地鐵盾構下穿高鐵隧道沉降有限元分析及自動化監測

江凱

（中南林業科技大學，長沙410000）

1 引言

地鐵盾構施工會經常下穿地面既有建構筑物，地鐵盾構施工導致建構筑物地下巖層、土體缺失，引起地鐵盾構施工臨近結構物內力的重分布，產生不協調、不均勻變形。因此，對地鐵盾構施工下穿既有建構筑物引起的變形進行監測和預警是地鐵施工必需的工作流程。本研究結合長沙市軌道交通3 號線盾構下穿京廣高鐵瀏陽河隧道的具體工程實踐，將有限元模型與自動化監控相結合，研究地鐵盾構隧道施工對臨高鐵隧道及其近結構的影響，為地鐵盾構施工下穿建構筑物的引起的變形監測和預警提供借鑒和參考。

2 工程概況

長沙市軌道交通3 號線的汽貿大道站—星沙大道站區間，左線長2200．220m；右線長2199．871m，盾構下穿京廣高鐵瀏陽河隧道工程, 在京廣高鐵K1566+818 處以正交、直線、盾構法施工下穿瀏陽河隧道, 對瀏陽河隧道范圍內盾構隧道左、右線中心線外各30m，約80m 的范圍進行監測，下穿京廣高鐵瀏陽河隧道段線間距約20m。

3 監控方案

本項目采用測量機器人結合自動監測系統軟件的變形自動監測系統進行監測，主要監測無砟軌道結構沉降和隧道整體沉降。測量機器人采用徠卡TM50 共計2 臺。在盾構隧道施工期間24h 全自動測量隧道結構、道床隧道軸向、橫向及垂直方向三維變形，并每隔6h 傳輸一次數據。監測區段總長度約80m，按5m 的間隔共布設17 個監測斷面，每個監測斷面包括2 個隧道整體沉降點、2 個無砟軌道結構沉降監測點，共4 個監測點。根據現場踏勘及設計資料，盾構下穿段隧道在K1566+785.246、K1566+815.246 及K1566+845.246 位置處有變形縫，縫寬約10mm，在變形縫位置處加設監測斷面，共計68 個監測點。

4 有限元模型分析

4.1 有限元模型建立

本文使用Midas/GTS NX 軟件進行數值模擬分析，根據盾構隧道與京廣鐵路瀏陽河隧道的空間位置關系，建立三維有限元計算模型。數值計算中，模型尺寸長120m，寬120m，高度80m，土體采用實體單元，瀏陽河隧道及地鐵盾構隧道均采用板單元模擬，其尺寸、屬性根據施工圖紙給定。計算模型中，瀏陽河隧道襯砌每隔30m 設置1 道環向變形縫，共設置3 道變形縫，采用實體填充。模型采用位移邊界，頂部上表面為自由邊界，其余各外表面法線方向的位移均受到約束。

4.2 基于空間動態下的隧道沉降變形特征分析

此次盾構施工對高鐵隧道的影響劃分為3 個階段，即盾構接近既有隧道、盾構下穿既有隧道、盾構遠離既有隧道。在模型設計初始階段取隧道整體沉降測點為對象進行研究。

如圖1 可見，本文研究了盾構隧道下穿施工時的土體擾動情況，左線隧道施工完成后引起既有隧道發生沉降，此時，最大沉降位置位于2 條盾構隧道正上方的變形縫處，高鐵隧道整體沉降曲面大致為“V”形，如圖2 所示。

圖1 盾構開挖完成后高鐵隧道整體沉降變化云圖

圖2 表示的是盾構右線完成下穿后的沉降數值與盾構左線完成下穿后的沉降數值的對比。由圖可知，由于左右線盾構隧道的線間距約為20m，所以，當左線盾構隧道施工完成后，高鐵隧道整體沉降的數值和范圍較右線完成下穿后都有一定程度的增加。從圖中可以看出，17#~31#段的高鐵隧道位于左線盾構下穿的正上方，開挖前后沉降量變化比較大。隧道整體最大沉降值位置位于左右線盾構隧道的上方，沉降最大值為1.72mm。

