新建地铁隧道平行下穿既有地铁施工机理研究

夏国政，江 军

（1.烟威高速公路管理处，山东 烟台 264003；2.鲁东大学土木工程学院，山东 烟台 264025）

近年来，随着经济的快速发展，城市轨道交通也得到了迅猛发展[1-4]。越来越多的城市开通了地铁线路，既有地铁施工也越来越多，而如何保证既有地铁线路的正常运营，也成为新建地铁施工所需要解决的问题之一[5-8]。国内外针对地铁隧道施工问题开展了大量的研究，Das R等[9]针对下穿过程中的非对称地铁隧道，采用数值模拟的方法，研究不对称荷载对既有隧道的影响。Junbo F[10]基于大直径空洞平行下穿施工工程，针对某平行大跨隧道的下穿施工工程，用数值模拟软件模拟了爆破法施工，分析了振动对既有隧道产生的影响。韩煊等[11]基于对现场监控测量既有隧道变形数据的分析，提出了适用于近距离下穿工程施工中既有结构物的变形预测方法。贾少春[12]运用三维模型有限元法分析了新建盾构隧道近距离施工对连拱桥结构位移和内力的影响，对预注浆加固进行了数值模拟并与现场实际施工数据进行了对比分析。

文章依托某新建地铁隧道平行下穿既有地铁施工工程，采用FLAC3D数值模拟计算，针对下穿施工过程中的应力应变变化规律，开展了现场监测数据对比论证与数值模拟计算分析。

1 工程概况

某既有地铁和新建隧道均采用盾构法开挖建造，两条地铁隧道的内径为6.3m，外径为7m。盾构隧道管片由6块拼装而成，新旧隧道为平行隧道，新旧隧道净距为3m，新建隧道埋深为9m。

2 数值模拟方法

2.1 数值计算模型

结合现场施工参数和地质报告，此次数值计算模拟采用三维数值模型，计算的模型长70m、宽60m、高66m，最终的数值模型外观图如图1所示，模型包括了10275个节点和94381个单元。地层自上而下有素填土、页岩和弱风化花岗岩。

2.2 数值计算方法

此次数值模拟中的主要细节如下。

（1）边界设置：此次模拟参考实际工况，顶面为地表，采用了自由面，无任何约束；其余面为周边围岩接触面，设置了法向约束。

图1 数值计算模型

（2）开挖方法：先开挖既有隧道，既有隧道采用上下台阶法开挖，上下台阶间距为3m，开挖步也为3m；每开挖一环，设置20mm厚的初期支护，混凝土型号选用C30；初支施作的模拟完成后，施加二次衬砌，二衬厚度为15mm。既有隧道施工完成后，进行新建隧道的开挖模拟。新建隧道的开挖方法同既有隧道，新建隧道的衬砌只模拟初期支护，不含对二衬的模拟。地层采用实体单元进行模拟，隧道衬砌结构采用壳单元进行模拟。

表1 材料参数取值

2.3 材料参数

此次数值模拟中的岩土力学参数如表1所示。

3 数值计算结果

3.1 位移分析

图2 新建隧道施工引起的既有隧道沉降变化云图

图3 新建隧道施工引起的既有隧道沉降变化曲线

新建隧道开挖完成后的地层沉降云图如图2所示，变化曲线如图3所示。从图2可以看出，新建隧道开挖完成后，在新建隧道与既有隧道的中夹岩层发生了较大的沉降，同时在既有隧道周边也出现较大沉降。既有隧道拱顶的沉降为6.02mm，既有隧道拱顶的沉降为6.53mm，地表沉降也达到了5.22mm。可见新建隧道施工对既有隧道和地表都产生了较大的扰动。图3的极坐标图展示了新建隧道轴线正上方的既有衬砌不同部位的变形，从图3可以看出，下穿施工的新建隧道将导致既有隧道产生一定的沉降，最大沉降量达到了有6.53mm，既有隧道的最大沉降量位于拱底。并且从图3也可以看出，新建隧道下穿施工对既有隧道衬砌的沉降影响是对称分布的，由于既有隧道拱底一侧相比于拱顶一层更靠近新建隧道，受到的影响也就更大，因此从图中也可以看出拱顶沉降量要小于拱底沉降量。同时从图中可以看出，新建隧道下穿施工对既有隧道衬砌拱底±30°范围内的衬砌影响最大。

