地鐵盾構區間近距離上跨城際高速鐵路隧道結構力學行為分析

陳桂龍

（廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

隨著城鎮化的推進，高鐵與地鐵的交通無縫連接，解決新建隧道與既有隧道的相互平行、重疊和上下交叉、交錯穿越幾種位置關系的問題成為研究重點。霍軍帥等[1]通過有限元方法探討蘇州2號線盾構掘進對滬寧城際線地表沉降的影響。張立陽[2]對盾構下穿高速鐵路高架橋引起的變形影響進行了研究。張暢飛[3]研究發現兩隧道上下交叉的情況下，上方隧道的列車通行時會引起下方隧道產生振動與變形。江華等[4]采用有限元數值模擬和現場自動化監測結合的方法，研究盾構隧道上跨施工引起的既有線水平和豎向的變形規律。王偉[5]通過分析新建隧道與既有隧道間的作用機制，結合有限元數值模擬、現場監測等手段，對既有正線隧道的變形進行討論和研究。周經偉[6]通過分析盾構穿越既有隧道工程特點以及相互作用機制，采用有限元方法建立三維數值模擬分析不同穿越角度以及穿越凈距對既有隧道圍巖變形影響。文章結合佛山三號線城市軌道交通佛羅區間上跨廣佛環盾構隧道的工程背景，以廣佛環盾構隧道為研究對象，采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元數值模型，研究佛羅區間盾構隧道掘進時對廣佛環盾構隧道的內力和變形規律。為減少地鐵列車振動對城際隧道的影響，綜合分析提出中等減振的措施。

1 工程背景

佛山三號線佛山機場站—羅村站區間從佛山機場出發向西延伸，下穿沙坑村村民房和附近一片廠房，沿著機場路西沿線下穿擬建的禪西大道橋梁并上跨廣佛環，同時區間側穿南海福利院、君湖天下小區等，最后到達羅村站[7]。佛山機場站—羅村站區間采用盾構法施工，區間起訖里程左線ZDK62+960.004～ZDK64+569.821，短鏈長2.024 m，左線區間全長1 607.793 m；右線YDK62+960.000～YDK64+569.821，右線區間全長1 609.821 m。佛山機場站—羅村站區間在YDK63+567.795～YDK63+595.820段以夾角66°斜交上跨的廣佛環城際盾構隧道，最小凈距僅5.1 m。上跨段佛山三號線隧道埋深約12 m，下穿段佛山三號線區間隧道均處于0.4%上坡段，左右線平面位于半徑為650 m的圓曲線上。右線隧道軌面標高-5.166～-5.057 m。

該穿越位置地質情況復雜，區間位于軟弱地層。地質情況自上到下土層分別為：＜2-1B＞淤泥質土，＜5N-1＞硬塑狀粉質黏土，＜7-2＞強風巖層。地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水[8]。

土層物理力學參數如表1所示。

2 三維有限元模型建立

2.1 工況分析

對佛羅盾構區間上跨對廣佛環線隧道的作用過程進行優化[9-10]。模擬施工步驟，第一步模擬土層原始狀態，在初始應力狀態下，考慮巖土體和現有城際隧道結構，即地層的原始狀態，位移清零；第二步模擬左線盾構掘進上跨城際鐵路的狀態，地鐵隧道左線管片安裝，施加土倉壓力；第3步模擬右線盾構掘進上跨城際鐵路的狀態，鐵隧道右線管片安裝，施加土倉壓力。

2.2 模型建立

根據結構空間立體關系及施工特點，建立的三維有限元計算模型。三維模擬分析計算時充分結合地層分布特點合理選取計算參數，對各結構構件及地層的有限元模擬，采用實體單元模擬地層，板單元模擬隧道管片[11]。分析采用水土分算模式，摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層，計算范圍為220 m×200 m×80 m的區域。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

3 盾構上跨廣佛環城際隧道三維模擬結果及分析

計算時先得到廣佛環城際區間隧道初始階段在土壓力下的變形、內力、應力等數值，將位移清零。從第二至最后一個計算步驟計算出由隧道掘進引起的位移、內力、應力等變化，根據變化值判斷地鐵隧道掘進對城際隧道的影響[12-13]。

3.1 廣佛環城軌區間隧道豎向位移分析

當佛羅區間隧道左線掘進時，城際隧道產生最大豎向位移值為2.703 mm；當佛羅區間隧道右線掘進時，城際隧道產生最大豎向位移值為2.757 mm。因此，由地鐵隧道的掘進引起城際隧道產生豎向最大位移為2.757 mm，滿足規范要求。

各工況下城際隧道結構的豎向位移云圖如圖1所示。

3.2 廣佛環城軌區間隧道水平位移分析

各工況城際隧道結構水平位移云圖如圖2所示。

由圖2可知，當佛羅區間隧道左線掘進時，城際隧道產生最大水平位移值為0.674 mm；當佛羅區間隧道右線掘進時，城際隧道產生最大水平位移值為0.670 mm。因此，由地鐵隧道的掘進引起城際隧道產生水平最大位移為0.674 mm，滿足規范要求。

廣佛環城際區間隧道變形的原因，一是城際隧道自身的沉降所產生的變形，二是地鐵盾構區間上跨城際鐵路產生的變形。地鐵盾構區間上跨過程中產生的變形對城際鐵路豎向影響較大，對城際鐵路水平方向影響較小，最大豎向位移值為2.757 mm，最大水平位移值為0.674 mm，發生在地鐵區間隧道開挖的正下方城際區間隧道結構處。

3.3 廣佛環城際區間隧道內力

各工況下區間隧道的彎矩云圖如圖3所示。

隨著地鐵隧道的開挖，城際隧道結構內力和彎矩發生了變化，彎矩最大值為13.539 kN·m。城際隧道管片配筋為E25@100 mm，滿足要求。

4 地鐵隧道減振措施

根據國內地鐵軌道減振產品現狀、相關單位測試成果以及各城市地鐵工程設計經驗，把國內軌道減振措施歸納為3種。

中等減震：減震性能6～10 dB；雙層非線性減振扣件，軌道減振器扣件，彈性短軌枕，LORD扣件。

高等減震：減震性能12～15 dB；隔離式減振墊浮置板，中檔鋼彈簧浮置板，Vanguard扣件，梯形軌枕軌道。

特殊減震：減震性能＞15 dB；高檔鋼彈簧浮置板。

在經濟方面，高等減振措施較中等減振措施每公里增加約1 000萬元，特殊減振措施較中等減振措施每公里增加約1 300萬元。根據軌道的模擬結果以及經濟方面的對比，佛羅區間軌道采用中等減振措施，現場實測減振效果約為6 dB，效果良好。

5 結語

通過有限元分析盾構區間上跨過程中對廣佛環線隧道的內力和變形的影響。結果表明，盾構隧道的掘進對廣佛環線城際隧道的變形影響較小，盾構上跨不會對廣佛環城際隧道產生影響。對地鐵列車通行產生振動進行分析，列車產生的振動對廣佛環線影響較小。為提高廣佛環線的安全，對軌道采取中等減振措施，能夠降低列車運行時產生的振動。