公路隧道下穿地鐵區(qū)間隧道位移分析

陳赤，陳習(xí)

(1重慶市萬州區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶404000；2中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400015)

公路隧道下穿地鐵區(qū)間隧道位移分析

陳赤1，陳習(xí)2

(1重慶市萬州區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶404000；2中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶400015)

公路隧道斷面尺寸一般較大，其施工過程對上部已運營地鐵區(qū)間隧道變形將產(chǎn)生一定的影響，該文結(jié)合重慶市某公路隧道下穿地鐵區(qū)間隧道的工程實例，運用三維有限元數(shù)值分析方法，分析了不同施工步序?qū)σ堰\營地鐵區(qū)間隧道變形的影響，為工程的實施提供咨詢意見，對普遍性的地下隧道下穿地鐵區(qū)間隧道工程具有一定的指導(dǎo)意義。該文從地鐵區(qū)間隧道尚未實施狀態(tài)作為起始步序，平頂山隧道二襯施工完成作為終止步序，實現(xiàn)了動態(tài)施工全過程的模擬。

公路隧道；地鐵區(qū)間隧道；位移；三維有限元；施工工況

0 引言

為了緩解城市交通壓力，我國各大城市交通規(guī)劃建設(shè)更加注重地下空間的利用，發(fā)展城市地鐵和地下公路隧道等地下交通是改善城市交通壓力，確保城市可持續(xù)發(fā)展的必由之路[1]。城市地鐵和地下公路等均為地下隧道結(jié)構(gòu)，隨著城市地下空間的不斷開發(fā)利用，地鐵與地鐵之間、公路與公路隧道之間、地鐵與公路隧道之間位置關(guān)系將更加復(fù)雜，地下結(jié)構(gòu)在地應(yīng)力場的作用下，相互之間的影響將更為突出。汲廣坤[2]等對下穿地鐵隧道的施工技術(shù)進行了研究；袁竹等[3]結(jié)合工程實例，對小龍坎隧道受下穿區(qū)間隧道近接施工進行了研究；張亮亮等[4]對盾構(gòu)下穿地鐵區(qū)間隧道受力進行了分析；豐土根等[5]對上下穿隧道位移影響進行了分析。目前專門針對下穿地鐵區(qū)間隧道位移研究較少，本文結(jié)合重慶市某公路隧道下穿地鐵區(qū)間隧道的工程實例，運用三維有限元數(shù)值分析的方法，分析不同施工步序?qū)σ堰\營地鐵區(qū)間隧道位移變形的影響，為工程的實施提供咨詢意見，對普遍性的地下隧道下穿地鐵區(qū)間隧道工程具有一定的指導(dǎo)意義。

圖1 區(qū)間隧道平面圖

1 工程背景

1.1 工程概況

平頂山隧道工程位于重慶市沙坪壩區(qū)，為左右線分離隧道，單洞為三車道，隧道開挖寬度為16m，開挖高度為11m，重慶地鐵九號線小龍坎-土灣段為鉆爆法單洞單線區(qū)間隧道，開挖寬度為7.4m，開挖高度為7.2m。

平頂山隧道下穿地鐵九號線區(qū)間隧道，如圖1所示。平頂山左線隧道路面與九號線區(qū)間隧道左線、右線軌面垂直距離分別為18.63m、18.37m，平頂山左線隧道拱頂與九號線區(qū)間隧道左線、右線底板垂直凈距分別為8.63m、8.38m；平頂山右線隧道路面與九號線區(qū)間隧道左線、右線軌面垂直距離分別為19.48m、19.40m，平頂山右線隧道拱頂與九號線區(qū)間隧道左線、右線底板垂直凈距分別為9.49m、9.41m。兩者最小垂直凈距約為平頂山隧道開挖斷面的1/2，與區(qū)間隧道開挖斷面大致相等。典型剖面圖如圖2所示。

圖2 剖面圖

按照重慶市軌道交通建設(shè)規(guī)劃和平頂山隧道項目建設(shè)規(guī)劃，地鐵九號線區(qū)間隧道實施完成后平頂山隧道再實施。即平頂山隧道施工過程中，地鐵九號線區(qū)間隧道已處于運營狀態(tài)，平頂山隧道的施工將會對上方已運營的地鐵隧道產(chǎn)生一定的影響，由于兩者垂直距離較近，約為平頂山隧道開挖斷面的1/ 2，平頂山隧道的實施將導(dǎo)致運營區(qū)間隧道的向下變形，運營地鐵隧道和列車軌道對區(qū)間隧道的變形較為敏感，可能對運營安全造成影響。

1.2 地質(zhì)條件

平頂山隧道工程擬建區(qū)出露巖層為河湖相沉積巖，以泥質(zhì)巖為主，水文地質(zhì)條件簡單，擬建線路范圍未發(fā)現(xiàn)滑坡、危巖、崩塌、泥石流、斷層等不良地質(zhì)現(xiàn)象。下穿地鐵區(qū)間隧道處以中風(fēng)化泥巖為主，圍巖等級為Ⅳ級，地質(zhì)勘察報告所列主要巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 隧道施工方案

