1、Parents generally value the first class, mainly to see whether the students can accept the tutor, so the first class is more important. It is best to understand the students learning situation first, to communicate well with their parents in advance, to make adequate preparations for the students st
2、udy habits, learning habits, good or bad learning, and what knowledge they have mastered, whether they are willing to study, whether they are willing to learn, or whether they are willing to study, and whether they are temperamental and so on. Only in this way can the target be targeted. If the foun
3、dation is relatively poor, it is necessary to review the old knowledge, accompanied by the corresponding exercises to make consolidation; learn better,上下重叠隧道设计施工技术研究报告上下重叠隧道设计施工技术研究报告铁道第三勘察设计院集团有限公司2011年7月 天津文件编制单位：铁道第三勘察设计院集团有限公司编 写：复 核：专 业 审 定：总 体 审 定：院 审 定：目录第1章 绪论51.1 研究背景51.2 国内外研究现状51.2.1 研究现状
4、51.2.2 目前研究不足101.3 研究内容111.3.1 研究内容111.3.2 研究方法111.3.3 预期研究成果及意义12第2章 盾构隧道施工理论分析142.1 单洞施工变形分析142.1.1 横向地表沉降142.1.2 纵向地表沉降152.2重叠隧道施工变形分析162.3 地层变形及结构内力主要影响因素17第3章 重叠盾构隧道施工数值模拟183.1 工程概况183.1.1 工程简介183.1.2 主要技术标准203.2 计算模型213.2.1 研究对象213.2.1 模型概述223.2.2 基本参数233.2.3 施工步骤243.3 建模结果24第4章 重叠隧道施工影响分析264.
5、1 计算工况264.2 模拟结果及分析264.2.1 施工顺序分析264.2.2 重叠隧道施工影响研究304.2.3 近距离下（侧）穿建筑（基础）39第5章 理论与实测对比分析(备)405.1 监测概况405.2 实测结果405.3 与数值模拟结果对比分析40第6章 重叠盾构隧道施工措施416.1 重叠盾构隧道施工措施416.1.1 加强管片结构416.1.2 管片间土体加固416.1.3 下洞临时内支撑426.1.4 施工要求426.1.5 实时监测436.2 其他43第7章 总结与展望447.1 研究总结447.2 进一步研究及展望44第1章 绪论1.1 研究背景随着国民经济的高速发展，我
6、国一些发达地区已经进入了大规模开发利用地下空间的时代，而地铁的建设将是我国21世纪城市地下空间开发的重点，我国已将未来城市交通轨道化发展列为今后3050年内的重点，计划将在多座城市建设地铁和轻轨等轨道交通系统，我国轨道交通事业已经进入了一个迅速发展的新时期。北京、天津、哈尔滨、沈阳、大连、西安、成都、武汉、长沙、重庆、南京、上海、深圳、广州、杭州等大城市，都在建设和规划地铁或轻轨项目。现代城市地面既建(构)筑物密集，大多数高层建筑采用桩基础，地下空间紧张，且对沉降、位移等变形控制要求极高，地铁区间隧道需要在狭窄的空间穿过。为尽量降低施工风险及桩基加固甚至托换工程费用，区间隧道上下重叠设置穿越桩
