新建地鐵下穿既有地鐵數值模擬研究

□文/高菊英

隨著經濟的發展和城市化進程的加速，隧道及地下工程建設發展迅猛。城市軌道交通的大規模建設必然帶來區間線路節點的交叉問題。例如在2050 年北京市區軌道交通規劃圖中，節點車站和地鐵區間穿越段的數目多達118 處[1]。穿隧道施工勢必引起已建隧道的隆沉[2]，采取安全可靠的施工措施，減少既有隧道的運營風險和新建隧道的施工風險成為學者們研究的課題。數值模擬分析方法因提供了圖形化直觀認識，能給出定量或半定量的研究成果指導設計施工，成為研究下穿隧道風險及控制措施的有效方法。張美聰[3]以南京地鐵10號線某區間下穿既有地鐵1號線為例，通過三維有限元計算分析了隧道施工對運營地鐵區間的沉降影響規律。王喜鴿[4]運用FLAC 3D數值模擬了圓形隧道盾構施工對既有地鐵隧道的影響，結果表明各因素對既有隧道變形和管片襯砌受力影響顯著，圍巖強度越低，間距越小，新建隧道埋深與跨度越大，既有隧道周關鍵點位移越大。劉偉[5]依托某地鐵隧道工程運用有限差分軟件FLAC3D模擬先下后上的開挖施工條件，計算上下洞盾構掘進引起的地表沉降、既有隧道連續墻側移和下洞隧道斷面收斂，總結了重疊隧道下穿既有隧道引起周圍環境變形的規律。黃朱林[6]運用ANSYS對鉆爆法暗挖施工的下穿隧道進行有限元模擬；顏勤[7]以重慶渝中區朝天門地下互通式下穿隧道為研究背景，采用MIDAS GTS有限元軟件對“先下后上”和“先上后下”兩種施工方案進行研究；勒曉光等[8]通過三維彈塑性有限元數值模擬，對重慶渝中區朝天門大型互通式下穿工程進行可行性研究。白海衛[9]采用FLAC3D 有限差分法對北京地鐵十號線正交下穿1 號線施工過程進行研究，得出對既有隧道周圍地層進行注漿加固比加強既有隧道襯砌結構本身更能有效控制既有隧道沉降變形的結論。

本文在前人研究基礎上，采用MIDAS/GTS-NX 軟件通過三維數值模擬方法，結合南京地鐵5號線下穿已運營的地鐵3號線案例，研究下穿既有運營地鐵的風險及控制措施，供同類工程參考。

1 工程概況

南京地鐵5號線九龍湖—誠信大道站區間隧道起于九龍湖站，側穿誠信大道九龍湖橋，沿誠信大道，下穿地鐵3 號線誠信大道過街通道、3 號線區間、二沖溝及誠信大道橋進入誠信大道站。

5號線于誠信大道與雙龍大道交口下穿已運營的地鐵3 號線，3 號線區間沿雙龍大道南北向走行，5 號線區間沿誠信大道站東西向走行，均采用盾構法施工。該交叉區段西側28 m為3號線過街通道，南側38 m為3號線誠信大道站，東側16、48 m分別為誠信大道橋、二沖溝及5號線誠信大道站。見圖1。

圖1 地鐵5號線下穿地鐵3號線平面

2 風險研究及安全保護控制指標

既有3 號線施工時未采取加固措施預留5 號線下穿條件，5 號線下穿區段左線軌后沉降值為-7.7 mm；右線軌后沉降值為-3.0 mm。運營后結構監測相對軌后首期沉降監測數據，盾構結構管片有所隆起，5 號線下穿區段左線隆起值為-1.67 mm；右線沉降值為-1.29 mm。

隧道近距離施工必然引起結構應力的改變和周圍土體變形，3 號線施工時未預留下穿條件并且運營后盾構結構管片已經產生了一定的變形，在5 號線下穿過程中如何保證既有線的安全運營至關重要。

