地铁工程四线并行区间计算分析13页.docx
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地铁工程四线并行区间计算分析13页
地铁工程四线并行区间
计算分析
地铁设计院
工程设计证书：
二〇一三年六月
天津地铁5、6号线工程
环湖西路站～宾馆西路站4线并行区间
计算分析
计算：
校核：
审核：
审定：
广州地铁设计研究院有限公司
工程设计证书：
甲级编号：
A144016445
二〇一二年四月
目录
1工程概况4
2有限元模型5
3施工顺序分析6
4盾构净距的影响9
5加固措施的影响9
6叠线段隧道内力10
7结论13
8参考文献（References）13
1工程概况
随着我国地铁建设的快速发展，地铁上下重叠隧道也越来越常见。
天津地铁工程为实现5、6号线的环湖西路站、宾馆西路站同台换乘，换乘车站均采用左右线站台上下重叠的岛式站台方案。
环湖西路站~、宾馆西路站两个换乘车站之间将建成4条盾构隧道：
其中6线盾构隧道在整个区间均为上下重叠方式，5号线盾构隧道在车站两端局部重叠（如图4所示）。
6号线环湖西路站～宾馆西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1099m。
区间与5号线设置水平联络通道。
区间隧道西起环湖西路站，沿宾水道向东敷设。
下穿卫津南路、环湖西路、环湖中路，到达宾馆西路站。
本区间左右线平面完全重叠，其中左线在下，右线在上。
5号线宾馆西路站～环湖西路站区间为盾构区间，单线隧道总长右线1149m。
与6号线互设水平联络通道，均采用冻结法施工。
区间隧道东起宾馆西路站，沿宾水道向西敷设。
下穿卫津南路、环湖西路、环湖中路，途经市肿瘤医院、市热力公司、市教育招生考试中心等建筑物，到达环湖西路站。
出宾馆西路站时，左右线为上下叠线（右线在上，左线在下），随后右线降低，左线抬高分别至左右线最低点位置，此时左右线仍然形成上下叠线（左线在上、右线在下），最后以叠线形式进入环湖西路站。
其中重叠段区间隧道长度约415m。
隧道所处地层为7、6-3、6-4、8-1、9-1粉质粘土层。
图1区间隧道总平面图
图2区间隧道纵断面图一
图3区间隧道纵断面图一
目前国内尚未有这种整个区间均为上下叠线的工程实例。
本文将通过建立有限元模型分析重叠隧道对以下方面进行分析：
施工步序、盾构净距的影响、加固措施、重叠段隧道内力。
2有限元模型
重叠隧道全长1099m，上下隧道线间距为8.6m~14m。
上部隧道主要穿越全新统中组粉质粘土层、下部隧道主要穿越全新统下组粉质粘土层。
杂填土层厚度约为2m，地下水位于地面以下2m。
重叠隧道典型横断面如图5所示。
采用Plaxis有限元软件建立重叠隧道横截面的平面应变模型。
为了减小边界效应对计算结构的影响，区间隧道中心距离计算模型边界为30m。
地层采用平面应变三角形单元、摩尔库伦模型模拟，盾构隧道（外径6.2m，内径5.5m，管片厚度为0.35m）采用板单元、线弹性模型模拟，土层、盾构管片采用的模型参数如表1所示。
有限元模型如图6所示。
表1材料特性表
材料名称
容重
（kN/m3）
弹性模量
（kN/m2）
泊松比
卸载-再压缩模量
（kN/m2）
粘聚力C（kN/m2）
内摩擦角
（°）
杂填土
20
1260
0.2
3780
0
10
全新统中组粉质粘土
20
4400
0.35
13200
14
16
全新统下组粉质粘土
20
5500
0.35
16500
19
17
盾构管片
25
3.45×107
0.15
/
/
/
图4同台换乘车站与重叠盾构隧道示意图
图5重叠盾构隧道横截面
图6Plaxis有限元模型
3施工顺序分析
对于上下重叠隧道，存在先施工下部隧道再施工上部隧道（先下后上）与先施工上部隧道再施工下部隧道（先上后下）两种施工顺序。
盾构净距为4m时，计算得到的两种施工顺序施工过程中的竖向位移如图7、图8所示。
此外有限元模型中将地面、隧道拱部作为监测点（如图5所示），其竖向位移随施工过程的变化如图10所示。
从计算结果可以看出：
（1）施工上部、下部盾构隧道都将使地面产生沉降，“先上后下”施工顺序地面累积沉降为15mm，“先下后上”施工顺序地面累积沉降为18mm，两种施工顺序地面累积沉降相差不大；
（2）“先下后上”施工顺序中，后期施工上部隧道对下部隧道有卸载作用，下部隧道产生上浮；（3）“先上后下”施工顺序中，后期施工下部隧道使上部隧道产生沉降。
（a）先施工下部隧道的竖向变形
（b）后施工上部隧道的竖向变形
图7“先下后上”施工过程变形图
（a）先施工上部隧道的竖向变形
