摘要：文章以深圳地鐵三號線(xiàn)老-東區間盾構隧道工程為背景，采用有限元數值模擬研究方法，對地鐵重疊隧道段在地表無(wú)任何建筑物和地表有房屋基礎兩種工程條件下，采用先上洞后下洞和先下洞后上洞兩種施工順序的盾構區間隧道施工全過(guò)程的力學(xué)行為進(jìn)行了分析對比。通過(guò)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(lèi)似工程的設計與施工提供參考。

　　關(guān)鍵詞：重疊隧道；施工順序；地鐵區間；隧道；盾構法數；值模擬

　　關(guān)于地鐵重疊隧道施工順序的研究成果已有過(guò)一些報道，相關(guān)的研究成果[1，2]認為：對于地鐵重疊隧道應采用先上洞后下洞的施工順序，但現場(chǎng)采用的施工順序和相關(guān)的研究成果卻剛剛相反。鑒于此，本文以深圳地鐵3號線(xiàn)區間盾構隧道為工程背景，采用有限元數值模擬方法，對地鐵重疊隧道段兩種工況、兩種施工順序的盾構隧道施工全過(guò)程的力學(xué)行為進(jìn)行對比研究。

　　1、工程背景

　　深圳地鐵3號線(xiàn)的老-東（老街站—東門(mén)中路站）區間位于深圳市老街、東門(mén)核心商業(yè)中心區，該范圍人流密集、道路交錯、地下管線(xiàn)縱橫。由于受老街站控制，上下隧道的最小凈距為1.6m.隧道下穿的房屋除兩處需進(jìn)行托換外，大部分為6~8層磚混、擴大或筏板基礎的房屋，地面沉降控制十分嚴格。本文以此為工程背景，對同一斷面處地表沒(méi)有任何地面建筑和地表有房屋基礎兩種工程條件下的上下重疊隧道進(jìn)行數值模擬研究。

　　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、強風(fēng)化、中等風(fēng)化基巖，圍巖均一性級差，綜合判定圍巖為Ⅵ級。該段地下水位埋深為3.6m，滲透系數K=2.5m/d，隧道單位長(cháng)度涌水q=11.2m³/d.m。

　　3、數值模擬概況

　　3.1房基

　　房屋基礎為8層磚混擴大房屋基礎，埋深4m尺寸為4m×4m，基礎中心間距為9m×9m（現場(chǎng)竣工圖）。根據我國房建的現狀對作用在房基上的荷載進(jìn)行偏于安全的估算：取每層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（12.5×8×9×9）/（4×4）=506.25kN，數值模擬取510kN。

　　3.2模型

　　采用通用軟件ANSYS程序對本工程條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(guò)程進(jìn)行研究。研究采用2節點(diǎn)等參平面梁（beam³）單元模擬盾構隧道襯砌，平面4節點(diǎn)等參實(shí)體單元（plane42）模擬地層；單元和節點(diǎn)總數都約為1500，計算參數與地質(zhì)勘察參數完全相同；計算范圍為水平方向長(cháng)70m，垂直方向從地表向下取總長(cháng)60m；地應力場(chǎng)按自重應力場(chǎng)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、數值模擬結果與分析

　　4.1地層應力

　　單洞施工過(guò)程中，地應力場(chǎng)變化較大的區域主要位于兩側拱腰（水平位置）偏下的區域，而施工全過(guò)程地應力場(chǎng)變化最大的區域是下洞兩側拱腰（水平位置）偏下的區域。

　　4.2地層位移

　　施工過(guò)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域，并且各典型施工階段地層位移較大的區域主要集中在離當前施工較近范圍的區域，表3所示為兩種施工順序施工結束時(shí)地層豎向位移分布狀況，由表3可以看出：地表無(wú)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）、最大隆起值為17.1mm（下洞拱底），兩洞之間的地層位移表現為向下沉降。地表有房屋基礎工程條件時(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為向下沉降。由此可見(jiàn)，當地表無(wú)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值；但在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，以上結果則剛好相反。