已運營地鐵隧道的變形控制極為嚴(yán)格，具體位移控制標(biāo)準(zhǔn)參照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》CJJ/T202-2013[6]，安全控制指標(biāo)值如表2所示。

表2 地鐵隧道安全控制指標(biāo)值

表3 模擬施工工況

本文采用三維有限元分析方法預(yù)測平頂山隧道的實施對區(qū)間隧道沉降造成的影響，為平頂山隧道的施工提供依據(jù)，擬按三種施工工況進行模擬，如表3所示。

施工工況A二襯跟進距離較小，平頂山隧道左、右線分別施工，下穿區(qū)間隧道段施工時間最長；施工工況B二襯跟進距離較小，平頂山隧道左、右線同時施工，下穿區(qū)間隧道段施工時間可縮短，但同時施工可能導(dǎo)致區(qū)間隧道下沉變形加大；施工工況C二襯未及時跟進，左、右線同時施工，施工周期最短，施工時間可大大縮短，但由于二襯未及時跟進，區(qū)間隧道下沉變形可能較大。本文模擬的三種工況均考慮隧道為機械開挖，下穿運營軌道交通的隧道開挖一般不采用爆破施工。

3 隧道施工的三維數(shù)值模擬分析

3.1 三維數(shù)值模型

三維數(shù)值分析采用midas-gtsNX三維有限元分析軟件進行計算分析，巖層用三維實體單元進行模擬，參數(shù)取值按表1。平頂山隧道和地鐵區(qū)間隧道用二維板單元進行模擬，采用混凝土材料參數(shù)和各自隧道厚度尺寸參數(shù)。巖層材料的本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型，并將其簡化視為各向同性材料，隧道襯砌采用線彈性模型模擬[7]。

采用施工工況步序模擬實際施工過程，施工工況模擬通過有針對性地激活和鈍化有限元模型中的相應(yīng)單元組來實現(xiàn)，開挖步序的模擬鈍化相應(yīng)巖層實體單元組，施加二襯步序的模擬激活相應(yīng)隧道板單元組。從地鐵區(qū)間隧道尚未實施狀態(tài)作為起始步序，平頂山隧道二襯施工完成作為終止步序，實現(xiàn)了動態(tài)施工全過程的模擬。圖3所示為三維有限元分析實體模型。

圖3 三維實體模型

圖4 實體內(nèi)部平頂山隧道下穿區(qū)間隧道節(jié)點

按照下穿節(jié)點處現(xiàn)場實際地層情況建立地層模型，從上往下依次為填土層、砂巖層、泥巖層，模型包含軌道九號線部分區(qū)間隧道（小龍坎-土灣）、部分平頂山隧道。模型比例1∶1，整個模型尺寸為：210m（縱向）×150m（橫向）×100m（豎向）。模型邊界為X、Y方向約束，底部邊界為Z方向約束，頂部邊界為自由面。圖4所示為實體模型內(nèi)部平頂山公路隧道與地鐵區(qū)間隧道相互關(guān)系三維圖。

A、B、C三種模擬工況中間步序一致，僅平頂山隧道開挖步序不同：

A工況：左線開挖50m→左線施加二襯50m（向前再推進50m）……→右線開挖50m→右線施加二襯50m（向前再推進50m）……實施完成。

B工況：左線、右線開挖50m→左線、右線施加二襯50m（向前再推進50m）……實施完成。

C工況：左線、右線開挖完成→左線、右線施加二襯。

3.2 數(shù)值分析結(jié)果

A、B、C三種工況按3.1節(jié)所述方式進行模擬，得出不同工況下九號線區(qū)間隧道最終沉降位移數(shù)據(jù)，對每種工況下的區(qū)間隧道底板中心沉降值繪制位移曲線圖。左線區(qū)間隧道和右線區(qū)間隧道在三種工況下沉降對比圖分別如圖5、圖6所示，圖中縱坐標(biāo)為沉降位移值，橫坐標(biāo)為地鐵區(qū)間隧道里程值。位移沉降值突變的兩個位置剛好為平頂山隧道下穿地鐵區(qū)間隧道交點處。

