【摘 要】城市地铁盾构隧道近接施工会引起复杂的地层效应，盾构隧道近接施工时，中间土体的变化规律是地层效应的研究重点，对于地面沉降的控制具有重要意义。结合广州城市轨道交通5号线动物园站~杨箕站盾构隧道工程，本文基于有限元分析，对城市地铁盾构隧道近接施工常见的水平平行、斜45°平行和上下重叠三种形态进行了数值计算，分析了不同形态下的土层位移与地表沉降。经实践检验，所得结果对于工程的顺利开展具有指导意义，也可为同类工程所借鉴。
【关键词】盾构隧道;近接施工;数值模拟;相互影响
1、前言
盾构隧道的近接施工，由于涉及到施工时效问题，不仅仅要探讨相邻结构物间的静力作用，更应关注随着施工的开展而出现土体场应力平衡问题。对此国内目前尚没有明确的独立学科归属，一般将其归于地下工程施工力学的研究范畴[1]。盾构隧道的施工，多在软弱土层中开展。盾构机的掘进与开挖会对土体产生干扰，破坏土体的天然平衡状态。考虑到土体为非连续介质的特性，采用连续的力学观点难以精确计算土体的受力与位移[2]。随着数值计算技术的发展，数值计算被普遍应用于岩土工程的计算中，并且能够对施工过程进行模拟，具有较好的效果。
2、工程概况
广州地铁5号线区庄站~杨箕站盾构区间工程，包括区庄站～动物园站区间和动物园站~杨箕站两个盾构区间。盾构区间属珠江三角洲平原，沿线道路交通繁忙，为密集的建筑物、高架桥桩基区，地下管线密布。为确保工程本身及周边环境的安全，设计采用土压平衡盾构机进行施工。由区庄站出发，地铁隧道左右线并行，到动物园站左右线上下重叠，左线在上，右线在下；经过动物园站后，左右线又渐变为左右并行，直至杨箕站。其中，动物园站~杨箕站盾构区间包括直线段和2段半径为R200m(左线为R206m)和R300m(左线为R285m)的曲线。盾构隧道区间起止里程：Y(Z)DK12+811.839~YDK13+792.069 (ZDK13+793.027)。右线长度为980.230m，左线长度为981.188m，隧道全长1961.418米。动物园站左右线上下重叠，左线在上，右线在下，左右线轨面高差为8.4m，线间距从0m渐变为15m，相应的，区间隧道轨面高差从8.4m渐变为0m。左线隧道轨面高程-19.016~-6.020m，区间线路最大坡度为30‰，最小坡度2‰，最大坡长426m；右线隧道轨面高程-18.326~-14.162m，区间线路最大坡度为9‰，最小坡度为2‰，最大坡长440m。盾构隧道衬砌外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1200mm，厚度300mm，每环6片错缝拼装，衬砌环采用通用环的组合形式。盾构区间主要穿越红层中等风化带和红层微风化带，计算范围地层相关参数见表1。
3、有限元分析
结合广州地铁5号线隧道工程，采用MIDAS(GTS)有限元软件开展数值分析，对近接施工的三种形态，即水平、斜45°平行和重叠进行了有限元模拟。由于具体工程为左右线先后掘进，在重叠段建模过程中把左、右线分别定义为上线和下线(左线在上，右线在下)，3种模型均为右线先行。模型的边界条件严格按照隧道力学分析结果，其横向边界到隧道边界的距离约3~5倍洞径，垂直方向上，模型下边界到隧道底部边界的距离大于3倍洞径，向上取至地表[3]。模型除上表面外都是永久支撑，上表面为自由面。详细的建模情况如表3所示。
4、地表沉降分析
4.1 上下重叠段
取隧道30m处两隧道中间岩柱一点，得出该点在竖向、水平(两隧道中轴线为中心位置，向右为正)，如图2~3所示。