　　4.3地表沉降施工過(guò)程中地表沉降區域主要集中在離隧道中心線(xiàn)對應地表點(diǎn)左右8m范圍的區域內。各典型施工階段地表最大沉降值都位于隧道中心線(xiàn)對應的地表點(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(wú)建筑物工程條件時(shí)，施工結束時(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；在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，施工結束時(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(wú)建筑物工程條件時(shí)，先上洞后下洞施工順序無(wú)論在單洞施工結束還是在雙洞施工結束時(shí)其地表沉降值都將小于先下洞后上洞施工順序相應的地表沉降值；但在地表有房屋基礎工程條件時(shí)以上結果則剛好相反。

　　4.4地層塑性區隧道施工過(guò)程中，在地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)，地層塑性區主要集中在隧道橫斷面內離隧道結構距離為3m的范圍內；但在地表有房屋基礎工況時(shí)，地層塑性區將從房屋基礎延伸至隧道結構處，并主要分布于離隧道結構距離為3m的范圍內。表5所示為兩種施工順序典型施工階段地層塑性區分布狀況：在地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)，施工結束時(shí)采用先上洞后下洞施工順序的地層最大塑性應變?yōu)?.004615，而采用先下洞后上洞施工順序的地層最大塑性應變?yōu)?.009052；在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，施工結束時(shí)采用先上洞后下洞施工順序的地層最大塑性應變?yōu)?.010883，而采用先下洞后上洞施工順序的地層最大塑性應變?yōu)?.009469.由此同樣可以得出以下結論：在地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)，先上洞后下洞施工順序在施工全過(guò)程的地層塑性應變值都將小于先下洞后上洞施工順序相應的地層塑性應變值；但在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，以上結果剛好相反。

　　4.5結構內力由于上下隧道施工的相互影響，上下重疊隧道的內力與單洞隧道的內力分布有一定的不同，同時(shí)在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，由于房基的存在，會(huì )更進(jìn)一步影響重疊隧道的內力分布。表6所示為兩種施工順序施工結束時(shí)盾構隧道管片內力分布情況。由表6可以得出同地層應力、地層位移、地表沉降和地層塑性區相同的結論：在地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)，先上洞后下洞施工順序施工全過(guò)程結構的內力值（包括軸力和彎矩）都將小于先下洞后上洞施工順序相應的結構內力值；但在地表有房屋基礎工程條件時(shí)，以上結果卻剛好相反。

　　5、結論

　　（1）在地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)，采用先上洞后下洞施工順序的，地層應力、地層位移、地表沉降、地層塑性區和結構內力值在施工全過(guò)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值，這與相關(guān)報道的研究成果一致。

　�。�2）在地表有房屋基礎工程條件（可以認為在地表有一相當的集中荷載）時(shí)，采用先上洞后下洞施工順序的地層應力、地層位移、地表沉降、地層塑性區和結構內力值在施工全過(guò)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值，這與相關(guān)報道的研究成果相反。

　�。�3）由于地表有房屋基礎工程條件的各項最大指標值（包括地層應力、地層位移、地表沉降、地層塑性區和結構內力值）都比地表無(wú)建筑物工程條件時(shí)的相應值大，這就說(shuō)明地表有房屋基礎的工程條件為施工過(guò)程中的最不利工程條件，根據最不利工程條件下優(yōu)選最佳施工順序的原則，現場(chǎng)最終在重疊隧道段選用了先下洞后上洞的施工順序。

　　參考文獻：

　　[1]朱益海。地鐵雙層隧道試驗研究[J].中國鐵道科學(xué)，2001，（6）

　　[2]仇文革，張志強。深圳地鐵重疊隧道近接施工影響的數值模擬分析[J].鐵道標準設計，2000，（11）

　　[3]何川。シル4ドトンネル縦斷方向の地震？動(dòng)に関する研究[D].博士學(xué)位論文。東京：早稲田大學(xué)，1999-01