地鐵交叉隧道盾構施工的三維有限元分析

□文/周印堂 王達麟

地鐵交叉隧道盾構施工的三維有限元分析

□文/周印堂 王達麟

某新建地鐵隧道工程近距離垂直上穿既有地鐵隧道，采用有限元軟件M i das/G TS模擬了新建雙線盾構隧道施工對上部地表和下部既有隧道變形的影響。計算結(jié)果給出了新建盾構隧道近距離垂直上穿既有雙線地鐵隧道時的位移變化規(guī)律。

交叉隧道；盾構施工；變形；有限元；三維；地鐵

隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，地鐵建設項目的數(shù)量、規(guī)模及對地下空間開發(fā)利用的需求不斷加大，而受某些特定因素的限制，在同一區(qū)域內(nèi)地鐵隧道相互穿越的的情況逐漸增多[1]。其中某些新建隧道與既有隧道交叉段距離較近，對既有隧道安全構成較大的威脅，同時也增加了新建隧道的施工難度[2～3]。大量的地鐵隧道工程實踐表明，隧道施工勢必會引起地層變形[4]。對于交叉隧道來說，新建隧道的開挖是發(fā)生在既有隧道施工后的，等于對土體進行了二次擾動，引起復雜的應力重分布，這就對新建隧道提出了更高的設計和施工質(zhì)量要求[5]。

針對交叉隧道開挖對既有線隧道影響的問題，國內(nèi)外學者開展的研究較少。之前開展的研究大多是針對平行隧道以及上下重疊隧道，取得了較大成果[6～8]。本文運用Midas/GTS有限元軟件，對天津地鐵4號線隧道開挖對下部天津地鐵3號線交叉區(qū)間隧道影響進行三維模擬，模擬隧道開挖過程，研究4號線隧道開挖施工過程中上部地表和下部3號線隧道的力學規(guī)律。

1 工程概況

1.1 工程背景

天津地鐵4號線盾構區(qū)間在CK22+850.0處上穿既有3號線盾構區(qū)間結(jié)構，隧道頂部距離3號線區(qū)間結(jié)構豎向凈距約1.2 m，兩地鐵線交角約為87°。新老隧道的外徑均為6.2 m，管片厚度均為350 mm。新建4號線隧道左、右線凈距10.8 m，交叉段4號線隧道埋深5.1 m。既有地鐵3號線隧道左右線凈距8.8 m，交叉段3號線隧道埋深12.5 m。交叉段上部地面為大沽北路。3號線與4號線隧道交叉段的位置關系見圖1-圖2。

圖1 隧道結(jié)構平面

圖2 交叉隧道立面關系

1.2 工程地質(zhì)條件

隧道交叉段所處地層的地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學指標

2 有限元計算模型

采用巖土與隧道領域?qū)Ｓ梅治鲕浖﨧idas/GTS，根據(jù)工程實際情況，建立有限元計算模型，根據(jù)其破裂面的影響范圍，沿地鐵4號線隧道方向取57 m，沿地鐵3號線隧道方向取51 m，上下高度取50 m。模型共51 785個單元。

2.1 本構關系的選擇

土體選用Mohr-Coulomb屈服準則，該準則能反映土體的抗壓強度不同的S-D效應（Strength Difference Effect）與對靜水壓力的敏感性，而且簡單實用，土體參數(shù)c、φ值可以通過各種不同的常規(guī)試驗測定。因此，較其他準則具有較好的可比性，在工程實踐中有著重要的作用和地位，得到了廣泛的應用[9]。隧道盾構管片采用板單元模擬。管片采用C50混凝土，其材料物理力學指標見表2。

表2 結(jié)構物理力學指標

3.2 計算模型和步驟

有限元計算模型見圖3和圖4。土體和隧道結(jié)構選用四節(jié)點三維實體單元，首先建立初始自重應力場，計算模型中第一階段為開挖的初始階段，計算出土體在自重的作用下的位移場和應力場，通過Midas/GTS的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移并構造初始應力場。模型側(cè)面和地面為位移邊界，側(cè)面限制水平位移，地面限制豎向位移，上表面取自由邊界。

