基于箱涵頂進法的隧道下穿車站流固耦合分析

朱永全 朱正國 王道遠 方智淳

(石家莊鐵道大學， 石家莊 050043)

鐵路工程建設中常常會遇到新建鐵路與既有鐵路、公路、房屋、管線等在空間位置上的交叉、重疊等問題[1-4]。大量的工程實踐證明，在處理這種問題時，采用隧道下穿的形式具有明顯的優勢，既能減少對土地資源的占用和對環境的破壞，又能減小對既有線路交通的干擾。但在隧道下穿施工過程中，不可避免地會造成上部既有結構物發生不同程度的沉降變形，嚴重時甚至會發生塌陷，威脅既有結構物安全。因此，研究新建隧道下穿既有結構物的變形規律、相互作用機理，從而總結隧道下穿施工變形控制基準和方法十分重要[5-9]。

國內外專家學者在隧道下穿施工變形控制的研究上取得了不少成果。如朱正國等人[10]利用數值模擬和公式回歸擬合分析的方法，得到沉降槽寬度系數與埋深的關系，考慮鐵路不同等級的要求，推導出隧道下穿既有線的地表沉降控制標準式，并對國內部分隧道沉降控制基準進行計算，計算結果與實測值吻合度較好。婁國沖[11]對隧道下穿鐵路工程的沉降標準進行了研究。趙智濤等人[12]建立了結構-地層-管線三維模型，計算分析了隧道開挖過程中管線所處地層的沉降變形規律，并結合地表沉降實測值和經驗法計算結果進行對比，結果表明管線對地層具有抵制作用。

但截止目前，對具體施工方法下，考慮流固耦合作用的研究還鮮為少見，因此，本文著重對隧道箱涵頂進法下穿車站的流固耦合作用進行分析。

1 隧道下穿車站變形控制基準研究

1.1 變形控制標準制定原則

(1)安全、科學、適用原則

隧道下穿車站工程安全問題主要涉及兩方面的內容，一是鐵路的安全運營，二是隧道的安全施工。在整個工程進程中，涉及的行業和部門較多，因此，在制定控制標準時，應綜合考慮安全保障、工程所涉及的相關行業和部門的標準以及現場施工條件，根據計算、論證、現場監測結果等科學地制定施工方案，在充分保障安全的前提下，適當控制經濟成本。

(2)“分區、分步、分級”原則

參照TB 10003-2016《鐵路隧道設計規范》，結合路基結構特點，分不同模型進行計算，再根據相應的結果進行判定，即可將變形進行分區控制。車站變形控制指標主要包括沉降、隆起和差異沉降，在現場施工中，為對這些指標進行嚴格監控和有效控制，須考慮隧道開挖每一典型施工步對變形的影響，制定對應的分步控制指標，即可將變形進行分步控制。為更加詳細和安全地控制變形，在不同環境下，還需將控制標準做相應的分級。在控制值的基礎上增加預警值和報警值，預警值是準備采取措施的警示值，一般是控制值的60%；報警值是需要采取一定措施的提示值，一般是控制值的80%。通過對變形控制標準值詳細實行分級管控，可更好地對工程進行風險控制。

1.2 隧道下穿控制指標研究

車站自身的承載力和下穿施工對其造成的沉降影響需綜合考慮諸多因素，這使得隧道下穿車站變形控制變得相對復雜。因此需尋求一些關鍵指標，以其變化來代表隧道施工的變形情況。在選取下穿既有車站施工變形控制指標時，主要應考慮兩個方面的問題：一方面指標須反映車站的安全狀態，可用地層最大地表沉降值來代表；另一方面指標要反應隧道施工過程中，隧道自身的安全穩定性，考慮到實際降水的作用，可選擇監測面處的拱頂沉降及水平收斂值作為控制標準。

綜上所述，箱涵頂進法下隧道下穿車站的變形控制指標，如表1所示。

表1 隧道下穿站場變形控制指標

2 下穿車站隧道箱涵頂進法流固耦合分析

2.1 計算模型和計算參數

采用有限元軟件FLAC3D進行數值分析，考慮圍巖的滲流場和應力場的兩場耦合作用。模型在X、Y、Z三個方向上的尺寸為124 m×40 m×50 m。除上部邊界外，模型其余5個方向的邊界均約束其法向位移，同時將列車荷載等效作用在地表上層。在進行箱涵頂進前需要對箱涵的周圍進行管幕加固，加固管幕直徑為300 mm。

