地铁双线盾构下穿对既有雨水箱涵的影响分析＊

高强，薛晓磊，刘帅兵，张誉，秦锡

（中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023）

随着中国轨道交通建设的快速发展，地铁隧道的数量与规模日益增长，盾构施工不可避免将对土体产生扰动，施工中参数的控制是盾构研究的重要内容。数值模拟方法相对于现场试验及模型试验，具有便捷、经济的优点，成为盾构施工研究的主要方法。

针对盾构双隧道施工对既有结构的影响，国内外学者开展了如下研究。张海鲲等[1]研究了盾构施工对既有地下管线的影响，分析了隧道盾构施工过程中的管线力学行为变化；盛艳军[2]通过对复合地层地铁盾构隧道下穿多栋建筑物沉降的监测与分析，分析了建筑物沉降的历时变化及建筑物沉降规律；黄林江等[3]对不同工况下基坑周围建筑物倾斜量变化进行模拟仿真分析，总结了基坑开挖对周围建筑物的影响；张庆飞等[4]总结了盾构下穿铁路的不同工况，对盾构下穿既有运营铁路问题提出了若干建议；钟晟[5]对盾构掘进施工穿越公路箱涵的全过程进行数值模拟，结合现场监测数据及数值计算结果，分析了盾构掘进对既有箱涵结构的扰动影响、横断面沉降、纵断面动态沉降变化规律；高利宏[6]分析了新建左、右线依次穿越过程中既有双线隧道沉降变形的规律，对隧道开挖阶段土体稳定性进行了研究。目前，大多数研究主要涉及盾构下穿管线及公路、铁路箱涵，对于盾构下穿铁路箱涵施工研究较少。

基于此，以郑州市轨道交通7 号线盾构下穿砖混雨水箱涵为工程背景，利用有限元方法对盾构双隧道下穿砖混雨水箱涵进行了数值模拟，得到了盾构掘进对雨水箱涵结构变形及地表沉降的规律，以期为城市盾构下穿雨水箱涵等风险源提供可靠的参考依据和工程实例。

1 工程概况

郑州市轨道交通7 号线一期工程北起惠济区东赵北，南止于二七区南部大学路与规划豫一路路口，工程全长约26.81 km，均为地下线。采用盾构法施工，隧道横断面为圆形，选用钢筋混凝土管片衬砌，混凝土等级为C50，每环管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，厚度为0.35 m，长度为1.5 m。根据工程地质勘察报告，拟建场区地层自上而下分布情况为杂填土、黏质粉土、粉砂、粉质黏土。砖混雨水箱涵与区间位置关系如图1所示。

图1 砖混雨水箱涵与区间位置关系图

区间隧道在里程左DK15+712.821（右DK15+725.638）处下穿雨水箱涵（1 000 mm×1 000 mm），管线与隧道最小垂直净距12.63 m，施工场地平面图如图2 所示。其中左侧线路为直线，该区段隧道最小埋深为14.782 m，线路纵坡26.4‰；右侧线路为弧线，线路曲率半径为450 m，线路纵坡26.0‰，最小覆土深度为14.93 m，左右线路水平净距为33.68 m。

图2 郑州市轨道交通7 号线一期工程施工场地平面图

2 有限元模型及参数

2.1 计算模型

为预测下穿施工过程中既有结构及地表的变形规律和量值，寻找和发现施工变形的关键控制工况，并为下穿施工过程既有结构及地表变形控制标准的制定提供理论基础，研究中采用有限元方法进行数值模拟计算。建立三维地质力学模型，对下穿施工过程进行了数值模拟。模型边界处的应力不应受到隧道开挖的影响，建议垂直边界距隧道中心线的距离应大于（4～5）D，底部边界到隧道中心线的距离应大于（2～3）D，其中D为隧道直径。

