地鐵盾構穿越武廣高鐵的影響分析

蔣 超 劉 輝

地鐵盾構穿越武廣高鐵的影響分析

蔣 超 劉 輝

0 引言

隨著城市地下空間開發利用的快速發展，涉及地下空間相互干擾的立體交叉施工現象時有發生，尤其是新建地鐵隧道近距離穿越既有建（構）筑物的施工，由于地鐵盾構施工會引起周邊土體的擾動變形，必然會對臨近建（構）筑物的安全產生一定的影響。目前，工程研究人員已對地下工程近距離穿越既有建（構）筑物進行了很多研究和總結，取得了一定的研究成果，如：仇文革等[1]對地下工程近接施工力學原理與對策進行了研究；孫春光[2]等對北京地鐵十號線近接某區間隧道的施工進行數值模擬；王星[3]等研究了淺埋暗挖隧道施工對臨近建筑物變形影響并提出加固措施。但是，盾構隧道下穿既有高速鐵路隧道的案例極為少見，相關設計、施工經驗缺乏，目前尚無相關的沉降控制標準。本文將以長沙地鐵隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道為例，研究盾構隧道施工對臨近既有結構的影響，并提出相應工程措施，為類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質

長沙地鐵3號線湘龍站—星沙站盾構隧道于DK33+856處需下穿武廣高鐵瀏陽河隧道進口明洞段，該區段地質情況由上而下依次為：素填土、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、強風化礫巖、中風化礫巖，其中，區間隧道主要位于中分化巖層中。根據前期地質勘查，可知風化泥質粉砂巖飽和抗壓強度為1.07MPa，中風化礫巖為1.23MPa。該區段地下水位于地表下5m左右，主要為基巖裂隙水，區間隧道位于弱透水層中。

1.2 設計概況

下穿段武廣高鐵瀏陽河隧道雙線均為直線，其頂部覆土約為4.2m，襯砌采用單洞雙線明洞拱形斷面，斷面寬14.9m，高12.78m，采用C35防水鋼筋混凝土襯砌，拱部厚度0.8m，仰拱厚度0.9m。每30m設置一處變形縫，縫寬10mm。圍護結構采用鉆孔樁+內支撐，樁徑1m，間距2m，嵌入基坑底3m，樁長約17m，C30鋼筋混凝土。

地鐵區間采用復合式土壓平衡盾構機施工，襯砌采用0.6m厚C50鋼筋混凝土，內徑5.4m，外徑6.0m，地鐵結構與鐵路隧道底部的凈距約為9.06m。 地鐵區間隧道垂直穿越瀏陽河隧道，位置關系如圖1所示。

表1 模型主要物理力學參數

2 影響分析

2.1 基本說明

為了分析盾構掘進引起的武廣高鐵瀏陽河隧道支護結構內力及位移情況，本項目部擬采用MADIS/GTS對地鐵3號線湘龍站-星沙站區間的盾構掘進施工過程進行三維模擬。

2.2 基本假定

（1）地層材料采用莫爾-庫倫準則計算[4]。

（2）假定土層成層均質水平分布。

（3）地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內。

（4）不考慮隧道開挖對土體力學指標的影響以及地下水滲流影響。

（5）管片襯砌結構是通過螺栓將單個管片連接在一起的整體結構，分析中采用均質體等代管片襯砌時，需乘以一個剛度折減系數，通常取0.6~0.8，本次計算取0.8。

2.3 模型建立

模型尺寸取120m×120m ×80m，土體采用實體單元模擬，瀏陽河隧道及地鐵盾構隧道均采用板單元模擬，其尺寸、屬性按實際情況給定。計算模型中，瀏陽河隧道襯砌每隔30m設置一道環向變形縫，共設置3道，變形縫采用實體填充。模型主要物理力學參數見表1，計算模型網格劃分如圖2所示。

模型采用位移邊界作為邊界條件，除上表面為自由邊界外，其余各外表面均約束法線方向的位移。瀏陽河隧道襯砌在變形縫間的連接采用縱向位移邊界處理。模型中模擬了初始地應力的形成及盾構施工的全過程[5]，初始應力場見圖3所示。在下穿盾構隧道計算范圍內，每次向掘進方向推進單個管節長度，每個管節單元采用板單元進行激活模擬。

二次注漿范圍在高鐵隧道中心里程前后各30m。盾構機每天推進按6環(9m)考慮，計算中假定，1d的注漿層彈性模量是30MPa，采用板單元模擬，利用單元生死法在盾構管片推進6m后進行激活[6]。

2.4 計算工況簡要介紹

（1）未開挖武廣瀏陽河隧道前，模擬在初始地應力下平衡。

（2）開挖武廣瀏陽河隧道，施加既有隧道襯砌，計算至應力平衡，清除塑性區及位移歸零，作為初始應力場。（3）地鐵右線盾構隧道掘進，每循環1.5m。（4）地鐵左線盾構隧道掘進，每循環1.5m。

2.5 位移分析

2.5.1 盾構施工前

在地鐵隧道盾構施工前，武廣高鐵瀏陽河隧道的頂部及底部位移從圖4、5可以看出：在初始應力狀態下，瀏陽河隧道襯砌頂部最大沉降為5.38mm，襯砌底部主要以隆起為主，標記點位移值分別為7.10mm、7.22mm、 7.03mm。

2.5.2 盾構施工后

盾構施工后瀏陽河隧道的頂部及底部位移如圖6～9所示。

由圖6、7可見，盾構右線開挖完成后，襯砌頂部最大沉降為6.06mm，襯砌底部標記點位移值分別為6.98mm、6.53mm、5.66mm，；相對于初始位移，襯砌頂部沉降值為0.68mm，襯砌底部沉降值分別為0.12mm、0.69mm、1.37mm。