通常情況下，管片結構沉降是導致上方線路不平順的主要原因，根據CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》及《鐵路線路維修規則》相關要求，結合施工經驗，3 號線（運營）線路的控制指標為：隧道水平位移、豎向位移及隧道徑向收斂≤20 mm，軌道橫向高差和軌向高差≤4 mm，軌間距應在-4～6 mm之間，道床脫空量≤5 mm，結構裂縫寬度≤0.2 mm。

3 三維數值模擬及分析

為進一步了解盾構下穿造成的影響，采用MIDAS/GTS-NX軟件進行三維模擬計算分析。

3.1 模型建立

采用簡化模型進行分析，建模過程中對相似地層進行合并，每一土層都是規則的平面，3 號線隧道及5號線隧道延伸方向簡化為水平直線延伸。見圖2 和圖3。

圖2 整體數值分析模型

圖3 5號線隧道與3號線隧道位置關系

3.2 計算假設及參數選取

3.2.1 基本假定

初始應力只考慮圍巖的自重應力，忽略構造應力的影響；所有材料均為均質、連續、各項同性，土體水平成層分布；圍巖按摩爾-庫倫理想彈性材料考慮，襯砌為彈性材料；隧道管片不考慮管片與管片之間的連接，只作為整體進行簡化分析；不考慮3號線內列車運行產生的振動。

3.2.2 參數選取

1）隧道壁后注漿的模擬。認為在注漿范圍內是連續的、均勻的，不考慮注漿過程中產生的跑漿、劈裂注漿。采用更換網格組屬性的方式進行模擬，在保證原網格組不變的情況下改變其參數來實現注漿效果。

2）接觸的模擬。由于材料性能不同，根據變形協調條件，隧道襯砌和土體之間在變形過程中可能會產生一定的縫隙，而不是完全接觸。采用接觸單元對襯砌與土體之間的接觸進行模擬。

3）土倉壓力的模擬。在實際工程中，土倉壓力以均衡的壓強形式存在，為了更接近實際，在數值模擬過程中，直接對開挖面土體施加法向均勻分布的壓力。

4）襯砌結構、圍護結構及圍巖模擬。隧道襯砌及基坑圍護結構采用彈性本構模擬。均質彈性材料的應力-應變關系符合胡克定律。圍巖模擬采Mohr-Coulomb 模型，Mohr-Coulomb 模型是彈性-塑性本構，其破壞準則是受最大剪應力控制的，可通過反應最大和最小主應力關系的摩爾圓來體現。

5）管片加固模擬。3號線隧道采用鋼管片進行加固，先對加固后的管片等效剛度進行計算，然后采用修改管片屬性的方法進行模擬。

6）隧道開挖模擬。隧道開挖按照實際施工情況進行簡化，實際工程中每步開挖為1.2 m，在數值模擬過程中，為了便于分析，每6 m為一次開挖進度。先進行右線的開挖施工，待施工完畢后再進行左線施工開挖，這樣可以降低兩隧道之間的相互影響，避免二次沉降。

第一步，激活地層、3 號線管片，進行初始應力狀態分析，計算結果位移清零。

第二步，5號線隧道右線第一步開挖，鈍化第一步隧道內土體，激活開挖面土倉壓力。

第三步，5號線隧道右線第二步開挖，激活第一環管片，激活第一環管片壁后注漿屬性，鈍化第二步隧道內土體，激活開挖面土倉壓力……

第n-1部，5號線隧道左線第n步開挖，激活第n-1環管片，激活第n-1環管片壁后注漿屬性，鈍化第n步隧道內土體。

第n部，激活第n環管片，激活第n環管片壁后注漿屬性,開挖模擬結束。

7）模型尺寸及邊界條件。考慮邊界條件的影響，采用80 m（寬）×50 m（深）×80 m（長）的模型。其中長是指沿5號線隧道延伸方向的長度。模擬隧道管片外徑6.2 m，壁厚0.35 m。

3.3 模擬分析

下穿對地鐵3號線豎向和水平向變形影響數值模擬分5種不同工況：工況一，區間無加固措施；工況二，5號線管片外注漿加固；工況三，5號線管片外注漿加固+3號線鋼管片加固+3號線洞內注漿加固；工況四，3號線MJS工法加固；工況五，3號線MJS工法加固+3號線鋼管片加固。

