摘 要 文章以深圳地铁三号线老-东区间盾构隧道工程为背景,采用有限元数值模拟研究方法,对地铁重叠隧道段在地表无任何建筑物和地表有房屋基础两种工程条件下,采用先上洞后下洞和先下洞后上洞两种施工顺序的盾构区间隧道施工全过程的力学行为进行了分析对比。通过分析,揭示出了相关的研究成果与实际施工顺序不同的关键所在,可为今后类似工程的设计与施工提供参考。
关键词 重叠隧道施工顺序地铁区间隧道盾构法 数值模拟
关于地铁重叠隧道施工顺序的研究成果已有过一些报道,相关的研究成果[1,2]认为:对于地铁重叠隧道应采用先上洞后下洞的施工顺序,但现场采用的施工顺序和相关的研究成果却刚刚相反。鉴于此,本文以深圳地铁3号线区间盾构隧道为工程背景,采用有限元数值模拟方法,对地铁重叠隧道段两种工况、两种施工顺序的盾构隧道施工全过程的力学行为进行对比研究。
1工程背景
深圳地铁3号线的老-东(老街站—东门中路站)区间位于深圳市老街、东门核心商业中心区,该范围人流密集、道路交错、地下管线纵横。由于受老街站控制,上下隧道的最小净距为1.6m。隧道下穿的房屋除两处需进行托换外,大部分为6~8层砖混、扩大或筏板基础的房屋,地面沉降控制十分严格。本文以此为工程背景,对同一断面处地表没有任何地面建筑和地表有房屋基础两种工程条件下的上下重叠隧道进行数值模拟研究。
2工程水文地质
分析断面为zck7+920,断面岩土自上而下为<1>人工填土,<3-6>、<3-2>、<3-3>砂层,<6-2>残积土层以及<12-1>全风化、<12-2>强风化、<12-3>中等风化基岩,围岩均一性级差,综合判定围岩为ⅵ级。wwW.11665.cOm该段地下水位埋深为3.6m,渗透系数k=2.5m/d,隧道单位长度涌水量q=11.2m3/d·m。分析断面地质情况如图1所示。
3数值模拟概况
3.1房 基
房屋基础为8层砖混扩大房屋基础,埋深4m尺寸为4m×4m,基础中心间距为9m×9m(现场竣工图)。根据我国房建的现状对作用在房基上的荷载进行偏于安全的估算:取每层房屋单位面积的总荷载为12.5kn,则作用在每平方米房基上的荷载为(12.5×8×9×9)/(4×4)=506.25kn,数值模拟取510kn。
3.2模 型
采用通用软件ansys程序对本工程条件下先上洞后下洞和先下洞后上洞两种施工顺序的施工全过程进行研究。研究采用2节点等参平面梁(beam3)单元模拟盾构隧道衬砌,平面4节点等参实体单元(plane42)模拟地层;单元和节点总数都约为1500,计算参数与地质勘察参数完全相同;计算范围为水平方向长70m,垂直方向从地表向下取总长60m;地应力场按自重应力场考虑;边界条件为:左右边界水平约束,下边界垂直方向约束,地表为自由面。应用弹塑性分析,建模概况如表1、图2。
4数值模拟结果与分析
4.1地层应力
单洞施工过程中,地应力场变化较大的区域主要位于两侧拱腰(水平位置)偏下的区域,而施工全过程地应力场变化最大的区域是下洞两侧拱腰(水平位置)偏下的区域,表2所示为两种施工顺序施工结束时地层局部最大主应力分布状况。由表2可以看出:在地表无建筑物的工程条件下,采用先上洞后下洞施工顺序的地层局部最大第三主应力为0.515mpa,采用先下洞后上洞施工顺序的地层局部最大第三主应力为0.517mpa;在地表有房屋基础的工程条件下,采用先上洞后下洞施工顺序的地层局部最大第三主应力为0.784mpa,采用先下洞后上洞施工顺序的地层局部最大第三主应力为0.766mpa。由此可以得出:在地表无任何建筑物的工程条件下,采用先上洞后下洞施工顺序的地层局部第三主应力小于先下洞后上洞施工顺序的地层局部第三主应力;但在地表有房屋基础的工程条件下,以上结果刚好相反。
4.2地层位移
施工过程中地层竖向位移主要集中在两隧道拱顶以上和仰拱以下的竖直区域,并且各典型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,表3所示为两种施工顺序施工结束时地层竖向位移分布状况,由表3可以看出:地表无建筑物时,采用先上洞后下洞施工顺序的地层最大下沉值为5.3mm(上洞拱顶)、最大隆起值为16.0mm(下洞拱底),两洞之间的地层位移表现为向上隆起;采用先下洞后上洞施工顺序的地层最大下沉值为6.5mm(上洞拱顶)、最大隆起值为17.1mm(下洞拱底),两洞之间的地层位移表现为向下沉降。地表有房屋基础工程条件时,采用先上洞后下洞施工顺序的地层最大下沉值为30.6mm(上洞拱顶)、最大隆起值为19.6mm(下洞拱底)、两洞之间的地层位移表现为向下沉降;采用先下洞后上洞施工顺序的地层最大下沉值为23.7mm(上洞拱顶)、最大隆起值为18.9mm(下洞拱底),两洞之间的地层位移表现为向下沉降。由此可见,当地表无建筑物时采用先上洞后下洞施工顺序引起的地层最大沉降和最大隆起值都将小于采用先下洞后上洞施工顺序引起的地层竖向位移的相应值;但在地表有房屋基础工程条件时,以上结果则刚好相反。
