地鐵重疊隧道施工順序研究

1、地鐵重疊隧道施工順序研究摘要：文章以深圳地鐵三號線老-東區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為背景，采用有限元數(shù)值模擬研究方法，對地鐵重疊隧道段在地表無任何建筑物和地表有房屋基礎(chǔ)兩種工程條件下，采用先上洞后下洞和先下洞后上洞兩種施工順序的盾構(gòu)區(qū)間隧道施工全過程的力學(xué)行為進(jìn)行了分析對比。通過分析，揭示出了相關(guān)的研究成果與實(shí)際施工順序不同的關(guān)鍵所在，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。關(guān)鍵詞：重疊隧道；施工順序；地鐵區(qū)間；隧道；盾構(gòu)法數(shù)；值模擬關(guān)于地鐵重疊隧道施工順序的研究成果已有過一些報(bào)道，相關(guān)的研究成果1，2認(rèn)為：對于地鐵重疊隧道應(yīng)采用先上洞后下洞的施工順序，但現(xiàn)場采用的施工順序和相關(guān)的研究成果卻剛剛相反。鑒于

2、此，本文以深圳地鐵3號線區(qū)間盾構(gòu)隧道為工程背景，采用有限元數(shù)值模擬方法，對地鐵重疊隧道段兩種工況、兩種施工順序的盾構(gòu)隧道施工全過程的力學(xué)行為進(jìn)行對比研究。1、工程背景2、工程水文地質(zhì)分析斷面為ZCK7+920，斷面巖土自上而下為人工填土，砂層，殘積土層以及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化基巖，圍巖均一性級差，綜合判定圍巖為級。該段地下水位埋深為3.6m，滲透系數(shù)K=2.5m/d，隧道單位長度涌水q=11.2m3/d.m。3、數(shù)值模擬概況3.1房基房屋基礎(chǔ)為8層磚混擴(kuò)大房屋基礎(chǔ)，埋深4m尺寸為4m4m，基礎(chǔ)中心間距為9m9m（現(xiàn)場竣工圖）。根據(jù)我國房建的現(xiàn)狀對作用在房基上的荷載進(jìn)行偏于安全的估算：取每層

3、房屋單位面積的總荷載為12.5kN，則作用在每平方米房基上的荷載為（12.5899）/（44）=506.25kN，數(shù)值模擬取510kN。3.2模型采用通用軟件ANSYS程序?qū)Ρ竟こ虠l件下先上洞后下洞和先下洞后上洞兩種施工順序的施工全過程進(jìn)行研究。研究采用2節(jié)點(diǎn)等參平面梁（beam3）單元模擬盾構(gòu)隧道襯砌，平面4節(jié)點(diǎn)等參實(shí)體單元（plane42）模擬地層；單元和節(jié)點(diǎn)總數(shù)都約為1500，計(jì)算參數(shù)與地質(zhì)勘察參數(shù)完全相同；計(jì)算范圍為水平方向長70m，垂直方向從地表向下取總長60m；地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮；邊界條件為：左右邊界水平約束，下邊界垂直方向約束，地表為自由面。4、數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1地層

4、應(yīng)力單洞施工過程中，地應(yīng)力場變化較大的區(qū)域主要位于兩側(cè)拱腰（水平位置）偏下的區(qū)域，而施工全過程地應(yīng)力場變化最大的區(qū)域是下洞兩側(cè)拱腰（水平位置）偏下的區(qū)域。4.2地層位移施工過程中地層豎向位移主要集中在兩隧道拱頂以上和仰拱以下的豎直區(qū)域，并且各典型施工階段地層位移較大的區(qū)域主要集中在離當(dāng)前施工較近范圍的區(qū)域，表3所示為兩種施工順序施工結(jié)束時(shí)地層豎向位移分布狀況，由表3可以看出：地表無建筑物時(shí)，采用先上洞后下洞施工順序的地層最大下沉值為5.3mm（上洞拱頂）、最大隆起值為16.0mm（下洞拱底），兩洞之間的地層位移表現(xiàn)為向上隆起；采用先下洞后上洞施工順序的地層最大下沉值為6.5mm（上洞拱頂）、最

