深圳地鐵重疊隧道結(jié)構(gòu)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(shù)值模擬分析，探討了重疊隧道結(jié)構(gòu)受力和對地表沉降的控制．并在模型試驗和現(xiàn)場量測中對數(shù)值分析的結(jié)果進行了驗證。
【關鍵詞】重疊隧道 數(shù)值分析 模型試驗 現(xiàn)場量測

1 引言
深圳地鐵一期工程國貿(mào)站—老街站區(qū)間隧道位于深圳市繁華的國貿(mào)、老街地區(qū)，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(qū)間右、左線路采用上、下重疊布置，隧道結(jié)構(gòu)設計為獨特的單洞雙層重疊結(jié)構(gòu)形式，采用淺埋暗挖法施工。
由于單洞雙層結(jié)構(gòu)施工引起的地層效應和結(jié)構(gòu)的力學行為十分復雜，這對施工期間的結(jié)構(gòu)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(shù)值分析、模型試驗和現(xiàn)場量測三方面對其進行研究。
2 重疊隧道施工數(shù)值模擬分析
2.1數(shù)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(shù)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(cè)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(jié)果分析
2．2．1襯砌內(nèi)力
上層結(jié)構(gòu)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(chǎn)生大的破壞。計算結(jié)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(jù)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(jié)構(gòu)的開挖采用正臺階施工法。
3．2 平面模型試驗結(jié)果分析
3．2．1襯砌內(nèi)力
襯砌彎矩和襯砌軸力的試驗結(jié)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(nèi)力分析，可以看到：先上后下施工能較好地發(fā)揮拱部加固圈和上洞襯砌的作用，雖然使上洞襯砌內(nèi)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(fā)揮作用，保護下洞的開挖。單洞雙層結(jié)構(gòu)先上后下施工時應加寬墻腳，防止出現(xiàn)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(nèi)為原型值）。試驗結(jié)果表明，單洞雙層第一步開挖沉降占總
值絕大部分，后續(xù)開挖幾乎沒有疊加，效果十分明顯。

4 現(xiàn)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(guī)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(nèi)空變位趨于收斂，圍巖壓力也趨于穩(wěn)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(jù)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(guī)律與試驗和計算一致，體現(xiàn)了先上后下的好處。

圖6 橫斷面方向沉降分布
5 結(jié)論及建議
(1)對于重疊隧道通過數(shù)值模擬分析，優(yōu)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(xiàn)場量測對數(shù)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(guī)律與數(shù)值計算一致，上洞襯砌的“護拱效應”明顯，體現(xiàn)了先上后下的好處；
(3)在現(xiàn)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(shù)值方法. 北京：中國鐵道出版社，1995