唐明明，刘 淼

(北京安捷工程咨询有限公司，北京 100037)

0 引言

随着我国城市化建设的不断发展，地下空间的开发利用也在不断扩大，地铁交通建设得到了快速发展。在部分地铁线路设计中，由于受地质条件及地下空间综合开发利用等因素的影响，地铁线路之间近距离相互交叠、穿越等现象越来越多［1－2］。隧道交叠施工对同一区域地层进行多次扰动，并且隧道间也存在相互作用，地应力分布复杂，交叠施工对周围环境以及隧道结构本身都将造成极大的安全隐患［3－6］。

针对交叠隧道施工安全性影响问题，相关学者进行了大量的研究工作。孙钧等［7］通过对地铁左右线隧道斜向并列工况进行分析研究，认为地面最大沉降量在上部隧道推进过程中将会大幅增加，并且在推进前期增幅最为显著。Hage C.F.等［8］通过对双线隧道在水平并列、斜向并列、竖向交叠3种线路排布情况进行研究，认为竖向交叠隧道对地层沉降的影响最为明显，斜向并列情况次之，水平并列时地层沉降相对较小。Byun G.W.等［9］对交叠隧道进行了相似模型试验，认为既有隧道扰动了交叠区域的地应力分布，在新建隧道下穿施工时，地层呈拱效应被削弱，进而将引起较为显著的地层沉降。靳晓光等［10］则对深埋交叉隧道的力学行为进行阐述，认为沿2个隧道纵向平面内的地层剪应力最为显著。

国内外学者的研究成果为交叠隧道工程提供了重要参考，但目前多数的研究成果偏向于对2条隧道横向交叠或竖向并列的情况，而对于同一条线路左右线间交叉转换情况的研究相对缺乏。本文以西安地铁临潼线区间左右线交叉转换工况为背景，研究并行隧道空间交叉转换施工对周围地层的影响情况，并对隧道间先后施工扰动的相互作用问题进行分析，得出隧道交叉转换工况下的一般变形规律。

1 工程概况

西安地铁临潼线西起纺织城，终止于临潼区秦汉大道，其间纺织城站至香王站区间线路隧道在YCK1+306.625～+402.000里程段长约95 m进行左、右线转换，转换方式为左线上跨右线，如图1和图2所示。区间隧道埋深12.7～29.2 m，隧道交叉重叠段采用“先下后上”的施工顺序，均采用盾构法施工，隧道竖向净距为3.9～5.0 m，属于小净距重叠施工关系。盾构管片外截面直径6.0 m，厚0.3 m，采用C50预制混凝土管片错缝拼装成环，环宽1.2 m，采用复合式土压平衡盾构法掘进，盾构直径为6.3 m，管片和周围地层间隙采用水泥浆充填。

图2 纺织城站—香王站区间交叠段隧道纵剖面图Fig.2 Longitudinal profile of overlapping shield tunnels in Fangzhicheng Station-Xiangwang Station section

线路左右线交叠转换段位于灞河三级阶地，地形较为平坦，区间地层主要为第四系堆积物，自上而下依次为:全新统人工填土(，层厚0.5～2.7 m)、冲洪积()黄土状土(层厚 8.5 ～13.7 m)、卵石土(层厚5.8～7.8 m)和中更新统冲洪积()粉质黏土(层厚27.8～41.6 m)及圆砾土(层厚 1.4 ～6.9 m)。场地地层剖面如图3所示。

图3 左右线交叠区域地层剖面图Fig.3 Profile showing geological conditions of overlapping tunnel section

2 计算模型及方法

隧道左右线转换结构属于空间交叠问题，在转换前后均在同一水平面内，但在交叠位置存在上下交错，线路空间特征复杂。为更真实地反映线路的实际工况，建立三维空间计算模型，如图4所示。计算模型尺寸长600 m、宽150 m、高41 m，盾构管片及周围地层均采用实体单元模拟，土体屈服采用摩尔－库仑准则，共划分225 067个单元，模型侧面和底面为位移边界，模型顶面取为自由边界，底面采用固定约束，侧面采用法向约束。隧道在垂直交叠处的建模剖面如图5所示。