7、基方案受到越来越多的关注。此外，许多地块开发需要预留地铁通过条件，为减小预留条件对地块使用的影响，有时也按区间隧道上下重叠条件预留；对部分地铁车站，受交通、管线、既有建（构）筑物等客观因素影响，为降低工程风险、减少工程投资并减小环境影响，设置左右线站台上下重叠的侧式站台；对双线同台换乘时，亦采用上下重叠侧式站台方案，对于该类车站，端头区间隧道亦为局部上下重叠。与常规布线相比，重叠隧道所占用的地下空间小，穿越桩基数量少，选线自由度更大，影响范围减小，随着地铁建设进入高速发展阶段，采用上下重叠隧道的工程将越来越多。对于上下重叠隧道，随着双线净距越来越小，期间相互影响也越来越大，施工难度急剧增加。近
8、年来，学者在进行近接施工所带来的强度、变形等问题的研究上进行了一些有价值的工作，但仍然局限于个案，适用范围较小，缺乏统一的标准。因此，研究上下重叠隧道施工工况下结构、地层的变化及相互之间的影响，结合实际工程案例，分析经济有效施工方法与辅助手段，为今后地下空间的开发提供有力的技术支持。1.2 国内外研究现状1.2.1 研究现状1.2.1.1盾构法隧道发展用盾构法施工的构思是由法国工程师布鲁诺(Brunel)在船板上蛀虫钻孔的启示下于1818年提出的。1825年1843年布鲁诺首次在伦敦泰晤士河下采用高6.8m长11.4m的矩形断面盾构修建了全长458m的世界上第一条盾构法施工的隧道。1869年英
9、国人巴劳(Barlow)首次采用圆形盾构在泰晤士河底建成了外径为2.21m的隧道。英国人格雷特海德(Greathead)综合了以往盾构施工和气压法的技术特点，较完整地提出了气压盾构法的施工工艺，首创了在盾尾后的衬砌外围空隙中压浆的施工方法，为盾构施工法的发展起了重大推动作用，并于1874年在伦敦地下铁道南线的粘土和含水砂砾地层中成功的应用气压盾构法法建造了内径为3.12m的隧道。盾构施工法之所以能在各国迅速发展，主要在于它具有以下优点：1、可在盾构支护下安全地开挖并安装衬砌。2、掘进速度快。盾构的推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现机械化、自动化作业、施工劳动强度低。3、施工时不影响地面交通与设
10、施，穿越河道时不影响航运。4、施工过程不受季节，风雨等气候条件影响。5、施工中没有噪声和振动，对周围环境没有干扰。6、在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道具有技术与经济方面的优越性。因此，盾构施工法最适于在松软含水地层中修建隧道，在江河中修建水底隧道，在城市中修建地下铁道及各种市政设施。盾构施工法一般适宜于长隧道施工，研究资料显示，对短于750m的隧道采用盾构法施工是不经济的。因为盾构是一种价格昂贵，针对性很强的专用施工机械，对每一条用盾构法施工的隧道，都需根据地质水文条件、结构断面尺寸专门设计制造，一般不能简单的放到其他隧道工程中重复使用。此外，对隧道曲线半径过小或隧道顶覆土太浅时，施工困难
11、会较大。对水底隧道，覆土太浅时施工不够安全。当盾构施工法采用全气压方法以疏干和稳定地层时，施工条件差，对劳动保护要求较高。用盾构法施工时，在隧道上方一定范围内，特别是饱和含水松软土层，地表沉陷尚难完全防止，拼装衬砌时对衬砌整体防水技术要求很高。作为一项技术的推广，盾构工法无疑也遵循：适用、安全、经济、环保条件制约的规律。就目前我国城市轨道建设中盾构工法积累的经验证明：1、与其它地铁区间施工工法（明挖、矿山）相比，安全是盾构工法最明显的优势；2、盾构工法在城市轨道建设中的经济指标与明挖法、矿山法已相当接近，并且随着城市环境要求的提高，优势更加明显；3、盾构工法在地下水环境保护、地面沉降控制方面具
12、有非常突出的表现；逐渐形成了一种共识：只要地面能够提供盾构始发与接收的条件，都应优先采用盾构法。在区间施工降水困难、地面沉降控制要求严格的地方，盾构工法将是城轨线路区间建设的唯一方法。盾构技术的发展，大大的扩展了盾构工法在工程实践中的应用范围，同时，随着技术的进步，盾构工法逐渐与传统矿山法的工程成本达到同一水平，使盾构工法的前景更加宽广美好。随着世界经济的迅猛发展，城市建设的速度明显加快，作为代表城市发展文明程度的地下轨道交通系统逐渐兴起，作为一种环保、经济、快速的地下空间施工技术，盾构工法已在城市地铁区间施工中占据了主导位置。到目前为止我国在深圳、广州、上海、北京、天津、南京、沈阳、大连、哈
