔平行隧道近接施工力学及地表沉降研究[D].成都：西南交通大学硕士论文,2009.

[3]李岩松,陈寿根,周泽林.盾构隧道近接浅埋式矩形隧道合理净距的研究[J].铁道标准设计,2014,58(01):80-84.

[4]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,2014,33(12):2472-2480.

[5]TERVO NAKAL.3D and 2D Model Tests and Numerical Analyses of Settlements and Earth Pressures due to Tunnel Excavations[J].Japanese Geotechnical Soeiety,1997，37(04): 95-98.

[6]郭菊彬,张昆.新建隧道盾构施工引起邻近地铁隧道沉降分析[J].四川建筑科学研究,2010,36(06):139-141.

[7]李恒一.隧道施工对邻近桩体轴向变形和受力的影响[J].重庆科技学院学报,2011,13(03):139-141.

(责任编校：陈智全)

Research on Mechanics Behavior ofApproaching Construction to Existing Tunnels for Shield Tunnels of Shenzhen Subway NO.9 Line

LI Heng-yi
(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510010,China)

The issue of“Approaching construction”is a major concern for underground engineering.In many cases,as approaching construction applies,overlapped tunnel is the most basic and common type of urban metro.Making control technology research project of Shenzhen subway NO.9 line Maling---Yinhu tunnel overlapped with Entrance tunnel of parking lot of Shenzhen subway No.9 line as an example,this article applies Midas-GTS for 3 dimensional analysis and guides the design and construction,by focusing on effects on mechanical behavior of approaching construction of overlapped tunnels and the ground surface settlement resulted from different construction processes.

urban metro;overlapped tunnel;ground surface settlement;approaching construction

U455

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.01.008

1672–7304(2015)01–0030–04

2015-03-10

李恒一(1983-)，男，辽宁辽阳人，结构工程师，硕士研究生，主要从事岩土工程设计研究．