5、大隆起值為17.1mm（下洞拱底），兩洞之間的地層位移表現(xiàn)為向下沉降。地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)，采用先上洞后下洞施工順序的地層最大下沉值為30.6mm（上洞拱頂）、最大隆起值為19.6mm（下洞拱底）、兩洞之間的地層位移表現(xiàn)為向下沉降；采用先下洞后上洞施工順序的地層最大下沉值為23.7mm（上洞拱頂）、最大隆起值為18.9mm（下洞拱底），兩洞之間的地層位移表現(xiàn)為向下沉降。由此可見，當(dāng)?shù)乇頍o建筑物時(shí)采用先上洞后下洞施工順序引起的地層最大沉降和最大隆起值都將小于采用先下洞后上洞施工順序引起的地層豎向位移的相應(yīng)值；但在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)，以上結(jié)果則剛好相反。4.3地表沉降施工過程中地表沉降區(qū)

6、域主要集中在離隧道中心線對應(yīng)地表點(diǎn)左右8m范圍的區(qū)域內(nèi)。各典型施工階段地表最大沉降值都位于隧道中心線對應(yīng)的地表點(diǎn)處，表4為兩種施工順序典型施工階段地表沉降分布狀況。由表4可以看到：在地表無建筑物工程條件時(shí)，施工結(jié)束時(shí)采用先上洞后下洞施工順序的地表最終沉降值為2.5mm，而采用先下洞后上洞施工順序的地表最終沉降值為4.2mm；在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)，施工結(jié)束時(shí)采用先上洞后下洞施工順序的地表最終沉降值為24mm，而采用先下洞后上洞施工順序的地表最終沉降值為19mm.由此可得，在地表無建筑物工程條件時(shí)，先上洞后下洞施工順序無論在單洞施工結(jié)束還是在雙洞施工結(jié)束時(shí)其地表沉降值都將小于先下洞后上洞施工

7、順序相應(yīng)的地表沉降值；但在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)以上結(jié)果則剛好相反。4.5結(jié)構(gòu)內(nèi)力由于上下隧道施工的相互影響，上下重疊隧道的內(nèi)力與單洞隧道的內(nèi)力分布有一定的不同，同時(shí)在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)，由于房基的存在，會(huì)更進(jìn)一步影響重疊隧道的內(nèi)力分布。表6所示為兩種施工順序施工結(jié)束時(shí)盾構(gòu)隧道管片內(nèi)力分布情況。由表6可以得出同地層應(yīng)力、地層位移、地表沉降和地層塑性區(qū)相同的結(jié)論：在地表無建筑物工程條件時(shí)，先上洞后下洞施工順序施工全過程結(jié)構(gòu)的內(nèi)力值（包括軸力和彎矩）都將小于先下洞后上洞施工順序相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值；但在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件時(shí)，以上結(jié)果卻剛好相反。5、結(jié)論（1）在地表無建筑物工程條件時(shí)，采用先

8、上洞后下洞施工順序的，地層應(yīng)力、地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力值在施工全過程中的最大值都將小于采用先下洞后上洞施工順序的相應(yīng)值，這與相關(guān)報(bào)道的研究成果一致。（2）在地表有房屋基礎(chǔ)工程條件（可以認(rèn)為在地表有一相當(dāng)?shù)募泻奢d）時(shí)，采用先上洞后下洞施工順序的地層應(yīng)力、地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力值在施工全過程中各階段的最大值都將大于采用先下洞后上洞施工順序的相應(yīng)值，這與相關(guān)報(bào)道的研究成果相反。（3）由于地表有房屋基礎(chǔ)工程條件的各項(xiàng)最大指標(biāo)值（包括地層應(yīng)力、地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力值）都比地表無建筑物工程條件時(shí)的相應(yīng)值大，這就說明地表有房屋基礎(chǔ)的工程條件為施工過程中的最不利工程條件，根據(jù)最不利工程條件下優(yōu)選最佳施工順序的原則，現(xiàn)場最終在重疊隧道段選用了先下洞后上洞的施工