13、尔滨等地城市轨道交通工程以及国内长大山岭隧道中盾构机已得到较为普片的使用。1.2.1.2国内外工程实例目前，国内外地铁隧道近接施工实例很多。与平行隧道和穿越隧道相比，交叠隧道工程实例比较少。以下为国内外一些交叠隧道工程的实例及其特点：1、上海市轨道交通明珠线二期工程浦东南路站一南浦大桥站区间的双线盾构隧道采用上下近距离交叠掘进的空间结构型式：该区间内由于在沿隧道走向的平面内要避开内环线中山南路高架的桩基，需在该车站东西出口的区间段内先呈上下近距离交叠状布设上、下行线隧道，而在其它相邻两车站的区间段内上、下行线隧道又再转换为正常的左右平行布设；因而，在该两个区间隧道内分别有基本段、过渡段、分叉段
14、和平行段。这种因线路规划走向需要而采用的隧道布设型式，其线形复杂呈卷麻花状，在国内外均尚未出现。在交叠隧道的基本段内，上、下行线完全上下重叠，区间隧道的业垂直净间距仅为1.987m。2、深圳地铁一期工程老街至大剧院区间隧道采用左右线上下重叠的空间结构形式(矿山法施工)：深圳地铁一期工程老街至大剧院区间，由于受沿线建(构)筑物的限制，两条区间隧道采取上下重叠、交错布置的形式。两条区间隧道从上下重叠逐渐过渡到水平并行，采用矿山法施工修建双洞重叠交错的结构型式，线形和结构受力均十分复杂，隧道近接施工的影响十分明显。3、深圳地铁三期工程老街站至晒布站区间隧道采用左右线上下重叠的空间结构形式（盾构法施工
15、）：深圳地铁三期工程由于受老街站（车站采用上下重叠的侧式站台形式）控制，左右线隧道（左线在上。右线在下）最小净距为1.6米，从老街站以上下重叠的形式出发，逐渐过渡到水平并行，区间上下重叠及过渡段长度为740延米，其中最小间距为1.6米的小净距重叠区间长度约为264米。4、日本的京都市地铁东西线2线醒酮至二条区间和京阪电铁京津线2线山科至京阪三条区间的空间结构工程：其中连接城市中心部和东部地区醒酮至二条是新建区间隧道，而山科至京阪三条之间的京阪电铁京津线正在运营中。因地铁东西线开业后，京津线车辆可驶向东西线以西，因此，在御陵东工区就形成了四条线的区间。由于在御陵东工区路线的道路宽度较窄、并因路面
16、占用造成对路面交通的影响和施工用地的困难等，地铁东西线2线和京阪电铁京津线2线都采用了盾构施工法，在日本国内成为首例4座单线盾构隧道并设的空间结构工程。1.2.1.3地铁近距离重叠隧道研究现状1.2.1.3.1 数值解析研究在日本Misasagi东地铁方案中，LYamaguchi， LYamazaki和Y.Kiritani(1998)通过模拟施工工序，对典型断面进行了二维弹性有限元反演分析。根据施工过程中的地表变形，通过应力释放系数和土性参数成功地描述了地表的“回弹”及沉降行为，同时还模拟了盾构推进过程中的土压力变化和由于后洞开挖而作用于先挖隧洞的荷载大小。西南交通大学地下工程与岩土工程系(1
17、993)对矿山法施工的深圳地铁一期工程老街一大剧院区间双孔交叠隧道进行了数值模拟分析。其首先进行平面FLAC程序计算，并以此得出的结论为指导，利用大型通用有限元软件ANSYS进行了三维施工动态模拟，得到了在上洞隧道先行完成情况下，其结构内力、应力、位移和围岩应力、地表沉降受下洞隧道开挖影响范围、最大值和变化过程；还对各指标与围岩类别、两洞净距及相互位置的关系进行了考察，得出了对多孔，特别是双孔重叠隧道近距离隧道具有普遍意义的结论。Addenbrooke和Pons (2001)采用平面应变，结合固结的非线性有限元方法，对双隧道施工的相互作用进行了模拟。采用水平平行和垂直平行两种计算模型，分析了隧
18、道间距和建设时间的改变对地面变形的一个影响。研究结果显示，平行和重叠隧道所造成的影响不是单条隧道影响的简单叠加。隧道相对位置和间距对后建隧道引起的地面沉降曲线形状有较大影响，先建隧道的建设时间长短影响较小。当两隧道轴线距离较近时，后建隧道引起的地面沉降曲线是不对称的。上海市轨道交通4号线浦东南路站至南浦大桥站区间盾构隧道长距离叠交施工是近年来研究的热点。孙钧教授所在的同济大学学科组近年来进行了上海市明珠线二期工程上下近距离交叠隧道设计施工技术的研究，其各子项涵盖了交叠隧道的施工过程模拟、列车动载下的结构及土体动力响应分析、施工过程变形的智能预测与控制，以及多媒体视频监控与仿真模拟和施工动态三维