3.3.1 工況一

3號線豎向最大位移為90.7 mm，位于5號線左右線中軸線處。見圖4。這是因為這個位置是5號線左右線影響范圍疊加處，所以沉降要大于5 號線隧道正上方位置。

圖4 工況一條件下3號線豎向變形

3號線水平變形曲線峰值位于5號線左線正上方，最大值為5.79 mm。見圖5。

圖5 工況一條件下3號線水平向變形

綜上所述，5 號線開挖對地層及3 號線影響較大，已嚴重影響3 號線的結構穩定性及安全使用，應對地層及管片采取加固措施，以達到降低3號線隧道變形，滿足其結構安全使用和安全運營的目的。

3.3.2 工況二

3 號線豎向最大位移為41.4 mm，位于5 號線左右線中軸線處且隨著與5 號線距離增加而向兩側減小。見圖6。

圖6 工況二條件下3號線豎向變形

3號線水平變形曲線峰值位于5號線左線正上方，最大值為4.18 mm。見圖7。

圖7 工況二條件下3號線水平向變形

綜上所述，在5 號線隧道外擴大對土體加固范圍可以有效減小3號線豎向變形，但3號線整體仍存在較大變形，對運營造成安全隱患。所以，在5號線周圍土體加固的前提下，考慮對3號線管片本身及3號線周圍土體進行加固，以此來減少其變形。

3.3.3 工況三

3號線豎向最大位移為16.7 mm，位于5號線左右線中軸線處隨著與5號線距離增加而向兩側減小。見圖8。

圖8 工況三條件下3號線豎向變形

3號線水平變形曲線峰值位于5號線左線正上方，最大值為2.5 mm。見圖9。

圖9 工況三條件下3號線水平向變形

綜上所述，在同時采取了3 號線管片加固、3 號線底部土體加固及5號線管片周圍土體加固措施后，5號線開挖對3號線整體影響變小。

3.3.4 工況四

3號線MJS工法加固作用下計算模型見圖10。

圖10 MJS工法加固下5號線隧道下穿3號線隧道模型

3 號線豎向最大位移為23.1 mm，位于5 號線左右線中軸線處且隨著與5 號線距離增加而向兩側減小。見圖11。

圖11 工況四條件下3號線豎向變形

水平位移曲線于5號線左右線正上方位置變化最大，然后向兩側遞減，變化規律與此前基本一致，其中最大水平位移為2.8 mm，位于5 號線右線正上方。見圖12。

圖12 工況四條件下3號線水平向變形

3.3.5 工況五

3 號線豎向最大位移為19.0 mm，位于5 號線左右線中軸線處且隨著與5 號線距離增加而向兩側減小。見圖13。

圖13 工況五條件下3號線豎向變形

水平位移曲線于5號線左右線正上方位置變化最大，然后向兩側遞減，變化規律與此前基本一致，其中最大水平位移為2.53 mm，位于5號線右線正上方。見圖14。

圖14 工況五條件下3號線水平向變形

4 盾構區間保護方案比選分析

根據三維模擬計算分析，工況三和工況五能滿足3號線位移的保護要求。

現通過地下管線、地面交通、周圍環境、地鐵3 號線的變形控制等的影響對以上兩個保護方案進行比選，見表1。

表1 盾構區間保護方案比選

5 結論及建議

1）根據三維模擬，計算不同工況下的加固措施對既有地鐵3 號線造成的影響，本著保證既有地鐵3 號線結構和運營安全、5號線順利掘進的原則，為使變形影響在可控范圍內，需對下穿段采取相應的加固措施。因3號線運營后，盾構結構管片已發生隆起變形，為減少對3號線的影響，推薦采用工況五，即既有地鐵3號線MJS工法加固+3號線鋼管片加固措施。

2）下穿既有隧道引起的最大沉降位移位于下穿區間中軸線處，同時向兩側逐漸減小。

3）MIDAS/GTS-NX軟件采用的三維數值模擬方法是可靠的，其可視化操作簡單，能較真實的模擬實際工況，為下穿既有隧道加固措施施工提供重要參數依據。