由圖8、9可見，盾構左線開挖完成后，瀏陽河隧道襯砌頂部最大沉降為6.51mm，襯砌底部標記點位移值分別為5.72mm、5.85mm、5.49mm；相對于右線開挖完成后位移，襯砌頂部沉降值為0.45mm，襯砌底部沉降值分別為1.26mm、0.68mm、0.17mm。

由此可得，累計襯砌頂部豎向位移相對變化值為1.13mm，襯砌底部豎向位移相對變化值分別為1.38mm、1.37mm、1.54mm，盾構開挖對處于正上方的襯砌影響較大，襯砌變形縫間未見相對過大沉降。

2.6 軸力分析

由盾構施工前后瀏陽河隧道的軸力從圖10～12可以看出，盾構施工前軸力最大值為1 336.1kN，盾構施工后襯砌軸力集中區域向左線正上方襯砌擴展，軸力集中區位于襯砌變形縫處，軸力最大值為1 812.4kN，增加約476.3 kN。

對比分析可知，盾構開挖對瀏陽河隧道襯砌變形縫處的軸力變化有一定影響，但增加量較小，遠小于瀏陽河隧道允許承載力。

2.7 彎矩分析

盾構施工前后瀏陽河隧道的彎矩如圖13～15。

從圖13可以看出，初始應力狀態下，襯砌彎矩未在變形縫連接處出現集中，襯砌彎矩最大值為124.6kN·m。從圖14、15可以看出，盾構右線、左線開挖后，襯砌彎矩最大值分別為128.1kN·m、128.4kN·m。

對比分析，盾構開挖后瀏陽河隧道襯砌彎矩變化很小，盾構開挖對瀏陽河隧道襯砌的影響很小。

2.8 各參數累計變化值

在上述位移分析、軸力分析、彎矩分析、盾構隧道施工前到盾構右線和左線均施工完成后，其位移、軸力、彎矩的累計變化情況可參見表2。

3 結論及建議

（1）從各施工階段上部隧道的內力變化結果可以看出，盾構開挖對瀏陽河隧道結構內力有一定影響，但增加量較小，遠小于瀏陽河隧道允許承載力。分析原因主要是由于該處圍巖穩定性好、滲透系數較小且高鐵隧道結構剛度較大，故下穿施工對高鐵軌道結構的影響較小，該隧道結構安全可控。

（2）從各施工階段上部隧道的豎向位移圖可以看出，開挖過程中，既有隧道的位移隨著開挖過程的進行不斷增長。在盾構下穿既有隧道時，其位移增長最快；至開挖結束以后，隧道最大豎向位移達到1.54mm。根據數值模擬及經驗分析，參考國內其他盾構穿越鐵路股道的施工案例，通過合理設定盾構掘進參數，做好施工各項保障措施、對施工重點環節進行嚴格控制，在不加固土體的情況下，可以保證地面沉降在5mm以內，軌道差異沉降控制在2mm以內。根據《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》（鐵運[2012]83號）進行評定，250～300km/h線路軌道靜態豎向位移允許偏差(按作業驗收標準)為2mm，滿足高鐵運營維護管理要求，可保證高鐵隧道結構及運營安全。

（3）由于地下工程的復雜性及地質條件的不確定性，為確保高鐵運營安全，考慮該段靠近武廣高鐵長沙南站，具備限速條件，經與武廣高鐵運營管理單位協商，同意在盾構穿越該段的時間內將高鐵限速至120km/h以內，以進一步降低穿越時段的安全風險。

（4）通過本文的研究分析，可以在理論上說明長沙地鐵3號線湘龍站—星沙站區間的盾構隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道技術可行，安全性可控，對今后類似工程起到一定的指導意義和參考價值。

表2 盾構施工前后各參數累計變化情況表

[1]仇文革.地下工程近接施工力學原理與對策的研究[D].博士論文,西南交通大學, 2003.

[2]孫春光,歐陽院平.北京地鐵十號線某近接區間隧道的施工數值模擬[J].四 川建筑,2008(2).

[3]王星,曹喜仁,劉齊建.淺埋暗挖隧道施工對臨近建筑物變形影響及加固措施[J].安全與環境學報, 2009,9(4):114-118.

[4] 汪宏,王勇,蔣超等.半巖半土隧道圍巖穩定數值模擬[A].地下交通工程與工程安全——第五屆中國國際隧道工程研討會.

[5] 汪宏,蔣超.淺埋偏壓隧道洞口段坍方數值分析與處治[J].巖土力學,2009(11):3481-3485.

[6] FRALDI M,GUARRACINO F. Evaluation of impending collapse in circular[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2011,26(4):507-516.

Analysis on the Influence of Metro Shield Crossing Wuhan-Guangzhou Highspeed Railway

Jiang Chao Liu Hui

文章以長沙地鐵盾構隧道下穿武廣高鐵瀏陽河隧道為例，采用MADIS/GTS有限元程序進行空間模型分析，研究盾構隧道施工對臨近既有結構的影響，提出相應工程措施，為今后類似的工程提供參考。

地鐵；盾構隧道；下穿；瀏陽河隧道；內力；位移

Taking Changsha metro shield tunnel undercrossing Luoyang River Tunnel of Wuhan-Guangzhou high-speed railway as an example, the paper adopts MADIS / GTS finite element program to analyze the space model and studies the infl uence of shield tunnel construction on the adjacent existing structure so as to propose the corresponding engineering measures, which may provide a reference for future similar project.

metro, shield tunnel, undercrossing, Luoyang River Tunnel, internal force, displacement

2016-05-18）

湖南省科技計劃項目，編號：2013SK3075。

蔣超，碩士，長沙市軌道交通集團有限公司工程師；劉輝，中鐵隧道集團有限公司高級工程師。