19、可视化研究等，其部分成果可归述如下：孙钧、刘洪洲（2001)等利用ANSYS软件建立三维弹塑性有限元模型，分析了交叠隧道土层位移及地表沉降曲面在盾构推进中的发展变化。刘洪洲(2001)应用3D-软件，对上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠隧道进行了施工引起地面沉降的三维数值模拟研究。其基于“先下后上”的盾构推进过程，采用弹塑性有限元方法，成功模拟了交叠隧道地层位移、地表沉降曲面在盾构推进期间的变化关系，得出了地面最大沉降量在上行隧道开始推进后出现大幅度增长，且在推行前期沉降增幅最为显著的结论。并给出了隧道周围土体塑性区的大小与分布，论证了要将地面沉降控制在允范围内，必须在上、下行隧
20、道施工中进行预注浆加固，以重点控制盾构推进前期的地层沉降量。徐林生(2001)将FLAC-3D软件首次应用于上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠典型地段施工地层变形及其控制对策的二维数值模拟研究中。其研究采用弹塑性土体模型，分别进行了不加固土体与加固土体情况下地面隆起与沉降的数值模拟和加固圈内土体物理力学参数的敏感性分析。得出的结论是：未加固方案下，上、下近距离交叠隧道典型地段盾构施工最终会引起周边土体和地面的过度沉降和位移变形，土体塑性区范围也很大，从而可能危及施工和周围重要建筑物的安全；在加固方案下，盾构施工最终地面隆起、沉降变形总体上可以控制在正常施工允许范围内。张璞(200
21、1)在国内首次进行了现场轨道振动加速度的测试与数定研究，使用世界知名软件ANSYS对上海市明珠线二期地铁区间盾构隧道上、下近距离交叠隧道进行列车振动荷载作用下的二维弹塑性及三维弹塑性动力响应分析。基于徐林生及刘洪洲的施工模拟得出的土体加固方案，分别得出了上行动载、下行动载及上下交汇动载三种情况下的隧道结构的动力响应。其二维弹塑性分析得出的结论是：隧道结构在列车动载作用下引起的最大内力增量分别为5.4%(弯矩)、1.7%(轴力)和7.4%(剪力)；三维弹性分析给出的最大应力增量为13%。沈培良等(2003)采用三维非线性有限元对相邻长距离叠交隧道盾构施工的整个过程进行了模拟，研究了叠交隧道共同影
22、响下的地面沉降规律及长距离叠交情况下后建盾构隧道施工引起先建隧道的位移情况。研究结构表明，叠交隧道共同影响下的地面沉降及后建盾构施工引起先建隧道衬砌的位移和变形对隧道间的相对位移密切相关。张海波等(2005)上海轨道交通明珠线二期工程浦东南路近距离叠隧道盾构施工为研究对象，采用三维非线性有限元，对近距离叠交下后建隧道盾构施工引起老衬砌的应力和变形进行模拟，并研究了土层性质、隧道覆上厚度，隧道间相对位置、隧道间相对距离等因素。结果表明，隧道间相对距离对隧道间相互作用的影响非常大，应引起足够的重视。1.2.1.3.2实测数据分析研究Peck等(1969)研究了不同直径隧道在近距离平行、相交、重叠位
23、置的相互影响问题。指出当隧道间距大于2倍隧道直径，可以忽略相互影响的作用。但是，他们的研究没有考虑土体和衬砌刚度的变化，仅仅对几何因素进行了讨论。K. W. Log等在1986年做了多条隧道相互影响的现场量测。在新加坡高速公共交通系统中，对处于回填土、海相粘土硬冲积层的四孔平行隧道，利用测斜仪、孔隙水压计、竖管、应力计及应变仪等测量了土体水平位移、土体竖直沉降量、地表沉降量、孔隙水压力、振动、衬砌应力等多项参数。根据量测结果，对地层侧向位移、竖向位移及衬砌弯矩和轴向力等作重点分析，研究多孔隧道相互影响，得出了当另外三条隧道己开挖完成、第四条隧道正在开挖时的内力和两条基本上处于同一水平面的平行隧
24、道断面沉降图。L. Yamaguchi， LYamazak等(1998)通过对现场实测数据，从多个角度分析了日本京都四条盾构近距离掘进施工相互影响以及与周围地层的共同作用效应，讨论了隧道间相互“刺入”等不同工况所引起的隧道结构内力、地表位移以及土中应力等等的变化。文章指出，对类似工程在设计规划阶段，后建隧道施工所引起的对周围隧道、建筑物的影响必须进行量化，并以此作为工程可行性分析的基础。在施工阶段，必须要有一个指导盾构掘进施工的方案、并强调了监测数据采集的重要性。1.2.1.3.3模型试验研究Kim等(1996)分别模拟了近间距平行隧道及上下重叠的隧道的施工，并设计了一种专门的模型盾构机和装配