图4 盾构隧道的空间结构Fig.4 3D model of overlapping shield tunnels

图5 隧道垂直交叠处的模型剖面图Fig.5 Profile of vertically-overlapping section of shield tunnels

盾构推进过程的模拟方法采用刚度迁移法［11］，模型中预留注浆区单元以及管片单元，在计算过程中逐步更换材料参数。盾构采用复合式土压平衡方式，计算过程中忽略盾构自身重力，仅在掌子面上施加与所在地层的压力相平衡的推进压力［12］。计算过程按照实际施工工序，二隧道均从小里程向大里程方向掘进，先施工位于下部的右线，后施工上跨的左线。

3 计算参数

场地范围内土层分布主要以杂填土(层厚1.3～8.3 m)、素填土(层厚 0.5 ～7.2 m)、黄土状土(层厚1.2 ～13.7 m)、圆砾土(属于透镜体夹层，层厚 0.9 ～4.5 m)、卵石土(层厚 0.8 ～ 7.8 m)及粉质黏土(0.8～41.6 m)为主。考虑到地层实际分布状况，在计算中将土层简化为填土层、黄土状土、卵石土及粉质黏土4层，具体计算参数如表1所示。

表1 各材料力学特性参数Table 1 Mechanical parameters of soils，grouting section and tunnel segment

4 结果分析

采用如图4所示的结构模型并划分网格，根据实际地层对网格单元赋与材料参数，得出各个施工步骤下地层位移及隧道变形量。

4.1 地层沉降规律

右线隧道施工完成后的总体沉降云图以及各横断面沉降云图如图6和图7所示，图中x表示沿模型长边方向的坐标(取值范围0≤x≤600 m，其中x=0为盾构起始方向)。

图6 右侧隧道施工完毕时的地层沉降云图Fig.6 Contour of ground settlement after completion of right tunnel tube

由图6和图7可知:受右侧隧道盾构施工的影响，隧道上方的土体出现了较为明显的沉降，地层沉降规律属于典型的漏斗形，土体沉降值随与隧道的水平距离的增加而减小，沉降影响距离为2～3倍隧道直径。盾构引起的地层沉降在管片上方位置相对较大，最大值约为10.97 mm，管片底部地层有隆起趋势，最大隆起值为4.21 mm。通过各剖面沉降云图对比可知，受地层压力的影响，管片上部沉降值以及底部隆起量均随着隧道埋置深度的增加而增加，即在中间下凹段(x=300 m)最大，在两端水平段相对较小。

图7 右侧隧道施工完毕时各横剖面沉降云图Fig.7 Contour of ground settlement at different cross-sections when the construction of the right tunnel tube is completed

左、右线隧道均施工完毕后的总体沉降云图以及各横断面沉降云图如图8和图9所示。

图8 左、右线隧道均施工完毕后的地层沉降云图Fig.8 Contour of ground settlement after the construction of both the left tunnel tube and the right tunnel tube is completed

图9 左、右线隧道均施工完毕后各横剖面地层沉降云图Fig.9 Contour of ground settlement at different cross-sections after the construction of both the left tunnel tube and the right tunnel tube is completed

由图8和图9云图可知:左侧隧道的盾构施工增大了周围地层的沉降量以及沉降影响区范围，沉降最大值约为15.63 mm，最大沉降区域出现在左右线垂直交叠(x=300 m)时的左线管片上方位置处，此处地表最大沉降值为9.79 mm。地层沉降值和隆起量与二隧道间相对位置有关，其中垂直交叠段地层沉降值和隆起量均最大，斜向并列段次之，水平并列段则相对较小。

