深圳地鐵重疊隧道結構受力及地表沉降分析

【摘要】本文通過深圳地鐵重疊隧道施工數值模擬分析，探討了重疊隧道結構受力和對地表沉降的控制．并在模型試驗和現場量測中對數值分析的結果進行了驗證。
【關鍵詞】重疊隧道 數值分析 模型試驗 現場量測

1 引言
深圳地鐵一期工程國貿站—老街站區間隧道位于深圳市繁華的國貿、老街地區，地面道路縱橫交錯。由于受地鐵車站站位及沿線建筑物基礎的影響，區間右、左線路采用上、下重疊布置，隧道結構設計為獨特的單洞雙層重疊結構形式，采用淺埋暗挖法施工。
由于單洞雙層結構施工引起的地層效應和結構的力學行為十分復雜，這對施工期間的結構安全和地表沉降控制會帶來很大的困難。因此摘清其受力機理和對地表沉降的控制是十分必要的。本文通過數值分析、模型試驗和現場量測三方面對其進行研究。
2 重疊隧道施工數值模擬分析
2.1數值分析方法
單洞雙層重疊隧道施工模擬計算采用大型有限元軟件ANSYS，隧道的開挖和襯砌的施作通過單元死活和改變材料參數的方法模擬，計算采用80mx 80m的范圍，邊界條件均采用位移邊界條件，上邊界取地面，為自由面，兩側面、底面均受法向約束。
對于重疊隧道的施工，按先施工上層后施工下層進行，具體步驟如下：①圍巖自重應力場計算；②超前支護，開挖上臺階；③上臺階錨噴支護并施作臨時仰拱；④下臺階進行超前支護并開挖；⑤下臺階錨噴支護并施作；6～9、開挖下層，同上2～5。
2．2 計算結果分析
2．2．1襯砌內力
上層結構見表1。

2．2．2地表沉降
通過計算，地表位移較小，最大值僅6．7mm，不會對地表產生大的破壞。計算結果見圖1。
本文還對從下向上的工況進行了計算分析，先開挖下洞時，地表沉降量約為地表總沉降量的50％，但從下向上開挖地表總沉降量要大于從上向下開挖，因此單洞雙層隧道施工中采用從上向下的開挖方法，對拱部進行預支護形成支撐拱，在其保護下進行下部開挖是比較科學、合理的。

圖1 單洞雙層隧道橫截面施工地表沉陷量變化
3．1 平面模型試驗簡介
平面模型的幾何相似比取為10。平面試驗模型根據隧道斷面尺寸及埋深，考慮邊界效應，模型槽的尺寸為3．40m(寬)x 3．70m(高)x0．48m(厚)。
試驗嚴格模擬施工過程，單洞雙層結構的開挖采用正臺階施工法。
3．2 平面模型試驗結果分析
3．2．1襯砌內力
襯砌彎矩和襯砌軸力的試驗結果見圖2、圖3。圖中模型彎矩單位為N·m，厲型彎矩單位為kN·m，
模型軸力單位為N，原型軸力單位為kN。

圖2 彎距圖 圖3 軸力圖
通過內力分析，可以看到：先上后下施工能較好地發揮拱部加固圈和上洞襯砌的作用，雖然使上洞襯砌內力的影響比先下后上施工要大，卻能使上洞襯砌在軟弱圍巖中充分發揮作用，保護下洞的開挖。單洞雙層結構先上后下施工時應加寬墻腳，防止出現過大拉力。
3．2．2地表沉降
地表沉降曲線如圖4所示(圖中括號內為原型值）。試驗結果表明，單洞雙層第一步開挖沉降占總
值絕大部分，后續開挖幾乎沒有疊加，效果十分明顯。

4 現場量測分析
4.1圍巖壓力

圖4 地表沉降曲線(單洞雙層，先上后下）
圍巖壓力的變化規律比較明顯。隨著緊鄰臺階的推進開挖圍巖進一步擾動松弛，拱頂、拱腳兩處圍巖壓力一直是增大的，但是增大速率較小，這與拱頂下沉的速率基本上同步。隨著開挖面向前推進，該斷面地表下沉及拱頂下沉、內空變位趨于收斂，圍巖壓力也趨于穩定，拱頂處圍巖壓力為0．13MPa，如果按淺埋隧道上覆土壓力計算值為0．29MPa，這說明加固圈的“拱效應”是很明顯的。拱腳處同巖壓力為0．23MPa。變形穩定后整個斷面各測點處的圍巖壓力大小及分布狀況見圖5，其值范圍為0．15～0．23MPa，由此可見結構是具有一定安全度的。
4．2地表下沉

在施工各階段的沉降量占總下沉的比例分別為：超前下沉量17％， 上臺階開挖34％，二臺階開挖29％，三臺階開挖13％，四臺階開挖7％。根據地表布置的13個測點的情況來看，隧道開挖在橫斷面地表沉降的影響范圍距隧道中線約為1．5D左右。各臺階開挖時引起的橫斷方向沉降分布見圖6。雖然實際量測的地表沉降值大于計算、試驗及設計基準值(30mm)，但其上洞開挖引起沉降占大多而下洞疊加很小的規律與試驗和計算一致，體現了先上后下的好處。

圖6 橫斷面方向沉降分布
5 結論及建議
(1)對于重疊隧道通過數值模擬分析，優化了工序，建議采用先上后下工法以減小地表沉降；
(2)通過模型試驗和現場量測對數值分析進行了驗證，重疊隧道上洞開挖引起沉降占大多而下洞疊加很小的規律與數值計算一致，上洞襯砌的“護拱效應”明顯，體現了先上后下的好處；
(3)在現場量測到的地表沉降值大于計算、試驗值，這是因為降水、臺階、圍巖及施工封閉時間等不同引起的。

參考文獻
【1】 潘昌實. 隧道力學數值方法. 北京：中國鐵道出版社，1995