4.3地表沉降
施工过程中地表沉降区域主要集中在离隧道中心线对应地表点左右8m范围的区域内。各典型施工阶段地表最大沉降值都位于隧道中心线对应的地表点处,表4为两种施工顺序典型施工阶段地表沉降分布状况。由表4可以看到:在地表无建筑物工程条件时,施工结束时采用先上洞后下洞施工顺序的地表最终沉降值为2.5mm,而采用先下洞后上洞施工顺序的地表最终沉降值为4.2mm;在地表有房屋基础工程条件时,施工结束时采用先上洞后下洞施工顺序的地表最终沉降值为24mm,而采用先下洞后上洞施工顺序的地表最终沉降值为19mm。由此可得,在地表无建筑物工程条件时,先上洞后下洞施工顺序无论在单洞施工结束还是在双洞施工结束时其地表沉降值都将小于先下洞后上洞施工顺序相应的地表沉降值;但在地表有房屋基础工程条件时以上结果则刚好相反。
4.4地层塑性区
隧道施工过程中,在地表无建筑物工程条件时,地层塑性区主要集中在隧道横断面内离隧道结构距离为3m的范围内;但在地表有房屋基础工况时,地层塑性区将从房屋基础延伸至隧道结构处,并主要分布于离隧道结构距离为3m的范围内。表5所示为两种施工顺序典型施工阶段地层塑性区分布状况:在地表无建筑物工程条件时,施工结束时采用先上洞后下洞施工顺序的地层最大塑性应变为0.004615,而采用先下洞后上洞施工顺序的地层最大塑性应变为0.009052;在地表有房屋基础工程条件时,施工结束时采用先上洞后下洞施工顺序的地层最大塑性应变为0.010883,而采用先下洞后上洞施工顺序的地层最大塑性应变为0.009469。由此同样可以得出以下结论:在地表无建筑物工程条件时,先上洞后下洞施工顺序在施工全过程的地层塑性应变值都将小于先下洞后上洞施工顺序相应的地层塑性应变值;但在地表有房屋基础工程条件时,以上结果刚好相反。
4.5 结构内力
由于上下隧道施工的相互影响,上下重叠隧道的内力与单洞隧道的内力分布有一定的不同,同时在地表有房屋基础工程条件时,由于房基的存在,会更进一步影响重叠隧道的内力分布。表6所示为两种施工顺序施工结束时盾构隧道管片内力分布情况。由表6可以得出同地层应力、地层位移、地表沉降和地层塑性区相同的结论:在地表无建筑物工程条件时,先上洞后下洞施工顺序施工全过程结构的内力值(包括轴力和弯矩)都将小于先下洞后上洞施工顺序相应的结构内力值;但在地表有房屋基础工程条件时,以上结果却刚好相反。
5结 论
(1)在地表无建筑物工程条件时,采用先上洞后下洞施工顺序的,地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值在施工全过程中的最大值都将小于采用先下洞后上洞施工顺序的相应值,这与相关报道的研究成果一致。
(2)在地表有房屋基础工程条件(可以认为在地表有一相当的集中荷载)时,采用先上洞后下洞施工顺序的地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值在施工全过程中各阶段的最大值都将大于采用先下洞后上洞施工顺序的相应值,这与相关报道的研究成果相反。
(3)由于地表有房屋基础工程条件的各项最大指标值(包括地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值)都比地表无建筑物工程条件时的相应值大,这就说明地表有房屋基础的工程条件为施工过程中的最不利工程条件,根据最不利工程条件下优选最佳施工顺序的原则,现场最终在重叠隧道段选用了先下洞后上洞的施工顺序。
参考文献
[1]朱益海.地铁双层隧道试验研究[j].中国铁道科学,2001,(6)
[2]仇文革,张志强.深圳地铁重叠隧道近接施工影响的数值模拟分析[j].铁道标准设计,2000,(11)
[3]何川.シル4ドトンネル縦断方向の地震? 動に関する研究[d].博士学位论文.东京:早稲田大学,1999-01