新建隧道开挖完成后，轴线正上方的既有衬砌内衬和外衬正应力极坐标图如图4所示。从图4可以看出，既有隧道外衬正应力值要小于内衬的正应力值，这是由于外衬靠近围岩，围岩对外衬起到了一定的加固作用，而内衬的受力传递路径则较为单一。既有衬砌在下穿施工中，其外衬的应力值主要集中在既有隧道拱顶±60°范围内，应力变化值的最大值达到了0.74MPa，为拉应力；其内衬的应力值主要集中在既有隧道拱顶±60°范围内，而应力变化值的最大值达到了1.82MPa，同样为拉应力，但由于既有隧道衬砌的正应力值都没有达到C30混凝土的抗拉强度，因此不会造成受拉破坏。

3.2 受力分析

图4 既有隧道衬砌的正应力

图5 既有隧道衬砌的受力

新建隧道开挖完成后，既有衬砌的轴力变化量及弯矩变化量如图5所示。从图5（a）可以看出，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有衬砌的轴力值变化主要集中在既有隧道拱底±90°范围内，最大值达到了135.68KN，而既有隧道拱顶轴力在新建隧道下穿施工后变化量不大，拱顶轴力变化量仅有20.38KN。从图6（b）可以看出，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有衬砌的弯矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰-30～45°范围，增加量最大值为4.92kN·m，而既有衬砌的弯矩值减小量主要集中在既有隧道拱顶±60°范围内和拱底±45°范围内，减小量最大值达到了-4.07kN·m。在下穿施工中应注意对既有隧道衬砌的相关部位进行加固。

3.3 塑性区分析

新建隧道开挖完成后的地层塑性区云图如图6所示。从图6可以看出，新建隧道开挖完成后，在新建隧道拱底和拱顶±45°存在明显的塑性区，且延伸距离较长，在既有隧道拱底和两侧拱腰也存在较大的塑性区，极易使既有隧道衬砌发生塑性破坏，可见在新建隧道开挖过程中应采取相应措施防止既有隧道衬砌发生塑性破坏。

图6 新建隧道开挖完成后塑性区云图

4 结论

文章采用大型有限差分数值模拟软件FLAC3D进行数值计算，基于某新建地铁隧道平行下穿既有地铁施工工程，针对平行下穿过程中既有隧道的应力应变规律，开展了现场监测数据对比论证数值模拟可靠性分析，并进行了平行下穿施工机理分析，主要结论如下：

（1）新建隧道近距离平行下穿施工将导致既有隧道全范围产生沉降，其中最大沉降量位于衬砌结构的拱底，达到了6.53mm，新建隧道平行下穿施工对既有隧道衬砌的影响主要集中在隧道衬砌拱底的±30°范围内。

（2）既有隧道内衬的正应力值均大于相应的外衬正应力值，新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有衬砌的应力值主要集中在既有隧道拱顶±60°范围内，最大值达到了1.82MPa，为拉应力，由于既有隧道衬砌的正应力值都没有达到C30混凝土的抗拉强度，因此不会造成受拉破坏。

（3）新建隧道平行下穿既有隧道施工引起的既有衬砌的轴力值变化主要集中在既有隧道拱底±90°范围内，新建隧道下穿既有隧道施工引起的既有衬砌的弯矩值增加量主要集中在既有隧道拱腰±30°范围内，而既有衬砌的弯矩值减小量主要集中在既有隧道拱顶±60°范围内和拱底±45°范围内，在下穿施工中应注意对既有隧道衬砌的相关部位进行加固。