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摘要：在地铁施工建设中，很多地铁在建造时都采用全部或者局部重叠隧道的施工方案。由于工程施工特点，在隧道施工中会造成地层变形和位移，严重威胁工程周围建筑物的安全。主要通过对案例工程的建设分析，结合数值模拟计算法分析小净距上下重叠隧道施工引起的地表沉降变形规律，并提出相应的施工保护措施。
关键词：盾构重叠隧道；地面变形；数值模拟；施工
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
在地铁施工建设中，由于各种原因以及限制条件，很多地铁在建造时都采用全部或者局部重叠隧道的施工方案。由于施工会导致地层发生移动，一旦地层产生的变形和位移过大，那么就会使地表工程附近的建筑物发生倾斜、沉降或者开裂，给施工周围的建筑物带来很大的安全隐患。因此为了保证工程附近的建筑物的安全性，必须要对控制重叠盾构隧道的施工建设的技术深入分析，保证隧道盾构的顺利进行。
隧道开挖对地层变形的影响研究
目前国内外在隧道开挖对地层变形的影响研究有很多，具有代表性的有peck经验公式以及数值计算法和工程类比法。数值计算分析法是以在线弹性体作为分析基础，具有代表性的有镜像法。镜像法是通过分析地面下一定深度处由于土体损失而造成不可压缩土体的应变场，分析出地面以下应力场和位移场。
数值模拟
建模简介。案例工程为某城市轨道2号线A站到B站盾构区间经过C路后左右两边线路上下逐渐重叠，在DK13+720~DK13+740下穿到某胸腔医院，并在DK14+270~DK14+300处下穿到C路立交。该盾构隧道周围建筑物较多，为了避免对周围建筑物造成危害，必须要得当处理。首先以该工程周围情况为依据，建立三维数值计算模型。分析对象选定为上下隧道完全重叠部分。竖向、横向各取五十米，大概是盾构隧道的直径的八倍；隧道外轮廓净距最小为十二米。管片采用壳单元，围岩采用实体单元，向其同时注浆，并同时二次注浆通过随开挖进尺缓慢改变围岩参数来实现。下表为该隧道所处围岩地层的参数。
表1 上下重叠隧道围岩物理力学参数
模拟施工。根据施工过程中土层受力情况以及工程的阶段性特点，可以将盾构施工分为四个阶段：开挖、管片拼装、注浆层凝固以及固结沉降。在开挖过程中，采用全断面开挖方式，开挖进尺的尺寸是1.5倍管片宽度。施工模拟图如下：
在开挖阶段的具体过程如下：一，开挖时采用大刚度临时壳单元承担地层竖向压力，盾壳承担盾构开挖管片拼装开始前的荷载。二，设F2为掌子面土层受到的推力，为了平衡掌子面上的土压，采用面荷载形式进行施压。三，设F1为盾构机环向土层施加侧向摩阻力。F1模拟盾构推进过程中土层受到的摩擦力。四，向掌子面施加的驱动机构扭矩为T1~T3，将其合理施加到掌子面上。五，释放掌子面上的荷载，释放率为百分子三十。
管片支护阶段：一，用有刚度支撑的shell替代临时shell单元；二，将盾壳以及掌子面上的荷载力删除。这个阶段完成以后进入注浆阶段，首先实施同步注浆模拟，将注浆压力施加到全部管片周边的土层上。接着实施注浆硬化过程模拟，取最小的注浆层的材料属性值，利用开挖过程不断推进，逐渐将其属性值增大。最后进入固结沉降模拟阶段。在该阶段首先先停止施压注浆，然后等待浆土层凝固，待其达到预定强度之后就可以将掌子面上的荷载全部释放。
模拟结果分析
（1）分析地表横向位移。在有房屋荷载的区域，地表沉降的程度最大。施工中，沉降主要分布区域在距离隧道大概15米的区域范围内，该区域比没有房屋荷载的区域地表沉降程度要严重，其沉降槽外部隆起，中间扩大。