圖2 盾構開挖過程中沉降變化圖

4.3 基于時間動態下的隧道沉降變形特征分析

盾構開挖引起的隧道整體沉降本質上是盾構施工引起的土體損失累積造成的，為了研究盾構施工過程中隧道整體沉降的動態過程，選取計算模型中瀏陽河隧道處9 號斷面作為目標面，繪制9 號斷面測點2（LYH9-2）處沉降與開挖面推進過程中的動態關系曲線如圖3 所示。

圖3 盾構開挖過程中高鐵隧道整體沉降變化圖

由圖3 可以看出，在開挖面到達目標面之前一定距離內，目標面處地表已經發生沉降了，隨著開挖面接近—通過—遠離目標面，在通過的過程中隧道整體沉降急劇增大。變化最劇烈的時候正是盾構右線下穿高鐵隧道的時候，右線下穿完成后的沉降值為1.27mm，占最終沉降變形的70%。

4.4 模型計算與實測數據對比分析與討論

基于三維有限元模擬方法，對本文涉及的區間盾構施工引起的高鐵隧道沉降進行計算，將計算結果與現場實測最終沉降值結果進行對比。圖4 為盾構過程中9#斷面測點2 的沉降值的變化曲線對比圖，由圖可知：（1）盾構施工和同步注漿及二次注漿對土體的擾動帶來了隧道結構的變形。右線先行隧道盾構掘進到靠近既有隧道時，既有隧道整體開始出現沉降，并且在下穿過程中沉降量急劇增大。先行隧道下穿完成后，模型計算沉降量最大達到1.27mm，現場實測為1.33mm。（2）左線盾構隧道下穿過程中，既有隧道整體沉降量持續增大，但增長速率較右線盾構下穿時要小很多。當左線盾構隧道完成下穿后，模型計算隧道整體沉降量達到最大，為1.72mm，現場實測最大沉降量為1.91mm。

圖5 為盾構開挖完成后隧道整體沉降變化曲線對比圖，由圖可知，模型計算曲線與現場實測曲線均在9#斷面即既有隧道中間變形縫附近產生最大沉降值。

二者擬合曲線趨勢基本吻合，2 種方法所得的高鐵隧道沉降曲線都能反映沉降變化特性。因此，計算模型提供的隧道沉降數據能夠使用于本項目。

圖4 盾構開挖過程中沉降曲線變化圖

圖5 盾構開挖過完成后隧道整體沉降曲線變化圖

5 結論與建議

本文結合實際工程，利用Midas/GTS NX 對盾構施工近距離下穿高鐵隧道進行全過程仿真分析模擬，得出以下主要結論：

1）由盾構施工全過程既有隧道的沉降位移圖可以看出，在先行隧道盾構下穿既有隧道時，其位移增長速率最快；開挖完成以后，隧道的最大豎向位移達到-1.72mm。現場實測盾構開挖完成后既有隧道的最大豎向位移值為-1.91mm，均未超過-2mm，滿足高鐵運營維護要求，可保證高鐵隧道結構及運營安全。同時，計算模型和監控實測值相差不超過0.2mm，驗證了Midas/GTS NX 有限元模型在盾構隧道下穿既有構筑物施工過程中的正確性與合理性。

2）隧道整體沉降本質上是盾構施工引起的土體缺失累積造成的，在右線先行盾構隧道下穿完成后，既有隧道沉降值達到最終沉降值的70%。左線盾構隧道開挖過程中，沉降繼續發展，但沉降量在盾構下穿后變化較小。可見，施工期間尤其是在先行隧道盾構下穿正上方既有隧道的過程中，最容易出現沉降速率快，從而導致沉降超標的情況，此時，應加強對既有隧道的監測，若出現沉降速率過快的情況，應盡快采取注漿等加固措施，保證隧道結構和高鐵運營安全。