深圳地铁重叠隧道结构受力及地表沉降分析
【摘要】本文通过深圳地铁重叠隧道施工数值模拟分析，探讨了重叠隧道结构受力和对地表沉降的控制．并在模型试验和现场量测中对数值分析的结果进行了验证。
【关键词】重叠隧道 数值分析 模型试验 现场量测
1 引言
深圳地铁一期工程国贸站—老街站区间隧道位于深圳市繁华的国贸、老街地区，地面道路纵横交错。由于受地铁车站站位及沿线建筑物基础的影响，区间右、左线路采用上、下重叠布置，隧道结构设计为独特的单洞双层重叠结构形式，采用浅埋暗挖法施工。
由于单洞双层结构施工引起的地层效应和结构的力学行为十分复杂，这对施工期间的结构安全和地表沉降控制会带来很大的困难。因此摘清其受力机理和对地表沉降的控制是十分必要的。本文通过数值分析、模型试验和现场量测三方面对其进行研究。
2 重叠隧道施工数值模拟分析
2.1数值分析方法
单洞双层重叠隧道施工模拟计算采用大型有限元软件ANSYS，隧道的开挖和衬砌的施作通过单元死活和改变材料参数的方法模拟，计算采用80mx 80m的范围，边界条件均采用位移边界条件，上边界取地面，为自由面，两侧面、底面均受法向约束。
对于重叠隧道的施工，按先施工上层后施工下层进行，具体步骤如下：①围岩自重应力场计算；②超前支护，开挖上台阶；③上台阶锚喷支护并施作临时仰拱；④下台阶进行超前支护并开挖；⑤下台阶锚喷支护并施作；6～9、开挖下层，同上2～5。
2．2 计算结果分析
2．2．1衬砌内力
上层结构见表1。
2．2．2地表沉降
通过计算，地表位移较小，最大值仅6．7mm，不会对地表产生大的破坏。计算结果见图1。
本文还对从下向上的工况进行了计算分析，先开挖下洞时，地表沉降量约为地表总沉降量的50％，但从下向上开挖地表总沉降量要大于从上向下开挖，因此单洞双层隧道施工中采用从上向下的开挖方法，对拱部进行预支护形成支撑拱，在其保护下进行下部开挖是比较科学、合理的。
图1 单洞双层隧道横截面施工地表沉陷量变化
3．1 平面模型试验简介
平面模型的几何相似比取为10。平面试验模型根据隧道断面尺寸及埋深，考虑边界效应，模型槽的尺寸为3．40m(宽)x 3．70m(高)x0．48m(厚)。
试验严格模拟施工过程，单洞双层结构的开挖采用正台阶施工法。
3．2 平面模型试验结果分析
3．2．1衬砌内力
衬砌弯矩和衬砌轴力的试验结果见图2、图3。图中模型弯矩单位为N·m，厉型弯矩单位为kN·m，
模型轴力单位为N，原型轴力单位为kN。
图2 弯距图 图3 轴力图
通过内力分析，可以看到：先上后下施工能较好地发挥拱部加固圈和上洞衬砌的作用，虽然使上洞衬砌内力的影响比先下后上施工要大，却能使上洞衬砌在软弱围岩中充分发挥作用，保护下洞的开挖。单洞双层结构先上后下施工时应加宽墙脚，防止出现过大拉力。
3．2．2地表沉降
地表沉降曲线如图4所示(图中括号内为原型值）。试验结果表明，单洞双层第一步开挖沉降占总
值绝大部分，后续开挖几乎没有叠加，效果十分明显。
4 现场量测分析
4.1围岩压力
图4 地表沉降曲线(单洞双层，先上后下）
围岩压力的变化规律比较明显。随着紧邻台阶的推进开挖围岩进一步扰动松弛，拱顶、拱脚两处围岩压力一直是增大的，但是增大速率较小，这与拱顶下沉的速率基本上同步。随着开挖面向前推进，该断面地表下沉及拱顶下沉、内空变位趋于收敛，围岩压力也趋于稳定，拱顶处围岩压力为0．13MPa，如果按浅埋隧道上覆土压力计算值为0．29MPa，这说明加固圈的“拱效应”是很明显的。拱脚处同岩压力为0．23MPa。变形稳定后整个断面各测点处的围岩压力大小及分布状况见图5，其值范围为0．15～0．23MPa，由此可见结构是具有一定安全度的。
4．2地表下沉
在施工各阶段的沉降量占总下沉的比例分别为：超前下沉量17％， 上台阶开挖34％，二台阶开挖29％，三台阶开挖13％，四台阶开挖7％。根据地表布置的13个测点的情况来看，隧道开挖在横断面地表沉降的影响范围距隧道中线约为1．5D左右。各台阶开挖时引起的横断方向沉降分布见图6。虽然实际量测的地表沉降值大于计算、试验及设计基准值(30mm)，但其上洞开挖引起沉降占大多而下洞叠加很小的规律与试验和计算一致，体现了先上后下的好处。
图6 横断面方向沉降分布
5 结论及建议
(1)对于重叠隧道通过数值模拟分析，优化了工序，建议采用先上后下工法以减小地表沉降；
(2)通过模型试验和现场量测对数值分析进行了验证，重叠隧道上洞开挖引起沉降占大多而下洞叠加很小的规律与数值计算一致，上洞衬砌的“护拱效应”明显，体现了先上后下的好处；
(3)在现场量测到的地表沉降值大于计算、试验值，这是因为降水、台阶、围岩及施工封闭时间等不同引起的。
参考文献
【1】 潘昌实. 隧道力学数值方法. 北京：中国铁道出版社，1995