该图是先上洞施工后给下洞施工时横向地表沉降的模拟示意图。从图中可以看到在对下洞施工时所，地表沉降值为总沉降值的百分之三十四，其他沉降量均是在进行洞上施工时引起的。而将施工顺序反过来后，上洞施工时地表沉降值则为总沉降值的百分之四十七，上洞为百分之五十三。最大沉降面出现在盾构通过其15米后，当盾构到达前，地表沉降值是不减小的，盾构达到后，地表沉降量开始不断变大，当盾构经过之后，可以看到沉降量有着显著的增加。下图是先下洞后上洞的施工示意图，从图中可以看出随着盾构距离隧道中心值不断改变，地表沉降量发生的变化。
分析地表纵向位移。对模拟纵向地表沉降曲线进行分析，可以得知，在有房屋荷载存在的情况下，地面隆起值几乎为零，这说明在这种情况下盾构隆起量基本不发生。而当盾构通过之后，地表就会出现较为明显的隆起。由此可以得出结论：在盾构到达前，到达时，以及通过后，这三个部分是形成地表沉降量的主要部分，沉降量值大约是总沉降量的百分之六十。从分析中能够得到，最大地表沉降量出现在盾构通过后，距离隧道二十米左右。
施工方案和施工保护措施
从数值模拟分析结果可以知道盾构重叠隧道地面变形规律：在施工过程中先下洞后上洞的施工顺序能够使隧道上浮，而先上洞后下洞的顺序则会使其发生沉降；随着盾构距离的不断变大，采用先下洞后上洞的方法能够使下隧道的上浮量不断缩小。所以为了控制地表总沉降量，应该采取的施工方案是先对下洞施工再对上洞施工，并且这种方案所产生的二次扰动也比较小。因此为了达到最小的地表沉降量需要采取先下洞后上洞进行施工的施工方案。
施工保护措施。由相关规定可以得知，在城市地铁隧道施工设计中，允许地面隆起值不超过10毫米，沉降值不超过30毫米，地面的附加倾斜不能大于三百分之一。结合国内外地铁隧道施工造成房屋破坏和地表变形的标准并根据在重叠地铁隧道施工区域内房屋的等级可以计算出房屋损坏等级的变形极限值，下表即为房屋沉降控制标准。
在实际施工过程中，对于单层排架和框架结构，应该采用与之相邻的柱基沉降差Δ进行控制。可采用局部倾斜控制砖混结构，而对于高层、多层建筑来说，一般可以使用倾斜值进行控制。
由计算模拟值结果可以得知，当建筑物相邻桩基中心距和基础埋深都是9米时，地面沉降计算差值最大为25毫米，而在重叠段的正上方，其房屋基础的最大沉降差25mm大于18mm（9*0.002）。因此这可以作为房屋的加固标准。为了加强加固保护措施，在隧道中心线向外12米的范围内，凡是有房屋基础的都要实施加固措施。经过对加固处理措施的模拟实验可以得到，当对建筑基底进行注浆加固处理后，能够有效抑制地表沉降量，并且实施二次注浆得到的加固效果以及控制隧道纵向地表沉降范围的效果更加明显。
结语
通过数值模拟实验的计算分析结果能够得到以下结论：
从对纵向隧道地表位移情况进行分析可以得知，盾构通过后会引起最大地面沉降值，通过后的距离是距离隧道大约二十米左右。
从对横向隧道地表位移情况进行分析可以得知，施工过程中，距离隧道大约15米的区域是主要地表沉降区。
盾构重叠隧道地面变形规律：在施工过程中先下洞后上洞的施工顺序能够使隧道上浮，而先上洞后下洞的顺序则会使其发生沉降；随着盾构距离的不断变大，采用先下洞后上洞的方法能夠使下隧道的上浮量不断缩小。采用先下洞后上洞的施工方法是最优方案。
对房屋基底进行两次注浆能够达到控制地表沉降的目的。
参考文献
[1]资利军,张晓光.地铁重叠盾构隧道施工过程变形分析[J].科技风，2011，23（4）：52，63.
[2]赵书银.重叠盾构隧道施工数值模拟与施工对策分析[J].建筑施工,2010，32（2）：114-115.