25、了应变计、压力计和孔隙水压力计的隧道衬砌，研究了在不同的W/D ( W是隧道间距，D是隧道直径)、衬砌性质和超固结比下隧道衬砌的位移、应力、应变以及超孔隙水压力的变化规律。结果表明，紧邻平行隧道和上下重叠隧道的相互影响的机理是不同的，受隧道几何参数、土体和衬砌的性质、隧道修建方法控制。深圳地铁一期工程老街一大剧院区间隧道采用了双孔重叠的结构布置形式，采用矿山法施工。西南交通大学地下工程与岩土工程系(1999)首先进行平面计算分析和平面模型试验研究，得出了先开挖上部隧道再开挖下部隧道的施工方案优于先开挖下部隧道后开挖上部隧道的施工方案，然后在上洞开挖及二次衬砌全部完成情况下，进行开挖下洞对上洞衬
26、砌及地表沉降影响工况的模拟试验。该工程的空间模型试验所取几何模型的形似比为1：30，其测试内容主要包括衬砌内力和地表沉降。衬砌内力和地表沉降包括的是环向及径向两个方面的。试验结果与数值模拟的结果一致，说明了试验研究的可行性。1.2.2 目前研究不足不同形式的近距离工程施工会有不同的动态力学特征。隧道交叉重叠时，如果新建隧道在既有隧道上方，既有隧道会向上拉伸变形并且发生一定的位移；如果二者非常接近，就有可能会损伤既有隧道的拱作用，使既有隧道的衬砌荷载增大。如果新建隧道在既有隧道的下方，既有隧道会产生下沉，如果非常接近，有可能发生超过高度管理基准的轨道变异。尽管目前国内外的学者都对上下重叠隧道进行
27、了研究，但是仍存在一定的不足。由于上下重叠隧道除了深圳和上海地铁中有部分应用外，在国内工程中应用很少，无论设计方案还是施工工艺，都还处于探索阶段，基本上仍停留在理论计算和数值分析阶段，也没有系统的对监测数据进行分析研究，没有形成成熟的理论，因此，有必要进行更深入的研究。1.3 研究内容1.3.1 研究内容1.3.1.1施工工序数值分析对于上下重叠盾构区间隧道，其施工顺序有先下后上和先上后下两种。研究基于实际工程背景，建立上下重叠隧道计算模型进行模拟计算，对于两种施工顺序工况下的地层应力、地层位移、地表沉降、地层塑性区和结构内力值等多方面影响作对比分析，以确定合理的施工顺序，从而指导工程施工。1
28、.3.1.2变形控制及内力影响分析根据建议的施工顺序，研究后建隧道对邻近既有隧道结构、地层的影响，通过计算双线隧道不同的相对水平、竖直位置关系条件下，后建隧道施工过程中，地层沉降、隆起影响范围、土体扰动程度、盾构管片附加内力等方面的变化规律，为施工过程中采取安全措施及辅助方案提供设计依据。1.3.1.3重叠隧道施工方案研究根据模型计算结果，给出上下重叠隧道施工过程中，结构自身、地层改良、盾构推进参数控制及其他安全措施，以保证施工过程中的安全，并减少施工对周围重要管线、基础及建筑物的影响。1.3.1.4施工监控量测在施工过程中，结合盾构的施工工艺，对施工时的土体及结构进行内力、变形监测，形成系统
29、的监测成果，用于调整和指导数值分析中参数和施工方案的选取，从而形成一套完整的理论结合实践体系，更好的使数值分析结果贴近施工，从而指导施工。1.3.2 研究方法在研究的过程中，要多种方法和手段综合应用，相互印证，优势互补，使研究成果趋于合理和工程实际，并通过工程予以验证。主要的方法和手段为（1）相关文献和工程现场调研参阅国内外相关文献和研究动态，便于把握本课题的研究方向、内容和深度等。通过工程现场调研，使科研工作紧密联系工程实际，科研工作以现场实际情况为基础，施工现场以科研工作为导向和参考。（2）理论分析为了使研究成果系统化、条理化，也为了使研究成果既有工程实践意义又有一定的理论意义和学术价值，
30、在研究的过程中，需要密切联系相关的分析理论；为了使研究成果具有一定的普遍指导意义，需要在研究个案的基础上进行归纳总结和深入分析。（3）有限元数值模拟分析在研究过程中，采用大型有限元软件进行相关的数值模拟分析工作，结合Matlab等数学分析工具，对计算结果进行统计、整理，给出合理有效的分析成果。（4）现场监测为了使研究成果更好地为设计，在研究的过程中需要与现场测试数据密切配合，通过现场测试数据，为计算模型及参数的确定提供依据。1.3.3 预期研究成果及意义伴随城市地下空间的不断开发，浅层的地下空间也将会日渐减少，城市地下公路隧道、地铁的修建过程中这种近距离相邻隧道乃至超近距离相邻隧道的问题也会越