對計算模型進行隧道開挖模擬時，首先對左線隧道進行開挖，然后對右線隧道進行開挖，開挖每完成一步后施加一次隧道管片。土體開挖和管片施作通過鈍化和激活單元實現(xiàn)。

圖3 有限元計算模型

圖4 隧道交叉模型

4 計算結(jié)果分析

通過對隧道開挖過程的有限元分析，研究地鐵4號線隧道開挖施工過程中地表和地鐵3號線隧道區(qū)間的變形及應力變化，評價地鐵3號線的正常運營及結(jié)構安全。

4.1 地表土體位移分析

左線和右線隧道開挖完成后，地表土體的位移見圖5。從計算結(jié)果可以得出，在4號線隧道開挖過程中，地表沿隧道開挖方向發(fā)生沉降，形成一個沉降槽。右線開挖完成后的沉降值大于左線開挖完成后的沉降值。左線隧道開挖完成時，位移最大值出現(xiàn)在左線盾構區(qū)間大約40 m位置對應的地表部位，最大沉降量為3.18 cm；右線隧道開挖完成時，位移最大值同樣出現(xiàn)在右線盾構區(qū)間大約40 m位置對應的地表部位，最大位移值為3.41 cm。

圖6為左、右線盾構完成后沿既有地鐵3號線隧道軸向地表沉降曲線。由圖6可以看出，沉降槽呈“W”形，沉降量隨著距盾構區(qū)間的距離變化而變化，其距離越近，沉降量越大。

圖7為左、右線盾構完成后沿盾構方向地表沉降曲線。由圖7可以看出，左線和右線盾構完成后，其盾構區(qū)間上部地表沉降趨勢是一致的，均為在盾構推進前40 m范圍內(nèi)，地表沉降變化較大，盾構推進至40 m斷面處時，地表最大沉降分別為3.13 cm（左線）和3.38 cm（右線）。當盾構推進超過40 m時，沉降變化率減?。ㄗ兓史謩e為1.6%和1%），接近平穩(wěn)。但右線盾構時右線區(qū)間上部地表的沉降量比左線盾構時左線區(qū)間上部地表的沉降量略大。分析其原因，是因為左線開始盾構時，土體為原狀土，之前受擾動較少；而右線開始盾構時，周圍土體已經(jīng)受到左線盾構時的擾動，右線盾構對土體進行二次擾動，故其沉降量略大。

圖5 地表豎向位移

圖6 左、右線盾構完成后地表豎向位移(沿3號線軸向)

圖7 左、右線盾構推進時地表豎向位移(沿4號線軸向)

4.2 既有3號線位移分析

4號線左線和右線隧道開挖后時，既有3號線管片豎向位移見圖8。從計算結(jié)果可以看出，由于上部4號線的盾構開挖，引起土體卸荷，導致3號線左右線整體出現(xiàn)上浮。4號線左線盾構完成時，3號線最大的上浮量為3.52 mm，位置在3號線與4號線左線交叉部位3號線管片上部；4號線右線盾構完成時，3號線最大上浮量為3.96 mm，位置在3號線與4號線右線交叉部位3號線管片上部。

圖8 既有3號線豎向位移

圖9為4號線左線盾構推進時3號線左右線頂部的豎向位移變化曲線。由圖9可以看出，3號線左線的最大上浮量為3.63 mm，發(fā)生在4號線盾構推進到大約30 m附近位置，此時掌子面位于3號線左線與4號線左線的交叉位置。而3號線右線的最大上浮量為3.543 mm，發(fā)生在4號線盾構推進到大約45 m附近位置，此時掌子面位于3號線右線與4號線左線的交叉位置。