[3]赵巧兰,林巍.小净距、长距离重叠盾构隧道设计、施工技术[J].铁道标准设计，2009,35（10）：78-83.
关键词：盾构重叠隧道；地面变形；数值模拟；施工
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
在地铁施工建设中，由于各种原因以及限制条件，很多地铁在建造时都采用全部或者局部重叠隧道的施工方案。由于施工会导致地层发生移动，一旦地层产生的变形和位移过大，那么就会使地表工程附近的建筑物发生倾斜、沉降或者开裂，给施工周围的建筑物带来很大的安全隐患。因此为了保证工程附近的建筑物的安全性，必须要对控制重叠盾构隧道的施工建设的技术深入分析，保证隧道盾构的顺利进行。
隧道开挖对地层变形的影响研究
目前国内外在隧道开挖对地层变形的影响研究有很多，具有代表性的有peck经验公式以及数值计算法和工程类比法。数值计算分析法是以在线弹性体作为分析基础，具有代表性的有镜像法。镜像法是通过分析地面下一定深度处由于土体损失而造成不可压缩土体的应变场，分析出地面以下应力场和位移场。
数值模拟
建模简介。案例工程为某城市轨道2号线A站到B站盾构区间经过C路后左右两边线路上下逐渐重叠，在DK13+720~DK13+740下穿到某胸腔医院，并在DK14+270~DK14+300处下穿到C路立交。该盾构隧道周围建筑物较多，为了避免对周围建筑物造成危害，必须要得当处理。首先以该工程周围情况为依据，建立三维数值计算模型。分析对象选定为上下隧道完全重叠部分。竖向、横向各取五十米，大概是盾构隧道的直径的八倍；隧道外轮廓净距最小为十二米。管片采用壳单元，围岩采用实体单元，向其同时注浆，并同时二次注浆通过随开挖进尺缓慢改变围岩参数来实现。下表为该隧道所处围岩地层的参数。
表1 上下重叠隧道围岩物理力学参数
模拟施工。根据施工过程中土层受力情况以及工程的阶段性特点，可以将盾构施工分为四个阶段：开挖、管片拼装、注浆层凝固以及固结沉降。在开挖过程中，采用全断面开挖方式，开挖进尺的尺寸是1.5倍管片宽度。施工模拟图如下：
在开挖阶段的具体过程如下：一，开挖时采用大刚度临时壳单元承担地层竖向压力，盾壳承担盾构开挖管片拼装开始前的荷载。二，设F2为掌子面土层受到的推力，为了平衡掌子面上的土压，采用面荷载形式进行施压。三，设F1为盾构机环向土层施加侧向摩阻力。F1模拟盾构推进过程中土层受到的摩擦力。四，向掌子面施加的驱动机构扭矩为T1~T3，将其合理施加到掌子面上。五，释放掌子面上的荷载，释放率为百分子三十。
管片支护阶段：一，用有刚度支撑的shell替代临时shell单元；二，将盾壳以及掌子面上的荷载力删除。这个阶段完成以后进入注浆阶段，首先实施同步注浆模拟，将注浆压力施加到全部管片周边的土层上。接着实施注浆硬化过程模拟，取最小的注浆层的材料属性值，利用开挖过程不断推进，逐渐将其属性值增大。最后进入固结沉降模拟阶段。在该阶段首先先停止施压注浆，然后等待浆土层凝固，待其达到预定强度之后就可以将掌子面上的荷载全部释放。
模拟结果分析
（1）分析地表横向位移。在有房屋荷载的区域，地表沉降的程度最大。施工中，沉降主要分布区域在距离隧道大概15米的区域范围内，该区域比没有房屋荷载的区域地表沉降程度要严重，其沉降槽外部隆起，中间扩大。
