小凈距交疊隧道施工的力學(xué)效應(yīng)模擬研究

呂童

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)）

1 引言

21世紀(jì)以來，我國(guó)軌道交通迅猛發(fā)展，大量的軌道交通線路相繼建設(shè)施工。隨著城市快速軌道交通網(wǎng)絡(luò)的完善，相繼出現(xiàn)了大量的線路交叉、換乘和區(qū)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(duì)臨近軌道交通結(jié)構(gòu)的不利影響，確保軌道交通結(jié)構(gòu)在外部作業(yè)施工及運(yùn)營(yíng)期間的安全成為重點(diǎn)解決的技術(shù)問題。文章以穗莞深城際鐵路隧道下穿深圳15號(hào)線地鐵隧道為例，模擬分析了穗莞深城際鐵路下穿15號(hào)線地鐵隧道的情況，及其對(duì)地鐵15號(hào)線區(qū)間隧道造成的內(nèi)力和變形影響，以期為小凈距隧道施工研究提供參考依據(jù)。

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(nèi)下穿在建深圳地鐵15號(hào)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(hào)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(qū)間隧道最小結(jié)構(gòu)凈距約16.71m。地鐵15號(hào)線盾構(gòu)隧道洞身位于全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層，穗莞深城際鐵路隧道洞身位于中微風(fēng)化層花崗巖地層。穗莞深城際鐵路隧道穿越地鐵15號(hào)線位置如圖1所示。

圖1 穗莞深隧道穿越地鐵15號(hào)線相對(duì)位置關(guān)系圖

3 數(shù)值模擬計(jì)算

采用有限差分軟件FLAC3d對(duì)隧道進(jìn)行施工?？紤]模型單元尺寸和數(shù)量對(duì)計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精度的影響，建立城際鐵路隧道施工下穿地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)模型，按實(shí)際施工順序模擬隧道施工。城際鐵路隧道模型沿地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)方向100m建立三維模型。模型以地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)縱向?yàn)閄軸，城際鐵路隧道縱向?yàn)閅軸、豎直方向?yàn)閆軸；X軸取100m、Y軸取200m、Z軸取100m，建立三維模型網(wǎng)格劃分效果圖（見圖2），模型共有488793個(gè)單元。

圖2 模型透視圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形分析

通過模擬計(jì)算可得：在穗莞深城際隧道開挖過程中，15號(hào)線地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形位移，最大位移見圖3。

圖3 交疊隧道盾構(gòu)施工引起的地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)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(hào)線隧道的施工過程中，導(dǎo)致15號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)及軌道發(fā)生變形。在隧道開挖過程中，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)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(yuǎn)離逐漸收斂，隧道結(jié)構(gòu)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(shí)，15號(hào)線隧道在盾構(gòu)施工中發(fā)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(fā)生在工序3、工序4、工序7、工序8進(jìn)行時(shí)，盾構(gòu)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(jié)構(gòu)沉降呈單峰漏斗狀[4-6]，產(chǎn)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(jié)構(gòu)的沉降峰值發(fā)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(hào)線地鐵后，地鐵隧道沉降變形穩(wěn)定在0.8mm左右，而穗莞深有限隧道穿越15號(hào)線地鐵后，地鐵隧道沉降總沉降變形穩(wěn)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(duì)圍巖內(nèi)應(yīng)力調(diào)整影響較大，后續(xù)開挖往往在之前應(yīng)力調(diào)整的基礎(chǔ)上進(jìn)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(fā)了“群樁效應(yīng)”。由于在隧道左右線開挖過程中，隧道周邊圍巖發(fā)生相應(yīng)應(yīng)力調(diào)整，應(yīng)力調(diào)整的外在表現(xiàn)便是圍巖及結(jié)構(gòu)的變形調(diào)整。與此同時(shí)，右線隧道開挖時(shí)，由于施工進(jìn)度原因，左線隧道開挖后的應(yīng)力調(diào)整未完全達(dá)到新的應(yīng)力平衡，也會(huì)導(dǎo)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(qū)間隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

下穿隧道的施工會(huì)引起附近地層的應(yīng)力調(diào)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(yīng)力調(diào)整的結(jié)果，因此要判定在下穿隧道施工期間何時(shí)對(duì)交疊隧道影響最大，需要監(jiān)測(cè)施工期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化（見圖6）。

圖6 交疊隧道盾構(gòu)施工引起的地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化

通過對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)中的水平（xx）應(yīng)力、豎直（zz）應(yīng)力分析，可以看出在開挖至地鐵隧道下方時(shí)，隧道襯砌內(nèi)發(fā)生較大的應(yīng)力調(diào)整。此時(shí)隧道開挖容易對(duì)現(xiàn)有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉裂破壞。因此，隧道掘進(jìn)至地鐵隧道下方時(shí)，應(yīng)對(duì)地鐵線路軌道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，并滿足信息化施工要求。根據(jù)監(jiān)測(cè)資料的分析，判斷結(jié)構(gòu)變形，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行預(yù)警。同時(shí)，在隧道掘進(jìn)后，應(yīng)加強(qiáng)隧道交疊處的支護(hù)，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)語(yǔ)

論文以穗莞深城際鐵路隧道下穿15號(hào)線地鐵隧道為研究對(duì)象，對(duì)交疊隧道施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與結(jié)果分析，研究了既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)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(guān)指標(biāo)數(shù)值并開展綜合分析，形成以下的結(jié)論：

①15號(hào)線隧道在盾構(gòu)開挖施工中發(fā)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(jié)構(gòu)沉降呈現(xiàn)單峰漏斗狀，其產(chǎn)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(jié)構(gòu)的沉降峰值發(fā)生處。

②施工掘進(jìn)至隧道交叉段時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)并嚴(yán)格按照預(yù)警、報(bào)警、控制進(jìn)行三級(jí)部署，施工過程中若變形達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)采取措施并調(diào)整施工方案，加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)力度，避免位移繼續(xù)發(fā)展，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全。