對于其影響范圍，對于3號線左線，在盾構推進前15 m范圍內(nèi)，3號線左線的豎向位移很小，均＜0.1 mm；在掌子面過了15 m位置之后，3號線左線的上浮量開始呈線性增長，直到30 m附近位置上浮量達到最大，然后在40 m位置稍微衰減，最后保持平衡。當4號線左線掌子面距3號線左線中線大約為8～13 m時開始對3號線左線的變形真正產(chǎn)生影響。同理，對于3號線右線，在盾構推進前30 m范圍內(nèi)，3號線右線的豎向位移很小；在掌子面過了30 m位置之后，3號線右線的上浮量開始呈線性增長，直到45 m附近位置上浮量達到最大，然后開始衰減并保持平衡。可以看出4號線左線盾構施工對3號線左、右線的影響范圍是一致的。由此可判斷，當4號線左線掌子面與3號線左、右線中線相距≤8～13 m（約1.5～2倍洞徑）時，3號線的上浮量開始呈線性增長，可以視為4號線施工對既有3號線開始產(chǎn)生真正的影響。

圖9 4號線左線盾構推進時3號線左、右線頂部豎向位移變化曲線

圖10為4號線右線盾構推進時3號線左右線頂部的豎向位移變化曲線。由圖10可以看出，3號線左、右線的最大上浮量分別為3.98、3.83 mm，較左線開挖時左、右線的最大上浮量分別增長了9.6%、8.1%。3號線左線的最大上浮量出現(xiàn)在盾構推進到30 m附近位置，3號線右線的最大上浮量出現(xiàn)在盾構推進到45 m附近位置且左、右線豎向位移的變化趨勢與左線推進時的變化趨勢較為一致，進一步印證了前述相關結(jié)論。

圖10 4號線右線盾構推進時3號線左、右線頂部豎向位移變化曲線

5 結(jié)論

1）新建地鐵4號線隧道推進時會造成上部地表出現(xiàn)沿隧道盾構方向向周圍擴散的沉降槽且左、右線均開挖完之后右線上部地表的沉降大于左線上部地表的沉降。

2）新建地鐵4號線隧道推進時會造成下部既有地鐵3號線結(jié)構出現(xiàn)上浮，當掌子面位于與既有隧道（包括左線和右線）交叉部位時，既有隧道的上浮量達到最大。

3）近距離交叉隧道開挖存在空間效應。隨著新建隧道的盾構開挖，其對既有隧道的影響由小變大，當4號線盾構施工掌子面與既有3號線左、右線交叉點水平距離≤1.5～2倍洞徑時，3號線的位移開始呈線性增長。建議當盾構隧道掌子面距離交叉點3倍洞徑時，做好既有線隧道的監(jiān)控量測工作。

[1]趙樂之,喬 磊.新建隧道與既有隧道交叉段施工方案研究[J].建筑結(jié)構，2012,（S1）：896-898.

[2]劉輝喜,劉明高,黃始南，等.交叉隧道近接施工安全的數(shù)值分析研究[J].中外公路,2011,31(3)：221-224.

[3]劉洪洲,孫 鈞,蔣樹屏.交疊隧道盾構法施工引起地面沉降三維數(shù)值模擬[A].海峽兩岸巖土工程/地工技術交流研討會[C].2002.

[4]包德勇.近距離交疊隧道施工影響的數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學報,2011,7（1）：127-132.

[5]何 川,蘇宗賢,曾東洋.盾構隧道施工對已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響研究[J].巖石力學與工程學報,2007,（10）：2063-2069.

[6]Soliman E,Duddeck H,Aherns H.Two and three-dimensional analysis of closely spaced doubled-tube tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology,1993,8（1）：13-18.

[7]曾小清,張慶賀,曹志遠.地鐵工程雙線盾構平行推進的相互作用[J].同濟大學學報,1997,25（4）：386-389.

[8]陳先國,高 波.重疊隧道的施工力學研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22（4）：606-610.

[9]張學言,閆澍旺.巖土塑性力學基礎[M].天津：天津大學出版社,2004.

□王達麟/鐵道第三勘察設計院集團有限公司。

U452

C

1008-3197（2015）06-44-04

10.3969/j.issn.1008-3197.2015.06.015

2015-04-07

周印堂/男，1975年出生，高級工程師，天津市地下鐵道集團有限公司，從事工程技術管理工作。