小凈距交疊隧道施工的力學效應模擬研究

呂童

（廣州科技職業技術大學）

1 引言

21世紀以來，我國軌道交通迅猛發展，大量的軌道交通線路相繼建設施工。隨著城市快速軌道交通網絡的完善，相繼出現了大量的線路交叉、換乘和區間隧道的近距離穿越問題[1-3]。在此背景下，采取有效工程措施減弱新建工程對臨近軌道交通結構的不利影響，確保軌道交通結構在外部作業施工及運營期間的安全成為重點解決的技術問題。文章以穗莞深城際鐵路隧道下穿深圳15號線地鐵隧道為例，模擬分析了穗莞深城際鐵路下穿15號線地鐵隧道的情況，及其對地鐵15號線區間隧道造成的內力和變形影響，以期為小凈距隧道施工研究提供參考依據。

2 工程概況

穗莞深城際鐵路隧道工程在里程YDK19+230～YDK19+250范圍內下穿在建深圳地鐵15號線，城際左線與地鐵隧道交角約為72°，城際右線與地鐵隧道交角約為73°，深圳地鐵15號線隧道埋深22m，穗莞深城際鐵路左右線隧道埋深分別為49.84m、47.17m，穗莞深隧洞與地鐵區間隧道最小結構凈距約16.71m。地鐵15號線盾構隧道洞身位于全強風化花崗巖地層，穗莞深城際鐵路隧道洞身位于中微風化層花崗巖地層。穗莞深城際鐵路隧道穿越地鐵15號線位置如圖1所示。

圖1 穗莞深隧道穿越地鐵15號線相對位置關系圖

3 數值模擬計算

采用有限差分軟件FLAC3d對隧道進行施工。考慮模型單元尺寸和數量對計算時間和結果精度的影響，建立城際鐵路隧道施工下穿地鐵區間隧道結構模型，按實際施工順序模擬隧道施工。城際鐵路隧道模型沿地鐵區間隧道結構方向100m建立三維模型。模型以地鐵區間隧道結構縱向為X軸，城際鐵路隧道縱向為Y軸、豎直方向為Z軸；X軸取100m、Y軸取200m、Z軸取100m，建立三維模型網格劃分效果圖（見圖2），模型共有488793個單元。

圖2 模型透視圖

4 計算結果分析

4.1 地鐵區間隧道結構變形分析

通過模擬計算可得：在穗莞深城際隧道開挖過程中，15號線地鐵區間隧道結構變形位移，最大位移見圖3。

圖3 交疊隧道盾構施工引起的地鐵區間隧道結構變形

由圖3可以看出：在穗莞深城際鐵路隧道下穿地鐵15號線隧道的施工過程中，導致15號線隧道結構及軌道發生變形。在隧道開挖過程中，地鐵區間隧道結構及軌道的豎向變形（沉降）增加，并隨著穗莞深城際鐵路隧道的開挖遠離逐漸收斂，隧道結構最大沉降值為-1.275mm；最大水平位移為0.359mm；最大差異沉降值為0.0127%Ls。同時，15號線隧道在盾構施工中發生的x、y、z三向位移增量變化具有一致性。較大位移變形發生在工序3、工序4、工序7、工序8進行時，盾構施工穿越地鐵隧道引起最大位移變形。

由圖4-5可知：在穗莞深隧道下穿既有地鐵隧道過程中，既有隧道結構沉降呈單峰漏斗狀[4-6]，產生最大位移的位置在穗莞深城際鐵路隧道正上方，該位置是既有隧道結構的沉降峰值發生處。地鐵隧道襯砌的總變形量為穗莞深左右線單孔隧道施工引起地鐵隧道襯砌變形的疊加變形。在穗莞深左線隧道穿越15號線地鐵后，地鐵隧道沉降變形穩定在0.8mm左右，而穗莞深有限隧道穿越15號線地鐵后，地鐵隧道沉降總沉降變形穩定在1.2mm左右。由此可知，地層初始平衡后隧道的開挖往往對圍巖內應力調整影響較大，后續開挖往往在之前應力調整的基礎上進行非線性疊加。其原因是穗莞深隧道左右線單孔隧道的間距小，在穿越地鐵隧道后，地鐵隧道的變形引發了“群樁效應”。由于在隧道左右線開挖過程中，隧道周邊圍巖發生相應應力調整，應力調整的外在表現便是圍巖及結構的變形調整。與此同時，右線隧道開挖時，由于施工進度原因，左線隧道開挖后的應力調整未完全達到新的應力平衡，也會導致左右線隧道開挖后位移變形呈非線性疊加。

圖4 穗莞深左線隧道施工完成后地鐵隧道豎向最大變形云圖

圖5 穗莞深右線隧道施工完成后地鐵隧道豎向最大變形云圖

4.2 地鐵區間隧道結構應力分析

下穿隧道的施工會引起附近地層的應力調整，上跨的地鐵交疊隧道的變形主要是由于下穿隧道施工引起地層應力調整的結果，因此要判定在下穿隧道施工期間何時對交疊隧道影響最大，需要監測施工期間地鐵隧道結構內力變化（見圖6）。

圖6 交疊隧道盾構施工引起的地鐵區間隧道結構內力變化

通過對既有隧道結構中的水平（xx）應力、豎直（zz）應力分析，可以看出在開挖至地鐵隧道下方時，隧道襯砌內發生較大的應力調整。此時隧道開挖容易對現有隧道結構產生較大的拉裂破壞。因此，隧道掘進至地鐵隧道下方時，應對地鐵線路軌道進行監測，實時掌握結構的動態變化，并滿足信息化施工要求。根據監測資料的分析，判斷結構變形，對運營安全進行預警。同時，在隧道掘進后，應加強隧道交疊處的支護，確保地鐵運營安全。

5 結語

論文以穗莞深城際鐵路隧道下穿15號線地鐵隧道為研究對象，對交疊隧道施工過程進行了數值模擬與結果分析，研究了既有地鐵區間隧道結構在穗莞深城際鐵路隧道下穿施工全過程中所受到的影響，得出相關指標數值并開展綜合分析，形成以下的結論：

①15號線隧道在盾構開挖施工中發生的x、y、z三向位移增量變化具有一致性。在穗莞深隧道下穿既有地鐵隧道過程中，既有隧道結構沉降呈現單峰漏斗狀，其產生最大位移的位置在穗莞深城際鐵路隧道正上方，該位置是既有隧道結構的沉降峰值發生處。

②施工掘進至隧道交叉段時，應加強對地鐵隧道襯砌結構的監測并嚴格按照預警、報警、控制進行三級部署，施工過程中若變形達到報警值時，應采取措施并調整施工方案，加強實時監測力度，避免位移繼續發展，確保地鐵運營安全。