新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工機理研究

夏國政，江 軍

（1.煙威高速公路管理處，山東 煙臺 264003；2.魯東大學土木工程學院，山東 煙臺 264025）

近年來，隨著經濟的快速發展，城市軌道交通也得到了迅猛發展[1-4]。越來越多的城市開通了地鐵線路，既有地鐵施工也越來越多，而如何保證既有地鐵線路的正常運營，也成為新建地鐵施工所需要解決的問題之一[5-8]。國內外針對地鐵隧道施工問題開展了大量的研究，Das R等[9]針對下穿過程中的非對稱地鐵隧道，采用數值模擬的方法，研究不對稱荷載對既有隧道的影響。Junbo F[10]基于大直徑空洞平行下穿施工工程，針對某平行大跨隧道的下穿施工工程，用數值模擬軟件模擬了爆破法施工，分析了振動對既有隧道產生的影響。韓煊等[11]基于對現場監控測量既有隧道變形數據的分析，提出了適用于近距離下穿工程施工中既有結構物的變形預測方法。賈少春[12]運用三維模型有限元法分析了新建盾構隧道近距離施工對連拱橋結構位移和內力的影響，對預注漿加固進行了數值模擬并與現場實際施工數據進行了對比分析。

文章依托某新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工工程，采用FLAC3D數值模擬計算，針對下穿施工過程中的應力應變變化規律，開展了現場監測數據對比論證與數值模擬計算分析。

1 工程概況

某既有地鐵和新建隧道均采用盾構法開挖建造，兩條地鐵隧道的內徑為6.3m，外徑為7m。盾構隧道管片由6塊拼裝而成，新舊隧道為平行隧道，新舊隧道凈距為3m，新建隧道埋深為9m。

2 數值模擬方法

2.1 數值計算模型

結合現場施工參數和地質報告，此次數值計算模擬采用三維數值模型，計算的模型長70m、寬60m、高66m，最終的數值模型外觀圖如圖1所示，模型包括了10275個節點和94381個單元。地層自上而下有素填土、頁巖和弱風化花崗巖。

2.2 數值計算方法

此次數值模擬中的主要細節如下。

（1）邊界設置：此次模擬參考實際工況，頂面為地表，采用了自由面，無任何約束；其余面為周邊圍巖接觸面，設置了法向約束。

圖1 數值計算模型

（2）開挖方法：先開挖既有隧道，既有隧道采用上下臺階法開挖，上下臺階間距為3m，開挖步也為3m；每開挖一環，設置20mm厚的初期支護，混凝土型號選用C30；初支施作的模擬完成后，施加二次襯砌，二襯厚度為15mm。既有隧道施工完成后，進行新建隧道的開挖模擬。新建隧道的開挖方法同既有隧道，新建隧道的襯砌只模擬初期支護，不含對二襯的模擬。地層采用實體單元進行模擬，隧道襯砌結構采用殼單元進行模擬。

表1 材料參數取值

2.3 材料參數

此次數值模擬中的巖土力學參數如表1所示。

3 數值計算結果

3.1 位移分析

圖2 新建隧道施工引起的既有隧道沉降變化云圖

圖3 新建隧道施工引起的既有隧道沉降變化曲線

新建隧道開挖完成后的地層沉降云圖如圖2所示，變化曲線如圖3所示。從圖2可以看出，新建隧道開挖完成后，在新建隧道與既有隧道的中夾巖層發生了較大的沉降，同時在既有隧道周邊也出現較大沉降。既有隧道拱頂的沉降為6.02mm，既有隧道拱頂的沉降為6.53mm，地表沉降也達到了5.22mm。可見新建隧道施工對既有隧道和地表都產生了較大的擾動。圖3的極坐標圖展示了新建隧道軸線正上方的既有襯砌不同部位的變形，從圖3可以看出，下穿施工的新建隧道將導致既有隧道產生一定的沉降，最大沉降量達到了有6.53mm，既有隧道的最大沉降量位于拱底。并且從圖3也可以看出，新建隧道下穿施工對既有隧道襯砌的沉降影響是對稱分布的，由于既有隧道拱底一側相比于拱頂一層更靠近新建隧道，受到的影響也就更大，因此從圖中也可以看出拱頂沉降量要小于拱底沉降量。同時從圖中可以看出，新建隧道下穿施工對既有隧道襯砌拱底±30°范圍內的襯砌影響最大。

新建隧道開挖完成后，軸線正上方的既有襯砌內襯和外襯正應力極坐標圖如圖4所示。從圖4可以看出，既有隧道外襯正應力值要小于內襯的正應力值，這是由于外襯靠近圍巖，圍巖對外襯起到了一定的加固作用，而內襯的受力傳遞路徑則較為單一。既有襯砌在下穿施工中，其外襯的應力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內，應力變化值的最大值達到了0.74MPa，為拉應力；其內襯的應力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內，而應力變化值的最大值達到了1.82MPa，同樣為拉應力，但由于既有隧道襯砌的正應力值都沒有達到C30混凝土的抗拉強度，因此不會造成受拉破壞。

3.2 受力分析

圖4 既有隧道襯砌的正應力

圖5 既有隧道襯砌的受力

新建隧道開挖完成后，既有襯砌的軸力變化量及彎矩變化量如圖5所示。從圖5（a）可以看出，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的軸力值變化主要集中在既有隧道拱底±90°范圍內，最大值達到了135.68KN，而既有隧道拱頂軸力在新建隧道下穿施工后變化量不大，拱頂軸力變化量僅有20.38KN。從圖6（b）可以看出，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的彎矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰-30～45°范圍，增加量最大值為4.92kN·m，而既有襯砌的彎矩值減小量主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內和拱底±45°范圍內，減小量最大值達到了-4.07kN·m。在下穿施工中應注意對既有隧道襯砌的相關部位進行加固。

3.3 塑性區分析

新建隧道開挖完成后的地層塑性區云圖如圖6所示。從圖6可以看出，新建隧道開挖完成后，在新建隧道拱底和拱頂±45°存在明顯的塑性區，且延伸距離較長，在既有隧道拱底和兩側拱腰也存在較大的塑性區，極易使既有隧道襯砌發生塑性破壞，可見在新建隧道開挖過程中應采取相應措施防止既有隧道襯砌發生塑性破壞。

圖6 新建隧道開挖完成后塑性區云圖

4 結論

文章采用大型有限差分數值模擬軟件FLAC3D進行數值計算，基于某新建地鐵隧道平行下穿既有地鐵施工工程，針對平行下穿過程中既有隧道的應力應變規律，開展了現場監測數據對比論證數值模擬可靠性分析，并進行了平行下穿施工機理分析，主要結論如下：

（1）新建隧道近距離平行下穿施工將導致既有隧道全范圍產生沉降，其中最大沉降量位于襯砌結構的拱底，達到了6.53mm，新建隧道平行下穿施工對既有隧道襯砌的影響主要集中在隧道襯砌拱底的±30°范圍內。

（2）既有隧道內襯的正應力值均大于相應的外襯正應力值，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的應力值主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內，最大值達到了1.82MPa，為拉應力，由于既有隧道襯砌的正應力值都沒有達到C30混凝土的抗拉強度，因此不會造成受拉破壞。

（3）新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的軸力值變化主要集中在既有隧道拱底±90°范圍內，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有襯砌的彎矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰±30°范圍內，而既有襯砌的彎矩值減小量主要集中在既有隧道拱頂±60°范圍內和拱底±45°范圍內，在下穿施工中應注意對既有隧道襯砌的相關部位進行加固。