地鐵隧道施工對既有高鐵隧道的影響數值模擬分析

王學廣 龍明華

(1 中國華西工程設計建設有限公司廣州分公司；2 中國中鐵五局集團第一工程有限責任公司）

1 工程概況

某地鐵停車場出入線隧道為左右單洞單線圓形隧道，最大直徑6.2m，TBM 掘進施工。既有高鐵隧道為單洞雙線隧道，隧道結構寬14.22m，高12.08m，拱墻初支25cm 厚C25 噴射混凝土，二襯45cm 厚C35 防水鋼筋混凝土。兩隧道均處于Ⅳ級圍巖，高鐵隧道礦山法施工。地鐵隧道下穿高鐵隧道，兩隧道豎向最小凈距約8.7m，兩隧道夾角約54°。先掘進右線，右線TBM 通過后及時進行二次補充注漿，待沉降穩定后再進行左線隧道掘進下穿施工。

2 模型建立及模擬施工方法

2.1 數值模擬方法介紹

地鐵出入線隧道下穿高鐵隧道的數值模擬分析采用三維有限差分軟件進行計算。

2.2 模型建立

2.2.1 模型尺寸及邊界條件

根據地質報告、圖紙等資料，按照現場真實地形、高鐵位置及地鐵情況，建立三維有限差分模型。模型x 方向為地鐵線路垂直方向，y 方向為地鐵線路方向，z 方向為豎直方向。在模型的四個側面及底面設置為固定邊界條件。建立的模型長×寬×高分別為200m×120m×(100～150)m，其中地鐵及高鐵隧道附近網格局部加密，模型見圖1。模型共有節點23 萬余個，單元22 萬余個。

圖1 模型整體示意圖

2.2.2 模型計算參數選取

模型中巖土體單元采用摩爾庫倫模型（Model Mohr），巖土體的物理力學參數依據巖土勘察報告中提供的土體與巖體物理力學指標建議值進行設置，模型中的參數如表1 所示。為安全計，本模型將花崗巖統一考慮為Ⅳ級圍巖。

表1 模型參數

2.3 模擬施工方法

計算得到地鐵開挖前模型的應力狀態后，采用null 本構關系對地鐵進行開挖。每次開挖1.5m，開挖的同時生成管片支護隧道圍巖。

3 地鐵施工過程數值模擬分析

3.1 地鐵開挖過程中應力特征分析

右線施工過程中高鐵隧道應力特征：

對比分析地鐵與高鐵隧道交點位置在右線地鐵開挖前后的應力，見圖2～圖10。由圖2、圖3 可知，于地鐵交點處高鐵隧道x 方向的最大應力為1.68MPa，地鐵開挖后變為1.66MPa，減小0.02MPa，變化約1%。

圖2 地鐵開挖前高鐵隧道x 方向應力云圖

圖3 地鐵開挖后高鐵隧道x 方向應力云圖

圖4 地鐵開挖前高鐵隧道y 方向應力云圖

圖5 地鐵開挖后高鐵隧道y 方向應力云圖

圖6 地鐵開挖前高鐵隧道z 方向應力云圖

圖7 地鐵開挖后高鐵隧道z 方向應力云圖

圖8 地鐵右線開挖后地鐵x 方向應力云圖

圖9 地鐵右線開挖后地鐵y 方向應力云圖

由圖4、圖5 可知，于地鐵交點處高鐵隧道y 方向的最大應力為2.68MPa，地鐵開挖后變為2.66MPa，減小約0.01MPa，變化小于0.5%。

由圖6、圖7 可知，于地鐵交點處高鐵隧道z 方向的最大應力為7.87MPa，地鐵開挖后變為7.83MPa，減小約0.04MPa，變化約為0.5%。

由圖2～圖7 可知，高鐵隧道襯砌的應力有變化，變化幅度基本在1%以內，甚至小于0.01%，表明地鐵開挖對高鐵隧道的應力影響小。

地鐵開挖過程中，地鐵位置應力重分布，起拱線附近z 方向應力增大約2 倍，局部位置應力達到10MPa，拱頂底x 方向應力約為1～2MPa，地鐵襯砌局部位置出現拉應力，處于在抗拉強度以內，發生明顯應力變化的范圍在5m 以內。

地鐵左線隧道與右線隧道距高鐵隧道距離相差不多，左右兩線隧道圍巖的應力特征相近，本文不在贅述。

3.2 地鐵開挖過程中變形特征分析

右線施工過程中變形特征：

右線施工過程中，交點處橫斷面的高鐵隧道變形云圖見圖11～圖16。由圖11 可知，橫斷面x 方向上的位移值小，最大值為拱底的0.01mm，頂部的沉降小于0.005mm，變形值較小。

圖11 地鐵右線開挖后高鐵隧道x 方向位移云圖

圖12 地鐵右線開挖后高鐵隧道y 方向位移云圖

圖13 地鐵右線開挖后高鐵隧道z 方向位移云圖

圖14 地鐵右線開挖后地鐵x 方向位移云圖

圖15 地鐵右線開挖后地鐵y 方向位移云圖

圖16 地鐵右線開挖后地鐵z 方向位移云圖

由圖12 可知，高鐵隧道橫斷面y 方向上的位移值小，最大值為拱底的0.05mm，頂部的位移小于0.003mm。

由圖13 可知，高鐵隧道橫斷面z 方向上的位移值相對大，最大值為拱底的1mm，頂部的位移小于0.1mm。

地鐵開挖過程中，地鐵圍巖產生變形，z 方向的變形最大，最大下沉量為1.8mm，最大隆起量為1.8mm，最大橫向變形為1mm，最大縱向變形為0.6mm。

地鐵左線隧道與右線隧道距高鐵隧道距離相差不多，左右兩線隧道變形特征相近，本文不在贅述。

4 結論

通過建立地鐵隧道及高鐵隧道模型，依據現有的設計方案，對地鐵施工過程進行模擬，分析地鐵、高鐵的應力和變形特征，得出結論如下：

⑴天然狀態下，地鐵位置的豎向應力范圍為1.26～2.27MPa，沿開挖方向的應力為0.3～0.6MPa，垂直開挖方向的應力為0.3～0.5MPa，埋深不同，應力不同。

⑵地鐵開挖過程中，地鐵位置應力重分布，起拱線附近z 方向應力增大約2 倍，局部位置應力達到10MPa，拱頂底x 方向應力約為1～2MPa，地鐵襯砌局部位置出現拉應力，處于在抗拉強度以內，發生明顯應力變化的范圍在5m 以內。左右兩線隧道圍巖的應力特征相近。

⑶地鐵開挖過程中，地鐵圍巖產生變形，z 方向的變形最大，最大下沉量為1.8mm，最大隆起量為1.8mm，最大橫向變形為1mm，最大縱向變形為0.6mm。

⑷地鐵開挖過程中，高鐵隧道襯砌的應力有變化，變化幅度基本在1%以內，甚至小于0.01%，表明地鐵開挖對高鐵隧道的應力影響小。

⑸地鐵開挖過程中，高鐵隧道襯砌及圍巖最大變形量為0.2mm，表明地鐵開挖對高鐵隧道的變形影響小。