圖5 左線區(qū)間隧道三種工況下位移對比圖

圖6 右線區(qū)間隧道三種工況下位移對比圖

地鐵左線、右線區(qū)間隧道最大位移值均發(fā)生在平頂山隧道下穿區(qū)間隧道相交位置處，該處沉降位移值發(fā)生較大突變。

地鐵左線區(qū)間隧道底板在A工況下的最大沉降位移值為-7.1mm，在B工況下的最大沉降位移值為-7.5mm，在C工況下的最大沉降位移值為-9.7mm。

地鐵右線區(qū)間隧道底板在A工況下的最大沉降位移值為-7.9mm，在B工況下的最大沉降位移值為-8.3mm，在C工況下的最大沉降位移值為-10.8mm。

三維有限元分析結(jié)果顯示，A、B工況下區(qū)間隧道沉降位移值相差較小，C工況下區(qū)間隧道沉降位移比A、B工況下增加約35%；由于地鐵右線區(qū)間隧道與平頂山隧道拱頂垂直距離更小，約減小0.8%，右線區(qū)間隧道底板沉降值比左線區(qū)間隧道底板沉降值增加約11%；A、B工況下區(qū)間隧道沉降位移值約為豎向位移預(yù)警值（10mm）的80%，C工況下區(qū)間隧道沉降位移值已達到并超過豎向位移預(yù)警值。

軌向（縱向）高差值為軌道鋼軌10m弦測量的最大矢量值，評價軌道鋼軌的平順度與區(qū)間隧道位移突變程度相關(guān)。如圖7所示，假設(shè)L=20m，圖中的fc即為該矢量值。

圖7 軌向（縱向）高差值示意圖

根據(jù)3.2節(jié)位移曲線，簡化成計算每10m距離區(qū)間隧道底板沉降位移差值，代替軌向（縱向）高差值。A工況下左線、右線每10m沉降位移差值最大分別為2.28mm、2.60mm；B工況下左線、右線每10m沉降位移差值最大分別為2.31mm、2.68mm；C工況下左線、右線每10m沉降位移差值最大分別為2.78mm、3.26mm，滿足規(guī)范控制值＜4mm的要求。

4 結(jié)論

本文基于平頂山隧道工程下穿重慶地鐵九號線區(qū)間隧道工程實例，采用三維數(shù)值有限元分析方法，分別分析了A、B、C三種工況下區(qū)間隧道的沉降位移變化，對各種工況下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板的最小沉降位移值繪制了位移曲線圖，并對曲線圖進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）公路隧道下穿地鐵區(qū)間隧道，對地鐵區(qū)間隧道的沉降位移影響較大，位移沉降值最大處為兩者下穿節(jié)點，兩者最小凈距小于公路隧道1/2開挖寬度時，隨著凈距的減小，區(qū)間隧道沉降值增大速率加快，1/2公路隧道開挖寬度為兩者凈距極限值。

（2）公路隧道施工中應(yīng)采用小進尺、快跟進的開挖方式，可減小上方區(qū)間隧道位移沉降值。從計算分析結(jié)果來看，二襯緊跟可減小區(qū)間隧道最大沉降值約26%。

（3）左右線分離式公路隧道下穿區(qū)間隧道時，兩洞分別開挖下穿區(qū)間隧道比兩洞同時開挖下穿區(qū)間隧道位移沉降值僅減小5%，兩種工況下區(qū)間隧道最終沉降位移值相差不大，從節(jié)約工期的角度出發(fā)，可考慮左右線兩洞同時開挖，為減小相互影響，可左右線掌子面保持一定距離。

[1]顧保南，葉霞飛.城市軌道交通工程[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007：1-2.

[2]汲廣坤，李健.復(fù)合地層中盾構(gòu)近距離下穿地鐵區(qū)間隧道施工技術(shù)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015，36.

[3]袁竹，仇文革，龔倫.小龍坎隧道受下穿區(qū)間隧道近接施工影響研究[J].RAILWAY STANDARD DESIGN，2009(12).

[4]張亮亮.盾構(gòu)下穿地鐵區(qū)間隧道襯砌受力特征分析[J].土工基礎(chǔ)，2012，26(2).

[5]豐土根，王瑞濤，靳永福，等.上下穿隧道對近鄰隧道位移影響分析[A]//全國工程安全與防護學(xué)術(shù)會議[C].中國巖土力學(xué)與工程學(xué)會，2010.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ/T202-2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：24-25.

[7]伍尚勇，楊小平，劉庭金.雙側(cè)深基坑施工對緊鄰地鐵隧道變形影響的分析[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（S1）.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Analysis on Tunnel Displacement of Underneath-crossing Subway Range below Highways or Tunnels

The section size of highway tunnel is generally large,and its construction would always exert some influences on the tunnel deformation of its above subways in operation.This paper combines a practical case and adopts 3-D finite element numerical analysis to analyze the influences of different construction procedures on the tunnel deformation of the operating subway range in hope of offering some references for similar programs.This paper realizes the entire process simulation,from the initial step of not-under-construction status to the final step of construction completion of Pingdingshan secondary tunnel lining.

highway tunnel;subway range tunnel;displacement;three-dimensional;construction situation

U25

A

1671-9107（2017）04-0047-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.047

2017-02-21

陳赤（1967-），男，重慶人，本科，高級工程師，一級注冊建造師，主要從事建設(shè)工程管理和工程質(zhì)量監(jiān)督等相關(guān)工作。

陳習(xí)（1985-），男，重慶人，研究生，工程師，主要從事設(shè)計、建設(shè)工程管理等工作。