31、来越多，这也使得隧道在修建过程中的相互影响的问题也越来越突出。而在今后的地铁修建工程中，采用盾构法也是一种必然的趋势，因此如何控制新建隧道在盾构推进过程中对已形成隧道的影响，以确保己建盾构隧道的正常结构形态和新建隧道盾构的顺利推进，对于地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的指导作用。上下重叠隧道的应用和研究在国内仍处于初期阶段，尽管也有学者进行了计算分析，也得出了一些结论，但也只是停留在理论层面上。本研究通过分析近距离重叠盾构隧道施工的影响，达到总结经验、指导后续类似工程的设计，对于充分开发利用城市地下空间具有重要意义。因而这是一项非常必要和紧迫的课题，同时这也必将会在工程实践中创造巨
32、大的社会效益和经济效益。本文将通过理论分析及数值模拟等方法，以期获得以下研究成果：1、建立上下重叠隧道三维模拟模型，通过对先施工上隧道还是先施工下隧道的比选，得出隧道施工顺序的建议方案。2、根据数值分析所得出的施工方案，分析后建盾构隧道施工对已建隧道结构及周围地层的影响，并半定量地给出影响范围及大小。3、根据计算结果，给出上下重叠隧道施工过程中采取的安全措施，并用于指导施工。4、通过现场实测数据与模拟结果对比分析，进一步验证并改进模型参数及计算结果，从而调整施工措施，为今后类似工程的实施提供强有力的理论支持和工程经验。本科研课题通过对天津软土地区的上下重叠隧道进行从数值分析到施工工艺的详细研究
33、，从而得出一系列的结论，为以后的上下重叠盾构法施工隧道提供理论指导和施工经验积累，为这种工艺的广泛推广和使用提供技术平台。第2章 盾构隧道施工理论分析2.1 单洞施工变形分析盾构施工引起地面沉降，在开挖断面上方形成一定宽度的沉降槽，对地面变形影响范围内的建（构）筑物或邻近基础造成不同程度的影响，影响程度随着变形的大小及范围而异。2.1.1 横向地表沉降盾构隧道施工引起的底层变形，Peck (1969)通过对大量隧道施工引起的地面沉降实测数据的分析，提出隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水条件下发生的，沉降槽体积应该等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布用正态分布曲线来描述，见式（2-1）、（2-
34、2）。 （2-1） （2-2）其中：S(x)与隧道中线距离为x处的地面沉降量；Smax横向地面最大沉降量；x计算点与隧道中线的距离；i沉降槽的宽度系数，即沉降曲线反弯点横坐标。Vs盾构隧道单位长度地层损失(m3/m)。Peck公式有两个参数Vs和i，这两个参数确定后横断面沉降便可以直接获取。地层损失Vs通常可表示为式（2-3）。 （2-3）式中：Vl地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比；R0盾构机的外径(m)；Vl的取值与地质条件及施工条件密切相关，已有研究建议粘性土中的土压平衡盾构隧道，Vl的取值范围一般在0.5%2.0%之间。地面沉降槽宽度B2.5i，i可由公式(2
35、-4)或查Peck图表得到。 （2-4）式中：隧道周围地层内摩擦角；Z隧道埋深，即地表到隧道中心的距离。图2.1 盾构隧道施工地面横向沉降槽对于Peck公式，有如下特点：1、 沉降曲线反弯点处的地面沉降值等于隧道中心线上方地面最大沉降的60%，即Peck公式中，将x=i代入得反弯点处的沉降量；2、 地面最大沉降坡度与隧道中心线上方最大地面沉降Smax成正比，即对Peck公式求导，可得最大曲率半径点的沉降量；3、 对沉降曲线进行积分，得沉陷断面面积。2.1.2 纵向地表沉降盾构推进过程引起纵向地表纵向变形规律如下图所示。图2.2 盾构隧道施工地面纵向沉降槽1、先行沉降：随着盾构的推进，由于地下水
36、水位降低等因素，导致开挖面前312m左右的地层产生压缩、固结沉降。2、开挖面前沉降或隆起：由于开挖面受盾构推力、出土速度的影响，导致开挖面前一定范围内土体产生沉降或者隆起。一般情况下，盾构出土速度过快、开挖面崩塌导致土体应力释放使得开挖面前土体产生沉降；反之，盾构出土较慢，盾构机推力过大导致土压力失衡，导致土体产生一定程度上的隆起变形。3、盾尾沉降：盾构机所在位置土层，内侧为钢环支撑，结合同步注浆，由于注浆层需要一定时间才能达到设计强度，且土体受盾构机扰动，产生一定程度的沉降。4、盾尾空隙沉降：盾构机尾部通过后，盾尾空隙土体应力释放引起弹塑性变形，导致土体产生不同程度的沉降变形。5、后续沉降：
