關于地鐵重疊隧道施工順序的研究成果已有過一些報道,相關的研究成果[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,但現場采用的施工順序和相關的研究成果卻剛剛相反。鑒于此,本文以深圳地鐵3號線區(qū)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程的力學行為進行對比研究。
1工程背景
深圳地鐵3號線的老-東(老街站—東門中路站)區(qū)間位于深圳市老街、東門核心商業(yè)中心區(qū),該范圍人流密集、道路交錯、地下管線縱橫。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行數值模擬研究。
2工程水文地質
分析斷面為ZCK7+920,斷面巖土自上而下為<1>人工填土,<3-6>、<3-2>、<3-3>砂層,<6-2>殘積土層以及<12-1>全風化、<12-2>強風化、<12-3>中等風化基巖,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,隧道單位長度涌水量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(現場竣工圖)。根據我國房建的現狀對作用在房基上的荷載進行偏于安全的估算: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程進行研究。研究采用2節(jié)點等參平面梁(beam3)單元模擬盾構隧道襯砌,平面4節(jié)點等參實體單元(plane42)模擬地層;單元和節(jié)點總數都約為1500,計算參數與地質勘察參數完全相同;計算范圍為水平方向長70m,垂直方向從地表向下取總長60m;地應力場按自重應力場考慮;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
單洞施工過程中,地應力場變化較大的區(qū)域主要位于兩側拱腰(水平位置)偏下的區(qū)域,而施工全過程地應力場變化的區(qū)域是下洞兩側拱腰(水平位置)偏下的區(qū)域,表2所示為兩種施工順序施工結束時地層局部主應力分布狀況。由表2可以看出:在地表無建筑物的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力為0.515MPa,采用先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力為0.517MPa;在地表有房屋基礎的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力為0.784MPa,采用先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力為0.766MPa。由此可以得出:在地表無任何建筑物的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力小于先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力;但在地表有房屋基礎的工程條件下,以上結果剛好相反。
4.2地層位移
施工過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(qū)域,并且各典型施工階段地層位移較大的區(qū)域主要集中在離當前施工較近范圍的區(qū)域,表3所示為兩種施工順序施工結束時地層豎向位移分布狀況,由表3可以看出:地表無建筑物時,采用先上洞后下洞施工順序的地層下沉值為5.3mm(上洞拱頂)、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下沉值為6.5mm(上洞拱頂)、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,采用先上洞后下洞施工順序的地層下沉值為30.6mm(上洞拱頂)、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下沉值為23.7mm(上洞拱頂)、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,當地表無建筑物時采用先上洞后下洞施工順序引起的地層沉降和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,以上結果則剛好相反。 4.3地表沉降
施工過程中地表沉降區(qū)域主要集中在離隧道中心線對應地表點左右8m范圍的區(qū)域內。各典型施工階段地表沉降值都位于隧道中心線對應的地表點處,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:在地表無建筑物工程條件時,施工結束時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,施工結束時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,在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序無論在單洞施工結束還是在雙洞施工結束時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以上結果則剛好相反。
4.4地層塑性區(qū)
隧道施工過程中,在地表無建筑物工程條件時,地層塑性區(qū)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,地層塑性區(qū)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(qū)分布狀況:在地表無建筑物工程條件時,施工結束時采用先上洞后下洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.004615,而采用先下洞后上洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.009052;在地表有房屋基礎工程條件時,施工結束時采用先上洞后下洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.010883,而采用先下洞后上洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.009469。由此同樣可以得出以下結論:在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序在施工全過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,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,同時在地表有房屋基礎工程條件時,由于房基的存在,會更進一步影響重疊|考試大|隧道的內力分布。表6所示為兩種施工順序施工結束時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(qū)相同的結論:在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序施工全過程結構的內力值(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,以上結果卻剛好相反。
5結論
(1)在地表無建筑物工程條件時,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(qū)和結構內力值在施工全過程中的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,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(qū)和結構內力值在施工全過程中各階段的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指標值(包括地層應力、地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結構內力值)都比地表無建筑物工程條件時的相應值大,這就說明地表有房屋基礎的工程條件為施工過程中的最不利工程條件,根據最不利工程條件下優(yōu)選施工順序的原則,現場最終在重疊隧道段選用了先下洞后上洞的施工順序。