（b）后施工下部隧道的竖向变形
图8“先上后下”施工过程变形图
图9“先下后上”施工步序地面、衬砌拱部沉降（计算点见图2）
图10“先上后下”施工步序地面、衬砌拱部沉降（计算点见图2）
由于施工过程中控制沉降难于控制上浮，根据相似工程的经验，本工程采用先下后上的施工顺序。
“先下后上”施工步序沉降曲线如图11所示。
图11“先上后下”施工步序地面沉降曲线
4盾构净距的影响
图12“先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系图
表2“先下后上”施工顺序盾构上浮量与盾构净距的关系表
隧道净距（m）
3
4
5
6
7
上浮量（mm）
11.2
10.2
9.2
8.2
7.4
整个叠线区间盾构净距为2.36-7.8m，为进一步研究“先下后上”施工顺序中盾构上浮量与盾构净距的关系，建立不同盾构净距的有限元模型，计算得到的下部隧道上浮量如图12所示。
计算结果表明：
盾构净距从3m变化至7m时，下部隧道均会产生上浮量；上浮量与盾构净距基本呈线性关系，盾构净距越大，上浮量越小；盾构净距为7m时，上浮量仍达到7.4mm。
这个上浮量不容忽视，在施工过程中必须采取有利措施控制下部隧道的上浮。
施工过程中拟采取隧道周圈3m注浆加固措施予以加固。
5加固措施的影响
实际施工过程中，拟采取注浆措施对重叠段隧道土体进行加固（如图14所示），其具体做法如下：
（1）先施工下部隧道，加强同步注浆，同步注浆填充率≥150%；
（2）采用注浆管对盾构外围3m范围土体进行注浆加固，加固后的土体应具有良好的均匀性和较小的渗透系数，无侧限抗压强度qu=0.2~0.3MPa；（3）施工上部隧道，同样加强同步注浆，对盾构外围3m范围土体进行注浆加固。
值得注意的是一般地段盾构管片注浆孔为6个（即封顶块、邻接块、标准块均只有一个注浆孔），叠线地段为满足注浆需要在邻接块、标准块上均增加2个注浆孔，总注浆孔从普通到的6个增加到16个。
叠线段增设注浆孔管片如图13所示。
图13重叠段盾构管片图
为分析土体加固对变形的影响，需要对加固后的土体选取合理的模型参数。
分别假定加固后的土体弹性模量为50MPa、100MPa、200MPa，计算得到的下部隧道上浮量如图15所示。
从中可以看出采用注浆加固措施能有效减小下部隧道的上浮量，加固土体的弹性模量越大，上浮量越小。
施工前应对注浆加固土体进行试验，确保注浆加固效果。
图14重叠段土体加固措施示意图
图15盾构上浮量与土体加固参数的关系
6叠线段隧道内力
仍以盾构净距为4m时为例，计算上下隧道在各施工步序中的内力变化情况。
仅开挖下部隧道时下部隧道内力如图16所示；开挖上部隧道时下部隧道内力如图17所示；开挖上部隧道时上部隧道内力如图18所示。
（a）弯矩：
95.06kN.m
（b）剪力：
1250kN
（c）剪力：
60.58kN
图16仅开挖下部隧道时下部隧道内力标准值
（a）弯矩：
17.79kN.m
（b）剪力：
1170kN
（c）剪力：
11.93kN
图17开挖上部隧道时下部隧道内力标准值
（a）弯矩：
33.32kN.m
（b）剪力：
662kN
（c）剪力：
21.46kN
图18开挖上部隧道时上部隧道内力标准值
上部隧道开挖后，下部隧道的内力有大幅度减少，其中最大弯矩减少81%，且最大弯矩位置发生在腰部；最大剪力减少81%；最大轴力变化不大。
由此可知下部隧道最不利工况为仅开挖下部隧道时；上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用。
7结论
本文对地铁重叠盾构隧道施工过程中的变形、内力进行了分析，研究了施工顺序、盾构净距、重叠段土体加固措施的影响，得到了以下结论：
（1）先下再上、先上再下两种施工顺序中，地面沉降相差不大；
（2）先下后上施工顺序中下部隧道会上浮，先上后下施工顺序中上部隧道会沉降；
（3）盾构净距越大，先下后上施工顺序中下部隧道的上浮量越小；
（4）采用注浆加固措施能有效减少下部隧道上浮量。
（5）上部隧道开挖对下部隧道有卸载作用。
8参考文献（References）
[1]刘钊，余才高、周振强.地铁设计与施工[M].北京：
人民交通出版社，2004.
[2]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,2009,10：
78-83.
[3]GB50157-2003,地铁设计规范[S].
[4]GB50010-2010,混凝土结构设计规范[S].
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