37、由于掘进时地基土的扰动，盾构区间建成后，土体产生固结、蠕变残余变形沉降，该阶段沉降值主要由地层土体自身性质决定。2.2重叠隧道施工变形分析由于先行隧道对后行隧道地层产生扰动，从而引起后行隧道地层强度的弱化，且施工过程中当双线隧道近接时，其相互影响作用较大，给工程施工带来极大的风险。采用先下后上的施工顺序，上部隧道开挖时，引起土体回弹效应，大大减缓土体的沉降趋势；反之，采用先上后下的施工顺序，下部隧道开挖时加剧了整个土体的沉降趋势。对于隧道衬砌内力，受后建隧道的影响，先建隧道衬砌变形由横向扁平的鸭蛋形向竖向扁平的鸭蛋形变化，具体影响程度依双线隧道相对位置关系而异。2.3 地层变形及结构内力主要影
38、响因素已有研究认为，盾构法隧道施工引起地表变形的影响因素主要有以下几点：1、土仓压力。盾构隧道掘进过程中，开挖面很难达到理想的土压平衡状态， 当开挖面的支护压力小于原始侧向应力时，开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地层沉降；反之，当开挖面的支护压力大于原始侧向应力时，则正面土体向前移动，引起负地层损失而导致盾构上方土体隆起。2、同步注浆。由于盾构钢环的外径较大，且刀盘存在一定的超挖，在管棚脱离盾尾时，隧道开挖壁面与管片间形成空隙，需要进行同步注浆。若注浆未及时跟上或注浆效果差未能按期达到设计强度，土体将向管片产生位移，从而引起地面沉降；相反，注浆量过大时甚至可能导致地层少量隆起
39、变形。3、盾构出土量。若出土量大于实际开挖量(乘以松散系数后)，或出土成分具有非盾构机所在土层的特性时，则很可能引起地表大的沉陷；反之，出土量小于实际开挖量，则可能使开挖面前方地表出现隆起。4、土体与管片的相互作用。在周围土压力作用下，盾构管片产生变形，同时衬砌对周围地层也产生反向抗力，地层变形是土体与衬砌的相互作用的综合表现。5、盾构机控制。盾构掘进时都不同程度对土层产生挤压扰动和剪切摩擦。另外，盾构掘进遇到弯道以及进行水平或垂直纠偏时，也会使周围的土体受到挤压扰动，从而引起地表变形，其变形大小与地层的土质及隧道的埋深有关。6、土体固结与次固结。扰动土因超静孔隙水压力的消散而产生的地面沉降为
40、主固结沉降；之后，土体骨架发生持续长时间的压缩变形，在土体蠕变过程中产生的地面沉降为次固结沉降。在灵敏度和孔隙比较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量比例可高达35%以上。另外，注入盾尾孔隙的浆体也会产生固结沉降。综上所述，盾构施工过程中影响地层位移及结构内力的因素很多，主要取决于地层性质、地下水条件、隧道直径、埋深、掘进参数及施工条件等。该影响为各因素综合作用结果，在研究盾构施工对周围环境影响时，只有比较全面的考虑各主要因素的影响才能得到合理的分析结果。第3章 重叠盾构隧道施工数值模拟3.1 工程概况3.1.1 工程简介天津市是我国的四大直辖市之一，是我国北方
41、最大的沿海开放城市，技术先进的综合工业基地，是环渤海地区的经济中心，要努力建设成为国际港口城市、我国北方的经济中心和生态城市。天津建设规划中的5号线为中心城区东南半环的外部填充线，正线全长33.830km，其中地下线32.769 km，地面线0.801km，过渡段0.260km，共设30座车站，其中地下站29座，地面站1座。线路起自北辰区外环线以北的永定新河北岸，设双街停车场及起点站双街站。线路下穿外环线后沿规划淮东路、均富道过新开河，沿群芳路、靖江路、东风立交桥至海河，绕奉化桥一侧过海河至奉化道、广东路，穿越天津乐园，沿宾水道过卫津河、卫津南路至体育中心，然后沿凌宾路向南过红旗南路（中环线）
42、、四化河，穿过遥环路立交、丰产河、外环线至梨园头车辆段。沿线经过北辰、河北、河东、河西、南开、西青六个行政区，连接了铁东工业区、铁东居住区、宜兴埠居住区、建昌道居住区、真理道居住区、向阳楼居住区、大直沽居住区、人民公园、天津乐园、银河广场、国展中心、宾水道及体北居住区、天津奥体中心、李七庄等客流集散点。其中的靖江路站程林庄道站津塘路站大直沽西路站段区间沿靖江路、向阳三号路、红星路、大直沽西路敷设，与新建的快速路东风立交桥（跨中环线及京山铁路主桥）平行布置，东风立交桥墩台及桩基密布，道路两侧建筑物密集，线路平面设计较为困难，经研究该段线路采用上下重叠方案。靖江路站程林庄道站区间自靖江路站出发，经