在建模過程中，通過把圍巖土體的物理力學參數轉換為箱涵結構的物理力學參數來實現對箱涵頂進過程的模擬，管幕及箱涵參數表，如表2所示。

表2 材料參數表

在箱涵頂進過程的模擬計算中，將圍巖的材料設置為理想的彈塑性材料，其整體服從摩爾庫倫定律。施工階段模擬了非耦合作用和耦合作用兩種方案。

(1)非耦合作用方案

在施工過程中直接進行降水，觀察由降水帶來的地表沉降，不考慮流固耦合的作用，采用箱涵頂進施工方法，施做帷幕注漿加固圈，頂進完畢后進行全斷面開挖。

(2)耦合作用方案

開挖方法支護結構的選擇及物理力學參數同非耦合作用方案，但在施工過程中不進行降水，且考慮流固耦合的作用。

2.2 地表沉降分析

地表沉降規律通過地表沉降槽曲線來反映。對地表沉降槽曲線進行分析有助于在實際工程施工中對加固措施進行改進，從而減少地層沉降，確保工程安全有效地實施。對箱涵頂進法進行非耦合和耦合作用下的模擬分析，得到地表沉降槽曲線，如圖1所示。

圖1 箱涵頂進下地表沉降曲線圖

由圖1可以看出，箱涵頂進施工時，耦合與非耦合作用下的地表沉降整體趨勢相似，中線位置處的地表沉降最大，距離Z坐標軸越遠，其地表沉降也越小。雖然耦合與非耦合作用下地表沉降趨勢相似，但在數值上卻存在明顯差異，耦合作用下地表沉降最大值為12.5 mm，而非耦合作用下地表最大沉降值僅為6.6 mm。

2.3 拱頂沉降分析

箱涵頂進法耦合與非耦合作用下，左側隧道監測面處的拱頂沉降曲線如圖2所示。

圖2 左側隧道拱頂沉降曲線圖

由圖2可以看出，左側隧道耦合作用下箱涵頂進法造成的拱頂沉降與非耦合作用下的拱頂沉降趨勢不同，但兩者互有交集。開挖前20步，非耦合作用在隧道監測面處產生的拱頂沉降值小于非耦合作用，開挖20步后，耦合作用造成的隧道拱頂沉降迅速增長，遠大于相同開挖步非耦合作用產生的拱頂沉降。開挖40步后，耦合作用與非耦合作用在隧道拱頂處產生的沉降增長趨勢變緩，并逐漸趨于穩定，但兩者沉降數值差異較大，耦合作用下的最終沉降值約為14 mm，非耦合作用下的最終沉降值約為6 mm。

2.4 水平收斂分析

箱涵頂進法耦合作用與非耦合作用下左側隧道監測面處水平收斂曲線如圖3所示。

圖3 左側隧道水平收斂曲線圖

由圖3可以看出，耦合作用與非耦合作用下，左側隧道監測面處的水平收斂曲線變化趨勢不同，但兩者互有交集。開挖前30步，耦合作用下的隧道水平收斂值小于非耦合作用，開挖30步后，耦合作用下的隧道水平收斂迅速增長，并在開挖40步時達到峰值，并趨于穩定，最大水平收斂值為9.3 mm。非耦合作用下隧道水平收斂增長較為平緩，同樣在開挖40步時達到最大水平收斂值，并逐漸趨于穩定，最大水平收斂值為5.3 mm。

2.5 豎向位移分析

箱涵頂進法耦合作用與非耦合作用下的豎向位移云圖，如圖4、圖5所示。

圖4 耦合豎向位移云圖

圖5 非耦合豎向位移云圖

由圖中可以看出，耦合作用與非耦合作用下隧道監測面處的豎向位移云圖趨勢相同，均沿隧道中心線呈現對稱分布。耦合作用下，隧道最大豎向位移為15.3 mm，非耦合作用下隧道最大豎向位移為6.4 mm，兩者數值差距較大，達58.2%。

3 結論

(1)箱涵頂進法隧道下穿車站過程中，可采用地層沉降、隧道監測面處拱頂沉降、水平收斂以及豎向位移作為施工過程的變形控制指標，本著安全、科學、適用及分區、分步、分級的原則進行隧道施工組織設計。

(2)耦合作用與非耦合作用下的地表沉降及隧道豎向位移的變化趨勢相似，但耦合作用下的數值明顯大于非耦合作用。耦合作用下，地表最大沉降值為6.6 mm，最大豎向位移值為 6.4 mm；而非耦合作用下，地表最大沉降為12.5 mm，最大豎向位移值為15.3 mm。

(3)耦合作用與非耦合作用下，隧道監測面處拱頂沉降及水平收斂趨勢不同，在剛開挖時，耦合作用下的拱頂沉降及水平收斂小于非耦合作用，隨著開挖的持續進行，耦合作用下的拱頂沉降及水平收斂迅速增長，遠大于相同情況下的非耦合作用工況。在開挖后期，耦合作用與非耦合作用的拱頂沉降區水平收斂均逐步趨于穩定。