软件模拟新建地铁穿越既有线路的影响分析与实践

王鹤，石俊成

（中航勘察设计研究院有限公司）

1 引言

随着我国轨道交通工程的快速发展，各大城市的地铁网络逐步形成，新建地铁工程穿越或者临近已建成的既有地铁车站或区间的情况经常出现。新修建的地铁项目在近距离穿越既有线的作业中，会出现既有结构和地层结构受损的问题，应力场会发生变化，影响既有地铁结构的受力平衡，导致既有结构的差异变形，使既有隧道、轨道产生水平位移、沉降、差异沉降、扭曲、拉伸、爬行等局部变形，甚至会导致既有地铁结构遭到破坏，影响地铁运营安全［1］。

本文对北京某地铁下穿既有地铁工程项目进行施工过程模拟，反映了结构与土体、新建线路与既有线的共同作用，采用有限元分析模型分析在盾构施工过程中既有线的受力情况，并分析预测施工扰动下既有线的变形值及安全状态，以确保施工过程中既有线的安全。

2 工程概况

北京某新建地铁线盾构隧道区间，两盾构中心线的距离约为17.07m～16.65m，新建地铁线与既有地铁线区间隧道的宽度、盾构管片厚度、直径、区间盾构隧道顶部埋深分别为：5.7m、0.3m、5.4m、18.4m，高度为6.1m，衬砌厚度为0.55m，左右线两隧道中心线的距离为13.8m，隧道顶部距离地表面为10.33m。新建地铁线盾构隧道垂直下穿既有线区间，新建盾构隧道与既有线隧道净距2.15m（见图1）。

图1 新建地铁盾构隧道垂直下穿既有线区间工程示意图

3 结构安全影响评价

3.1 评价思路及方法

根据新建地铁线盾构隧道与既有线隧道的相对位置关系，考虑工程影响范围，确定评估范围。借助多种办法，按照收集整理和分析的流程完成资料收集和现状调查的工作，从而初步获取地质信息，基于此建立三维计算模型，模拟新建地铁盾构区间隧道垂直穿越既有地铁区间隧道的施工过程，实际作业中要引入多种方法，比如，专家评议、工程类比和数值分析等，在多种科学方法的支持下，对轨道结构的变形程度、既有地铁区间隧道形态加以分析，说明新修项目带来的多方面影响，为后续工作奠定基础。

结合大量研究证明，在具体的计算环节可将连续介质模型和作用—反作用模型引入其中，二者之间的差异适用方向是地层—结构以及荷载—结构的模型，因此在选用环节要具备针对性。在结构与地层相互作用的情况中，主要应用连续介质模型分析结构变形特点。对仅计算结构的情况，应用作用—反作用模型，能得出变形分析和结构内力分析的精准结果。在此工程中，结合实际地层结构，选用连续介质模型，能将沉降与地层之间的关系阐释完全。

3.2 数值模拟

在充分考虑空间效应对施工的影响后，要对计算模型中既有区间的影响范围予以确定，结合分析结果，将影响范围确定为长宽厚分别是81.2m、66.6m和50m的区间，将此区域作为土体的考察区间。在实际考察阶段，要将受力情况和变形特点作为盾构施工影响结果的重点考察对象，以此确定差异性变形的特征，应用大变形理论。实际计算中，线弹性材料选定为既有铁路结构，充分满足变形协调原则的应用要求，说明既有地铁隧道结构、新修结构单元和土体均符合原则应用的范畴。对于周围土体，采用实体单元，在选取材料模拟边界条件的环节，要区分顶面与其他面之间的差异；对于顶面，设定为自由边界，其余面运用法向约束，充分将计算载荷的影响因素考虑在内，提升对盾构掌子面顶推力、土体竖向自重等的重视程度，降低误差。

根据新建盾构区间下穿既有线区间的施工过程，考虑盾构机掘进的进度及施工工序，本次评估计算模型按每次推进1.2m进行模拟，施工模拟分十二个阶段工序（见表1和图2）。

表1 施工工序描述

图2 施工工序模拟

3.3 变形预测

实际建构过程中，可能会出现附加变形的情况，此种变形是由于新修建的地铁会对原本的结构产生影响，因而导致附加变形的产生。模拟十二个阶段下区间隧道结构的横向变形和竖向变形，竖向变形模拟结果如表2所示，变形量曲线如图3所示。

表2 竖向变形模拟结果（单位mm）

图3 阶段-变形量曲线图

随着工程施工逐步推进，穿越位置的既有地铁隧道应力变化，导致隧道的竖向位移量逐步增大，两条新建隧道正上方位置的既有隧道形变量最大，向两侧形变量逐步减小，既有隧道轴线方向竖向位移曲线呈现W型（见图4-5）。

图4 右线隧道轴线竖向变形图

图5 左线隧道轴线竖向变形图

模拟结果显示，随盾构隧道施工，盾构双线下穿施工既有隧道面临两次扰动的叠加作用，既有结构变形逐步增大，施工完成后变形逐步趋于稳定。隧道开挖对竖向变形影响较大，区间底板竖向变形曲线区域呈正态分布，其中右线底板沉降比左线底板变形要大一些，竖向变形最大值为2.800mm，为下沉变形，变形部位在隧道中部结构。

3.4 监控量测

穿越施工期间，在既有地铁隧道底板中部沿隧道纵断面方向，间距5m～10m布设监测点，利用自动化监测系统实时测量施工期间的隧道结构沉降变形情况，左线监测点最大沉降量为2.32mm，右线监测点最大沉降量为2.61mm，判定模型假定和参数选择的合理性标准，使施工过程可控，因此，给出的数值计算模型可展现实际施工的状态。

4 安全影响分析

盾构下穿施工工序的不同阶段对周围地层的扰动和既有地铁隧道变形的影响不同。通过对双线盾构穿越既有线进行建模分析，根据施工过程和采取的措施对穿越过程进行动态模拟，预测施工引起的既有地铁变形和内力变化规律，掌握影响特性。数值模拟结果显示，既有线车站下方车站变位的原因较多，其中盾构施工是最主要原因，通过对沉降变形的分析，可以看出其基本上集中于第四和第十之间，此阶段完成了刀盘下穿断面至盾体完全脱离的作业。反映到数据上，第四和第十之间占据了沉降总量的70%-80%，足以看出对此区段进行分析的必要性。在沉降过程中，速率最大发生于盾壳脱离后形成盾尾间隙的过程。

控制既有线变形的关键阶段是盾构通过既有隧道正下方这一过程，要确保盾壳脱离管片后开展注浆活动的效能，对注浆量和施加的压力值合理把控，从而降低沉降变形发生的可能性。在盾构机盾尾脱离既有线正下方后，根据需要对下穿区段的既有地铁隧道洞内管片开展合理地壁后补浆加固作业，促使既有地铁隧道出现上浮变形的情况，达成对既有地铁隧道结构沉降变形合理化控制的目标。

5 结语

本文针对北京某地铁线穿越既有线路的实际情况，结合有限元分析法对施工风险进行安全影响分析，结果表明：通过事先分析穿越工程对地铁结构和轨道结构的影响及其风险程度，采用合理的控制手段能保证线路的施工安全。