疊交隧道施工對既有隧道影響分析

彭 坤

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

隨著軌道交通事業的不斷發展，在軌道交通控制保護區范圍內不可避免地出現了大量穿越既有軌道交通的工程。穿越工程復雜程度高、風險大、控制標準極為嚴格，如果處置不當將導致既有結構及軌道變形超限，嚴重時將影響到軌道交通的正常運營[1]。

1 工程概況

昆明地鐵1號線二期工程起自北二環路，沿北京路南行接入環城南路站，與首期已運營的1號線貫通銜接。5號線與1號線在彌勒寺站換乘，站后區間呈十字疊交，均采用盾構法施工。管片外徑6.2 m、厚度0.35 m、寬度1.2 m，混凝土等級C50、抗滲等級P12，錯縫拼裝。1號線在上、5號線在下，1號線區間覆土厚度約12.0 m，5號線區間覆土厚度約20.3 m；兩區間隧道最小凈距2.1～2.2 m。區間疊交處自上而下依次分布為素填土、粉質黏土、圓礫土、黏質粉土、粉砂層。見圖1。

圖1 區間疊交區域相對位置關系

2 疊交區域安全控制指標

圖2 加固方案

穿越區土層自穩性差，需要采用旋噴樁進行地面注漿加固。旋噴樁樁長均為13.6 m、直徑800 mm、間距600 mm，梅花形布置咬合；平面加固范圍為隧道外輪廓外擴1.5 m。見圖2。運營線路對變形控制要求嚴格，一旦超過位移限值，可能存在開裂、滲水、管片接口張開；變形過大，甚至會影響既有線的運營安全。通常情況下，管片結構水平及豎向變形是導致上方線路不平順的主要原因，1號線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-4～6 mm，道床脫空量≤5 mm，結構裂縫寬度≤0.2 mm[2～3]。

3 疊交隧道數值模擬

為定量分析下穿過程對既有線的影響，采用GTS-NX軟件，建立地層結構模型進行計算。

3.1 模型建立

建立地鐵盾構區間疊交區域，根據盾構隧道影響區適當擴大，滿足數值計算精度要求。模型尺寸：X軸100 m，Y軸120 m，Z軸60 m，見圖3。

圖3 分析模型

計算模型中盾構區間管片僅考慮彈性變形，采用線彈性本構模型，假定材料應力-應變符合廣義胡克定律。

土體是典型的彈塑性材料，其卸載模量遠大于加載模量。Mohr-Coulomb彈塑性模型將壓縮和卸載模量統一采用楊氏模量E來表示，由于土體開挖是卸荷的過程，因此采用模擬土體卸載特性較好的Hardening-Soil模型更為合理；而修正Mohr-Coulomb模型的屈服面是解耦雙Hardening-Soil模型，用3個剛度值來表征土體在開挖過程中的特性，其中E50為標準排水三軸試驗中的割線剛度；Eoed為主固結儀加載中的切線剛度；Eur為卸載/重新加載剛度。Hardening-Soil模型包含剪切和壓縮兩種硬化類型且剪切破壞和壓縮破壞互不影響[4]。目前數值分析中修正Mohr-Coulomb本構模型由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，是對Mohr-Coulomb模型的改進，適用于軟土或砂土。本工程位于粉質黏土及圓礫土層，因此，土層采用的是修正Mohr-Coulomb模型。

計算參數的選取很大程度決定數值計算結果的可靠性。本次數值計算中巖土力學參數基于工程的詳勘報告確定。見表1和表2。

表1 土層參數取值

表2 彈性材料物理參數取值

5號線區間左右線盾構均在彌勒寺站始發，先左線后右線，保證安全距離50環以上。計算模型根據盾構實際施工進行工況劃分，穿越范圍按每段進尺為6 m進行模擬計算。

工況1：工程場地初始地應力場分析。

工況2：穿越范圍旋噴樁注漿加固。

工況3：1號線區間施工完畢，得出1號線區間內力分布情況。

工況4：5號線左線掘進到加固范圍前12 m（S1）。

工況5：5號線左線掘進到加固范圍前6 m（S2）。

工況6：5號線左線掘進到加固范圍（S3）。

……

工況13：5號線左線掘進到加固范圍后6 m，右線準備掘進（S10）。

工況14：5號線左線掘進到加固范圍后12 m，右線掘進到加固范圍前12 m，保證左右線安全距離≮50環（S11）。

工況15：5號線左線掘進到模型邊界，右線掘進到加固范圍前6 m（S12）。

……

工況25：5號線右線掘進到模型邊界（S22）。

3.2 影響分析

3.2.1 變形

在計算模型中提取左線6個代表點，分別位于拱頂和拱腰位置，見圖4。

圖4 1號線區間左線代表點

代表點在各工況下的變形見圖5。

在5號線掘進過程中，區間左線拱頂豎直向最大變形為2.32 mm，變形速率最大的工況為S9～S14；拱腰水平向最大變形為0.69 mm，變形速率最大的工況為S9～S14。盾構施工時，地層變形以豎向為主，表現為開挖隧道拱頂沉降變形，同時還包括水平向的收斂變形。由于下洞開挖擾動經地層擴散，對上部1號線隧道變形也有一定影響，隨著5號線隧道掘進，1號線區間跟隨土體協調變形，從圖5可以看出，當盾構掘進至區間正下方范圍時，變形速率加大，穿越疊交區域后，變形趨于穩定。

3.2.2 內力

5號線掘進過程中，1號線區間管片內力重分布，各工況下，管片最大正彎矩154.8 kN·m，最大負彎矩129.4 kN·m，最大剪力349.4 kN，最大軸力3 123.0 kN。見圖5。

圖5 1號線最大內

從計算結果和經驗得知，當管片結構按照計算裂縫寬度0.2 mm進行控制驗算時，正常使用極限狀態驗算比承載能力極限狀態的基本組合下和地震工況組合配筋高，正常使用極限狀態的裂縫寬度驗算是控制工況。通過上述管片內力計算，穿越后裂縫驗算為0.13 mm，該項目實施未造成管片強度破壞，管片結構配筋滿足正常使用及承載能力極限狀態驗算要求。

在加固情況下進行盾構施工，1號線管片結構內力分布情況及內力數值不存在明顯變化。

4 結論及建議

采用數值模擬計算分析，較為真實的模擬了5號線區間下穿1號線區間的施工過程，給出了整個計算區域在不同施工階段的變形及內力情況，加固方案對于5號線下穿1號線結構安全是可控的。

目前，數值模擬計算在方案研究及風險論證中已得到普遍應用。數值模擬計算正確與可靠的關鍵是合理的選取本構關系及參數。