从地层总体沉降云图(图8)可知:区间隧道施工引起的地层沉降区域呈条带状，沿区间线路走向延伸，影响宽度为3～4倍隧道最大水平间距。在同一横截面中，地层沉降最大值均位于盾构管片上部区域，地表沉降最大值则位于二隧道之间的区域。沿区间走向方向分析，地表沉降最大值位于二隧道垂直交叠区域处，并且地表沉降随着隧道垂直交叠程度的减弱略有减小，即隧道垂直交叠铺设相比水平并行铺设对地层的扰动更为明显。

4.2 左线施工对右线的扰动规律

4.1节主要分析了左、右线盾构施工对周围地层的影响情况，然而对于已经完成的右线隧道结构，左线的近距离上跨穿越施工再次扰动周围地层，释放地应力可能引起右线隧道出现变形过大甚至管片结构受力偏压等问题，影响既有隧道的安全。以右线隧道为研究对象，分析其受左线施工影响下的结构变形及力学状态。各横截面右线管片变形情况如图10所示。在图10中，实线表示隧道管片初设位置，绿色填充单元为其受施工扰动变形后的位置，绿色数值为隧道上下2象限点的竖向位移值(单位为mm)，为更明显地辨识位移趋势，图中位移均为夸大比例后的位置。

从图10可以看出，左线施工对右线的影响主要表现为侧向位移和竖向沉降。左线隧道管片结构承受上覆土体的自重应力，通过圆弧型结构传递给隧道侧壁，整个盾构衬砌体呈现出椭圆化变形趋势。受左线施工扰动的影响，右线隧道主要表现为远离左线的位移趋势，但当左线位于右线正上方时(x=300 m位置时)，右线位移几乎无变化。

引起这种位移变化趋势的原因主要有2个点:1)左线隧道衬砌对侧壁的推挤引起该层土体的水平位移，进而将临近的右线隧道向外推进，引起水平位移。2)当左、右线隧道在同一水平位置时，左线隧道开挖引起上覆土体的进一步沉降，这种沉降变形连带影响了附近地层，相当于增加了右线隧道上部地层的附加应力，引起了右线隧道的整体沉降;当左线位于右线上部位置时，这种附加应力增加影响不到右线隧道，外加左线隧道底部应力释放因素的影响，右线隧道位移几乎无变化(x=300 m位置时)。右线隧道受左线施工扰动下的位移变化如图11所示。

由图11可知:受左线施工扰动影响，右线隧道最大水平位移(绝对值)为1.75 mm，最大沉降值为1.97 mm，并且在左线垂直跨越位置处水平位移和沉降影响相对较小。

图10 右线受左线施工扰动的位移趋势图Fig.10 Trend of displacement of right tunnel tube induced by construction of left tunnel tube

5 结论与讨论

根据地铁临潼线隧道左、右线空间交叠转换工况特点以及相关资料，建立了交叠转换段的空间三维模型，针对隧道交叠位置的地层沉降规律以及左右隧道间的施工影响情况进行计算分析，主要研究结论如下。

图11 右线受左线施工扰动影响的位移变化图Fig.11 Curves of displacement of right tunnel tube induced by construction of left tunnel tube

1)区间隧道施工引起的地层沉降区域呈条带状，沿区间线路走向延伸，影响宽度为3～4倍隧道最大水平间距。隧道垂直交叠段上方位置的地层沉降最大，最大地层沉降值为15.63 mm，最大地表沉降为9.79 mm。

2)左线隧道施工对右线位移的影响主要表现为侧向推挤以及增加其附加应力的作用，右线隧道在垂直交叠段受扰动影响较小，在与左线水平并行段施工扰动相对较大，但水平位移和沉降值均在2 mm以内。

3)对于隧道左、右线空间交叠转换这种特殊工况，在施工时应当重点监控线路中线以及左右线交叠位置的地表沉降情况，必要时应采取相应的注浆加固或补救处理措施。

本文没有考虑盾构自身重力因素以及盾构管片拼装缝的影响，研究方法有待进一步改进。此外，文中得出的管片变形和地层沉降尚需在将来的实际施工中进行对比验证，以期进行更为深入的研究。

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