1工程背景
深圳地鐵3號線的老-東(老街站—東門中路站)區(qū)間位于深圳市老街、東門核心商業(yè)中心區(qū),該范圍人流密集、道路交錯、地下管線縱橫。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行數值模擬研究。
2工程水文地質
分析斷面為ZCK7+920,斷面巖土自上而下為<1>人工填土,<3-6>、<3-2>、<3-3>砂層,<6-2>殘積土層以及<12-1>全風化、<12-2>強風化、<12-3>中等風化基巖,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,隧道單位長度涌水量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(現場竣工圖)。根據我國房建的現狀對作用在房基上的荷載進行偏于安全的估算: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程進行研究。研究采用2節(jié)點等參平面梁(beam3)單元模擬盾構隧道襯砌,平面4節(jié)點等參實體單元(plane42)模擬地層;單元和節(jié)點總數都約為1500,計算參數與地質勘察參數完全相同;計算范圍為水平方向長70m,垂直方向從地表向下取總長60m;地應力場按自重應力場考慮;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
單洞施工過程中,地應力場變化較大的區(qū)域主要位于兩側拱腰(水平位置)偏下的區(qū)域,而施工全過程地應力場變化的區(qū)域是下洞兩側拱腰(水平位置)偏下的區(qū)域,表2所示為兩種施工順序施工結束時地層局部主應力分布狀況。由表2可以看出:在地表無建筑物的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力為0.515MPa,采用先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力為0.517MPa;在地表有房屋基礎的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力為0.784MPa,采用先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力為0.766MPa。由此可以得出:在地表無任何建筑物的工程條件下,采用先上洞后下洞施工順序的地層局部第三主應力小于先下洞后上洞施工順序的地層局部第三主應力;但在地表有房屋基礎的工程條件下,以上結果剛好相反。
4.2地層位移
施工過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(qū)域,并且各典型施工階段地層位移較大的區(qū)域主要集中在離當前施工較近范圍的區(qū)域,表3所示為兩種施工順序施工結束時地層豎向位移分布狀況,由表3可以看出:地表無建筑物時,采用先上洞后下洞施工順序的地層下沉值為5.3mm(上洞拱頂)、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下沉值為6.5mm(上洞拱頂)、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,采用先上洞后下洞施工順序的地層下沉值為30.6mm(上洞拱頂)、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下沉值為23.7mm(上洞拱頂)、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,當地表無建筑物時采用先上洞后下洞施工順序引起的地層沉降和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,以上結果則剛好相反。 4.3地表沉降
施工過程中地表沉降區(qū)域主要集中在離隧道中心線對應地表點左右8m范圍的區(qū)域內。各典型施工階段地表沉降值都位于隧道中心線對應的地表點處,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:在地表無建筑物工程條件時,施工結束時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,施工結束時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,在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序無論在單洞施工結束還是在雙洞施工結束時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以上結果則剛好相反。
4.4地層塑性區(qū)
隧道施工過程中,在地表無建筑物工程條件時,地層塑性區(qū)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,地層塑性區(qū)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(qū)分布狀況:在地表無建筑物工程條件時,施工結束時采用先上洞后下洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.004615,而采用先下洞后上洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.009052;在地表有房屋基礎工程條件時,施工結束時采用先上洞后下洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.010883,而采用先下洞后上洞施工順序的地層塑性應變?yōu)?.009469。由此同樣可以得出以下結論:在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序在施工全過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,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,同時在地表有房屋基礎工程條件時,由于房基的存在,會更進一步影響重疊|考試大|隧道的內力分布。表6所示為兩種施工順序施工結束時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(qū)相同的結論:在地表無建筑物工程條件時,先上洞后下洞施工順序施工全過程結構的內力值(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,以上結果卻剛好相反。
5結論
(1)在地表無建筑物工程條件時,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(qū)和結構內力值在施工全過程中的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,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(qū)和結構內力值在施工全過程中各階段的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指標值(包括地層應力、地層位移、地表沉降、地層塑性區(qū)和結構內力值)都比地表無建筑物工程條件時的相應值大,這就說明地表有房屋基礎的工程條件為施工過程中的最不利工程條件,根據最不利工程條件下優(yōu)選施工順序的原則,現場最終在重疊隧道段選用了先下洞后上洞的施工順序。