TBM地铁施工下穿高速公路的数值模拟分析

常海亮，郭俊娥，赵晓勇

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000;2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710054)

1 工程概述

某地铁线采用TBM法施工，在区间CK28+540—CK28+615段下穿渝合高速公路，为了解TBM法施工区间隧道对渝合高速公路的影响，取CK28+580处剖面进行计算，该处设计轨面高程为271.98 m，隧道拱部结构外缘高程为277.02 m，高速路面高程为289.13 m，隧道结构与路面净距为12.11 m。剖面位置关系见图1。

图1 隧道与高速公路CK28+580处位置关系(单位:mm)

2 计算模型及参数

按岩土力学法计算，采用有限差分软件FLAC3D进行计算分析。根据隧道影响的距离要求，同时尽可能减少计算单元，整个模型左右宽度取距离隧道约12 m，总宽度为48 m，上侧取到地面，约为15 m，下侧取22 m，模型高度约为35 m。沿区间隧道纵向，取比公路宽度稍大，即48 m。

整个模型采用实体单元建模，土层采用摩尔—库仑模型。该模型目前在岩土工程中使用较多。隧道结构采用弹性体模型，共划分50 240个实体单元，53 790个实体单元节点，如图2所示。计算中采用的地层及支护参数见表1、表2。

图2 AC3D模型图

图3 竖向沉降变形图

表1 Ⅳ级围岩地层参数

表2 初期支护喷C25混凝土衬砌参数

3 荷载及施工方法模拟

3.1 荷载

隧道左线先于右线施工，由于初期支护稳定后才施工二次衬砌，因此，只考虑初期支护作用，TBM施工每循环进尺为1.5 m。

1)路面荷载。路面荷载按20 kPa均布荷载计算。

2)TBM掘进机刀盘挤压掌子面荷载。因为刀盘刚度很大，其作用在掌子面上的推力可按均布荷载考虑，计算中取472.4 kPa。

3)TBM掘进机刀盘部分作用在围岩上的荷载。TBM掘进机机头部分自重比较大，通过刀盘护盾作用在围岩上，对围岩有一定的压力，按2 MPa考虑。

4)TBM撑靴作用在围岩上的撑力。TBM掘进时，将撑靴作用在围岩壁面上，提供TBM移动时的作用力，在掌子面后10 m施加，大小为2 MPa，其作用通过开挖中心与水平方向上下两侧成30°的范围内。

3.2 施工模拟方法

根据实际荷载情况，首先在模型上表面施加路面荷载，计算初始应力。然后按先左线后右线隧道的方式开挖，每步开挖1.5 m，每开挖一步，首先取消上一步施加在结构上的荷载，同时施加以下的作用:①掌子面上刀盘上的推力;②在开挖处2 m的范围上，把机头部分自重施加在隧道洞壁上;③在距离掌子面10 m处，施加撑靴支撑力;④支护落后掌子面16 m再施加。

4 计算结果分析

在隧道进行开挖之前，先进行应力平衡，来模拟隧道开挖前岩体的稳定状态，然后将位移归零，进行隧道开挖模拟。计算完成后，模型深度Y=10 m处竖向沉降变形见图3。

为了了解隧道开挖后对渝合高速公路沉降变形的影响，取路面A～K点作为监测点，见图4。

为了了解左线及右线隧道开挖完成后，在隧道上方高速公路的沉降变形情况，取图4中的A～K点，绘制最终沉降变形见图5。从图5可以看出，左线开挖对高速公路路面的影响比较大，而右线对其影响比较小。左线隧道开挖导致隧道上方一定范围内的路面下沉，而两侧路面有一定的隆起，主要是由于TBM在掘进过程中，需要依靠其左右撑靴作用在围岩壁面上提供前行的推力，导致公路路面有一定的隆起。同时，高速公路路面会产生一定的不均匀沉降，左线隧道上方的D点处路面沉降变形最大-7.4 mm，右线隧道上方的H点右侧(K点)附近路面隆起量最大为11.1 mm。在左线开挖过程中，隧道开挖面在与D点正下方一定距离时，D点的变形过程见图6。

在左线隧道开挖过程中，距离D点正下方距隧道开挖约12.0 m范围内对D点的沉降变形影响比较大，D点变形基本稳定后最大沉降变形为-5.2 mm。在左线及右线开挖过程中，右线隧道上方的H点的沉降变形见图7。从图7可以看出，左侧隧道开挖时撑靴对洞周围岩的支撑作用力，影响到了右线隧道上方路面的沉降，导致右侧隧道上方路面有一定的隆起;但在右侧隧道开挖后，右线隧道上方H点处的路面有一定的下沉变形，最终H点的隆起量为2.6 mm。

图4 监测点位置(单位:m)

图5 A～K点开挖完成后沉降变形曲线

图6 开挖过程中D点变形值

图7 开挖过程中H点变形值

5 结论

1)在左线隧道开挖过程中，左线隧道上方一定范围路面会产生一定的沉降变形，而在这一范围之外，路面反而会有一定的隆起变形。最终左线上方路面的最大沉降是-7.4 mm，右线上方的最大隆起值约为11.1 mm，隆起变形值比沉降变形更大，值得注意。

2)由于TBM在施工过程中，先施工左线隧道，后施工右线隧道，同时由于TBM掘进机对围岩的压力，导致在隧道开挖过程中，地表有一定的不均匀沉降，沉降变形与隆起的差值最大达到18.5 mm。

3)右线隧道后开挖，开挖过程中，会对在左线隧道开挖导致的路面变形有一定的卸载作用，导致左线隧道上方的路面沉降值及右线隧道上方路面的隆起值均有一定的减小。

［1］关宝树.隧道工程设计要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］钟桂彤.铁路隧道［M］.北京:中国铁道出版社，1993.

［3］刘波，韩延辉.FLAC原理、实例与应用指南［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［4］王志，杜守继，张文波，等.浅埋铁路隧道下穿高速公路施工沉降分析［J］.地下空间与工程学报，2009(6):531-535.