随着上线隧道的开挖，岩柱在竖直方向不断向上移动，同时所取点也沿隧道前进方向移动。当掌子面开挖过该点后，该点向上移动，同时沿隧道前进方向反向移动。这主要是由于上线隧道的开挖，造成下线隧道上部土体的损失，形成二次应力，下隧道侧应力大于隧道顶部应力，使下隧道顶部向上隆起，土体向上、向后移动，当隧道开挖过该点后，纵向位移急剧增加，最终趋于稳定。另外，随着上线隧道的开挖，该点在水平方向的位移增大(土体向右移动)，在5m范围内变化较快，当上线隧道开挖过该点后，位移减小(土体向左移动)，最终趋于稳定。
如图4，盾构施工完成后，地表沉降曲线图与Peck提出的盾构施工引起地面横向沉降槽公式计算出的结果基本一致，最大沉降量出现在盾构施工隧道的正上方，且隧道完工后地表沉降基本上是两次盾构施工引起的地表沉降之和。最大沉降值为5.3mm左右，完全满足城市地铁地表沉降范围之内。
下线隧道完工后纵向地表平均沉降为2.4mm，最大沉降3mm，当上线隧道完工后，纵向地表平均沉降4.6mm，最大沉降为5.3mm。
4.2 斜45°平行段
右线随到开挖完工后，右线隧道拱顶处土体下沉，仰拱处隆起，位移分别为7.026mm和10.744mm；左线隧道完工后，右线隧道拱顶处下沉有所减小，为6.067mm，仰拱处隆起值增大，为12.823mm。左线隧道开挖掌子面距离岩柱在-5~5m范围内时，岩柱竖向位移变化较快。由于盾构顶力的作用，随着左线线隧道的开挖，岩柱在水平方向的位移不断增大，同时该点也沿隧道前进方向移动，当掌子面经过该点后，其位移变化较快，造成该点向左移动，同时向隧道前进方向的反向移动。这主要是由于左线隧道的开挖，造成右线隧道左上部土体的损失，形成二次应力，上部土体又急需稳定，造成岩柱向左、向后移动。随着左线隧道的开挖，离左线隧道越近，位移变化越明显。
右线隧道施工完工后，最大地表沉降值出现在右线隧道正上方，最大值为3mm左右，左线隧道施工完工后，最大地表沉降向左线靠近，出现在两隧道中线处，最大值为5.8mm左右。
4.3 水平平行段
随着左线隧道的开挖，右线隧道拱脚处岩柱竖向位移和水平位移基本不变，左线隧道开挖距离岩柱-5m~5m范围时，右线隧道拱脚左4m处岩柱竖向位移和水平位移变化较快，最终趋于稳定，分别为1.3mm和0.25mm；纵向位移随着左线隧道的开挖先变大后变小，且右线隧道拱脚左4m处岩柱在左线掌子面距离在-5m~5m范围内变化较大，右线隧道拱脚处基本不变，这主要是由于盾构顶力的作用使岩柱向前移动，掌子面经过岩柱后，左线隧道的开挖造成土体损失，由于侧压力的作用，土体又向后移动，最终趋于稳定，为0.8mm。
右线隧道施工完工后，最大地表沉降值出现在右线隧道正上方，最大值为3mm左右，左线隧道施工完工后，最大地表沉降向左线靠近，出现在两隧道中线处，最大值为5.4mm左右。
5、结论
近距离交叠隧道施工会引起变化复杂的地层效应，相互影响显著。交叠隧道多作为城市轨道交通设施出现在人口稠密的城市，埋深一般在10m~20m，属浅理隧道，研究的首要问题便是如何正确理解和评估两隧道的相互作用。交叠隧道近接施工最值得关注的是两隧道中间的土体的变化。如果这部分土体能够得到有效控制，对于地面沉降量的总体控制也易得到保障。在交叠隧道的设计与施工中，可借助功能强大的数值分析软件对此问题进行仿真计算，所得结果可以指导设计与施工。
参考文献
[1] 易宏伟,孙钧.盾构施工对软粘土的扰动机理分析[J].同济大学学报,2000,28(3): 277-281.
[2] 于宁,朱合华.盾构施工仿真及其相邻影响的数值分析[J].岩土力学,2004,25(2): 292-296.
[3] 王敏强,陈胜宏.盾构推进隧道结构三维非线性有限元仿真[J].岩土力学与工程学报，2002,21(2):228-232.
科研项目：河北省教育厅资助科研项目：城市轨道交通近接施工相互作用研究
项目编号：Z2011210