该图是先上洞施工后给下洞施工时横向地表沉降的模拟示意图。从图中可以看到在对下洞施工时所，地表沉降值为总沉降值的百分之三十四，其他沉降量均是在进行洞上施工时引起的。而将施工顺序反过来后，上洞施工时地表沉降值则为总沉降值的百分之四十七，上洞为百分之五十三。最大沉降面出现在盾构通过其15米后，当盾构到达前，地表沉降值是不减小的，盾构达到后，地表沉降量开始不断变大，当盾构经过之后，可以看到沉降量有着显著的增加。下图是先下洞后上洞的施工示意图，从图中可以看出随着盾构距离隧道中心值不断改变，地表沉降量发生的变化。
分析地表纵向位移。对模拟纵向地表沉降曲线进行分析，可以得知，在有房屋荷载存在的情况下，地面隆起值几乎为零，这说明在这种情况下盾构隆起量基本不发生。而当盾构通过之后，地表就会出现较为明显的隆起。由此可以得出结论：在盾构到达前，到达时，以及通过后，这三个部分是形成地表沉降量的主要部分，沉降量值大约是总沉降量的百分之六十。从分析中能够得到，最大地表沉降量出现在盾构通过后，距离隧道二十米左右。
施工方案和施工保护措施
从数值模拟分析结果可以知道盾构重叠隧道地面变形规律：在施工过程中先下洞后上洞的施工顺序能够使隧道上浮，而先上洞后下洞的顺序则会使其发生沉降；随着盾构距离的不断变大，采用先下洞后上洞的方法能够使下隧道的上浮量不断缩小。所以为了控制地表总沉降量，应该采取的施工方案是先对下洞施工再对上洞施工，并且这种方案所产生的二次扰动也比较小。因此为了达到最小的地表沉降量需要采取先下洞后上洞进行施工的施工方案。
施工保护措施。由相关规定可以得知，在城市地铁隧道施工设计中，允许地面隆起值不超过10毫米，沉降值不超过30毫米，地面的附加倾斜不能大于三百分之一。结合国内外地铁隧道施工造成房屋破坏和地表变形的标准并根据在重叠地铁隧道施工区域内房屋的等级可以计算出房屋损坏等级的变形极限值，下表即为房屋沉降控制标准。
在实际施工过程中，对于单层排架和框架结构，应该采用与之相邻的柱基沉降差Δ进行控制。可采用局部倾斜控制砖混结构，而对于高层、多层建筑来说，一般可以使用倾斜值进行控制。
由计算模拟值结果可以得知，当建筑物相邻桩基中心距和基础埋深都是9米时，地面沉降计算差值最大为25毫米，而在重叠段的正上方，其房屋基础的最大沉降差25mm大于18mm（9*0.002）。因此这可以作为房屋的加固标准。为了加强加固保护措施，在隧道中心线向外12米的范围内，凡是有房屋基础的都要实施加固措施。经过对加固处理措施的模拟实验可以得到，当对建筑基底进行注浆加固处理后，能够有效抑制地表沉降量，并且实施二次注浆得到的加固效果以及控制隧道纵向地表沉降范围的效果更加明显。
结语
通过数值模拟实验的计算分析结果能够得到以下结论：
从对纵向隧道地表位移情况进行分析可以得知，盾构通过后会引起最大地面沉降值，通过后的距离是距离隧道大约二十米左右。
从对横向隧道地表位移情况进行分析可以得知，施工过程中，距离隧道大约15米的区域是主要地表沉降区。
盾构重叠隧道地面变形规律：在施工过程中先下洞后上洞的施工顺序能够使隧道上浮，而先上洞后下洞的顺序则会使其发生沉降；随着盾构距离的不断变大，采用先下洞后上洞的方法能夠使下隧道的上浮量不断缩小。采用先下洞后上洞的施工方法是最优方案。
对房屋基底进行两次注浆能够达到控制地表沉降的目的。
参考文献
[1]资利军,张晓光.地铁重叠盾构隧道施工过程变形分析[J].科技风，2011，23（4）：52，63.
[2]赵书银.重叠盾构隧道施工数值模拟与施工对策分析[J].建筑施工,2010，32（2）：114-115.
[3]赵巧兰,林巍.小净距、长距离重叠盾构隧道设计、施工技术[J].铁道标准设计，2009,35（10）：78-83.