某山嶺隧道疊交上穿施工及運營對既有地鐵區間隧道影響分析

張旭東

(1.河北省公路安全感知與監測重點試驗室 石家莊市 050000； 2.河北交規院瑞志交通技術咨詢有限公司 石家莊市 050000)

0 引言

受地理條件及地下空間資源所限，越來越多的隧道線路不得不近距離穿越既有的地下結構，在此類工程的修建和運營過程中，尤其是疊交上穿既有隧道的施工，由于近接影響面積較大，嚴重威脅既有交通線路及人員的安全。

對于該類工程，諸多專家學者已經做出較多研究，賀美德[1]結合地下過街通道上穿地鐵區間隧道實際工程，對淺埋暗挖隧道上穿既有盾構隧道的變形規律及受力情況進行了研究，并提出了相應的變形控制措施；張玥等[2]對某小凈距隧道平行上穿既有隧道進行了數值模擬，對施工過程中既有隧道的變形及內力進行了分析，研究了上下短臺階法施工的可行性；屈文彬[3]基于實際工程并采用FLAC3D軟件，對新建電力隧道正交上穿施工過程中既有隧道的變形進行了研究。

基于上述研究分析可知，對于新建隧道上穿既有隧道施工的研究多局限于施工期的研究，且對非平行上穿的隧道施工研究較少。因此，采用Midas/GTS軟件，針對依托工程的施工及運營兩階段，對既有隧道的變形規律進行分析，對該工程的安全性進行評估。

1 工程概況及模型建立

1.1 工程概況

依托工程既有地鐵區間隧道與擬建隧道部分重疊和斜交，兩者重疊區長度約200 m，最小豎向凈距約13.72 m，依托工程地質情況如圖1所示。

1.2 數值計算模型

依托實際工程建立精細化三維數值計算模型如圖2所示，結合地形確定模型平面尺寸為145m×280m，豎向高度75.7～145m，從上往下依次為：素填土，強風化石英砂巖，中風化石英砂巖，微風化石英砂巖。模型中巖土體采用3D實體單元，土層均視為彈塑性體，材料的破壞準則采用莫爾-庫侖準則，地鐵區間隧道與擬建隧道襯砌均采用2D板單元模擬，截面參數與實際相同。

1.3 計算工況設計

(1)第一工況：初始應力場分析。該工況為地鐵及擬建隧道施工前場地應力分析，考慮土體自重及位移邊界，形成耦合應力場，并對網格進行位移清零。

(2)第二工況：既有地鐵區間隧道施工。該工況進行了既有線的開挖與施做回填，并對網格進行位移清零。

(3)第三工況：新建隧道施工分析。本步驟為分部開挖，采用CRD法開挖，每一臺階領先下一臺階兩個施工步，當后步施工支護完成后拆掉中隔壁及臨時仰拱。

圖1 隧道地質縱斷面圖

圖2 數值計算模型

(4)第四工況：隧道運營分析。此時在新建隧道底板將人員荷載、車輛荷載及結構荷載以均布力的形式施加，查看隧道運營期對既有地鐵區間隧道的影響。

2 計算結果分析

2.1 施工階段既有隧道位移影響分析

評價隧道施工對地鐵隧道的影響的主要指標為結構的位移，也最能反應隧道項目施工對地鐵結構的影響程度。模型計算可以直觀地讀取地鐵結構的位移值，從而從定量的角度評判地鐵結構的安全性。由于在工況二中將位移清零，因此在工況三中地鐵結構造成的位移即影響位移，既有地鐵區間隧道的XYZ三向位移如圖3所示。

圖3 施工階段既有隧道結構位移云圖

通過對圖3進行分析可知，由于新建隧道的開挖引起2號線上浮4.05mm，水平最大位移1.84 mm，滿足地鐵集團關于安保區內工程變形控制指標[4]的規定10 mm的要求，滿足廣東省標準《城市軌道交通既有結構保護技術規范》中既有結構安全控制值水平、豎向位移值15 mm的規定要求，滿足中華人民共和國行業標準《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[5](CJJ/T 202—2013)中安全控制指標值的車站及隧道結構水平、豎向位移控制值小于20mm的規定要求；對比水平方向位移，豎向位移較為明顯，為地鐵結構的主要位移，因此此類工程施工期間需要對既有隧道的豎向位移加強監控測量，以保證施工的安全問題。

2.2 運營階段既有隧道位移影響分析

運營階段既有地鐵區間隧道的位移變化情況如圖4所示。

圖4 運營階段既有隧道結構位移云圖

通過對圖4進行分析可知，由于新建隧道運營后將引起既有隧道上浮3.74mm，水平最大位移0.64 mm，仍滿足相關要求；對比水平方向位移，既有地鐵區間隧道結構的主要位移仍然為豎向位移。且較施工階段有所減小，這主要由于上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開挖卸荷所造成的結構影響。

2.3 既有隧道位移影響進一步分析

根據以上分析可知，豎向位移為重點分析指標，且影響主要集中在施工階段，現提取各計算步既有隧道豎向位移值，并繪制既有隧道的豎向位移時程曲線如圖5所示。

圖5 豎向位移時程曲線

通過對圖5進行分析可知，從第五開挖步開始，即新建隧道下臺階開始開挖時，對既有隧道開始產生影響，第36步之后即擬建項目拐出既有隧道上方時，影響基本消除，因此在新建隧道疊交上穿既有地鐵區間隧道施工時，從下臺階開始施工到新建隧道遠離與既有隧道的疊交影響區域，均需嚴格控制爆破方式，對既有隧道的豎向位移加強監測，并及時反饋指導施工，并在遠離疊交區域后可適當地放寬施工控制以在安全范圍內提高施工速度。

3 結論

(1)新建隧道的開挖對既有隧道位移影響以豎向位移為主，上浮4.05mm，水平位移最大值為1.85mm，均滿足相關控制標準。

(2)新建隧道運營期對既有隧道的位移影響仍以豎向位移為主，上浮3.74mm，水平位移最大值為0.64 mm，均滿足相關要求，且較施工階段有所減小，這主要由于上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開挖卸荷所造成的結構影響所致。

(3)新建隧道疊交上穿既有地鐵區間隧道施工時，從下臺階開始施工到新建隧道遠離與既有隧道的疊交影響區域，均對既有隧道結構的位移產生影響，需要對新建隧道施工加強控制，并對既有隧道的豎向位移加強監測，及時反饋指導施工，保證施工安全。