43、过540米的基本段，645米过渡段后完全上下重叠，重叠89米后进入程林庄道站（重叠段，基本段，过渡段如图1所示），程林庄道站的站端上下区间结构净距仅为2m。该段重叠区间结构外缘距东风桥的最近距离仅为6.4m（约1D），沿线经过雨花居、滇池里、102中学、晨光楼、向阳花园、彩阳里、天津药业集团有限公司等建筑物，地下管网较为密集。自程林庄道站站端出发，左右线上下重叠设置，结构净距由2m逐渐拉开，上下区间净距达到6.2m，沿东风桥、红星路到达津塘路站，上下重叠区间长1350.742米，区间近距离侧穿东风桥，区间结构外缘距东风桥桩基础的距离为2.1m24m（除两处下穿需进行桩基托换），沿线经静墅里、钟
44、山医院、东安里、懿德园、市园林执法监督支队河东区支队、汇贤南里、红星路农贸市场、市政技工学校、市河东区建筑工程公司、城东供电公司、大直沽变电站等建筑物侧面下穿，并下穿京山线铁路六条股道（覆土约8.8m）、在建的津秦客运专线和城际延伸铁路。自津塘路站出发，上下重叠（结构净距2m）进入区间，经284m重叠段，385m过渡段及51m基本段，双线平行进入大直沽西路站。该段区间双线垂直净距最大仅3.5m，穿越东风桥引桥桩基础，距盾构隧道外缘4.710.8m，沿线经过河东区体育场、荣兴温泉公寓、怡安温泉花园和福泽温泉公寓等建筑物。地下管网较为密集。重叠段 过渡段 基本段图3.1 重叠段、过渡段、基本段图示
45、其中程林庄道站津塘路站段，上下重叠长度达1350米，为国内首例。在天津这种地下水丰沛的软土地层中，施做长距离的上下重叠隧道，施工存在很大风险。因此，如何在实施过程中既能满足轨道交通的功能要求，又能满足路面交通要求、保证相邻建筑物及东风立交桥的安全是本段工程设计过程中必须考虑的因素。基于上述原因考虑，施工方法选择采用盾构法施工。盾构机是一种切削、搅拌、螺旋输送出土的掘进设备，地层土质及地下水情况是盾构机选型至关重要的因素。同时对盾构机的掘进过程也有相当大的影响，对于不同的地质条件，掘进时保证地层的稳定性而采取相应的措施。盾构工法作为城市地铁项目的主要建设手段，在区间土建工程建设中所发挥的作用越来
46、越明显。但是，由于受地质、设备及施工工艺限制，盾构法施工的隧道多为相互平行的两条线路，而在天津这种地下水丰沛的软土地层中盾构法施工长达1350米长的上下重叠隧道，目前国内还没有先例，没有经验可以借鉴，因此，有必要对上下重叠盾构区间的设计及施工进行深入研究。以下研究将以盾构法施工的上下重叠隧道为主要研究对象，同过系统的三维模拟及对施工时监控量测成果的研究分析，得出实用性的结论，为以后类似工程普及性及实用性提供有力的技术支持。3.1.2 主要技术标准盾构管片设计采用净空5500mm、管片厚度350mm、环宽1.5m。衬砌环全环由小封顶F、两块邻接块L和三块标准块B构成，拼装方式采用错缝拼装。为适应
47、圆曲线段、缓和曲线段、施工纠偏等需要，采用直线环、左转弯楔形环和右转弯楔形环三种形式，对不同的缓和曲线、圆曲线段均以经计算优选的最佳衬砌布置方案拟合（一般拟合误差10mm，局部20mm）。环向和纵向连接螺栓均采用弯螺栓。在联络通道、泵房处，采用可从隧道内拆卸的局部钢管片。管片采用C50钢筋混凝土，抗渗等级P10；钢筋采用HRB335热轧钢筋、HPB235热轧钢筋。盾构区间隧道主要设计标准：1）地下结构工程的安全等级为一级。2）区间隧道采用盾构法施工时地面沉降量一般宜控制在30mm以内，隆起量控制在10mm以内：当穿越主要建筑物或地下管线时，上述数值应按允许的条件确定，对于空旷地区可适当放宽。3）结构设计抗浮安全系数不得小于1.05。当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施。4）管片结构允许裂缝开展，但裂缝宽度0.2mm。5）管片衬砌结构变形验算：直径变形1D（D为隧道外径）。6）管片隧道结构防水标准：0.1升/平方米天。防水设计按要求为：在0.6MPa外水压力下，环缝张开8mm，纵缝张开6mm时不渗漏。7）