根据实际工程情况可知，模型尺寸如下：长度取100 m，宽度取100 m，高度取40 m。计算模型中隧道结构采用板单元模拟，土体采用实体单元模拟。具体模型如图3 所示。除地表设置为自由面外，其他各垂直边界设置法向位移约束，底部边界设置完全约束。地层采用摩尔-库伦本构模型，砌体人防采用砌体本构模型，隧道管片采用弹性本构模型。

图3 有限元模型示意图

砌体模型是一种线性弹塑性模型，旨在模拟无筋砌体结构的宏观各向异性响应。在该模型中，库伦准则用于模拟预定义方向上的破坏，而整体摩尔-库伦准则用于表示砌块的破坏，其本构关系考虑了介质的方向特性和库伦破坏准则适用的3 个最大破坏面的方向。事实上原始节理岩石模型已经解释了砌体力学行为的关键特征之一，即屈服时的各向异性。然而，由于砌块与砂浆之间的“自锁效应”，它并没有考虑到载荷下砖砌体的强度增强效应（即当砌块水平放置时，沿头部接缝的拉伸和剪切强度因受到底部接缝增加的垂直应力状态的贡献而增强）。PLAXⅠS 3D 砌体本构模型通过砌块的尺寸比来定义强度增强系数SFbeta，从而模拟砖砌体随深度增加而增加的拉伸和剪切强度。

式中：φ2为水平方向上内摩擦角的数值；b为砖块宽度的数值；a为砖块高度的数值。

2.2 计算参数

因盾构隧道施工采用管片作为衬砌，环内、环间螺栓的存在降低了管片结构的整体强度与刚度，因此，在原C50 管片结构物理参数的基础上乘以系数0.85 进行折减。各土层及管片的物理力学参数如表1、表2、表3 所示。

表1 地层物理力学参数

表2 板单元物理力学参数

表3 砌体人防物理力学参数

3 计算结果分析

3.1 地表沉降

图4、图5 为地铁7 号线盾构隧道右线、左线开挖完成后的地层沉降三维云图。图6 为既有砖混雨水箱涵地表面A—A'截面（图3）沉降曲线。可以看出：右线隧道斜穿开挖完成后，在砖混雨水箱涵与右线曲线隧道交界处地表有最大沉降，最大沉降值为3.35 mm；在雨水箱涵右侧末端地表伴随着轻微隆起，最大隆起值达0.16 mm；随着左线隧道开挖完成，砖混雨水箱涵与右线隧道交界处地表面最大地表沉降值为3.41 mm，较右线开挖完成时增加了1.79%，右侧隆起值继续增长，最大隆起值达0.76 mm，较右线开挖完成时增加了375%。

图4 右线开挖完成后地表沉降三维云图

图5 左线开挖完成后地表沉降三维云图

图6 雨水箱涵地表面A—A′截面沉降曲线

3.2 地表水平位移

图7 为地铁7 号线盾构隧道右线、左线相继开挖完成后地层水平位移云图。图8 为既有砖混雨水箱涵地表面A—A'截面（图3）水平位移曲线。可以看出：右线隧道斜穿开挖完成后，在隧道轴线两侧地表水平位移方向相反，左侧地表水平位移最大值为0.96 mm，右侧较远处水平位移最大值达1.21 mm；随着左线隧道开挖完成，右线隧道左侧水平位移最大值为1.15 mm，较右线开挖完成时增加了17.8%，此时在右线隧道曲线内侧（右侧）地表水平位移方向相同，最大水平位移出现在双隧道轴线之间，最大水平位移值为1.09 mm，较右线开挖完成时减小了9.92%。

图7 地层水平位移云图

图8 雨水箱涵地表面A—A′截面水平位移曲线

3.3 雨水箱涵位移

图9 为双隧道施工完成后既有砖混雨水箱涵竖向位移云图。可以看出：箱涵变形趋势与A—A'截面地表变形趋势相同，最大竖向位移位于右线轴线上方，最大位移值达3.51 mm，最大隆起值达0.83 mm。

图9 雨水箱涵竖向位移云图

图10为双隧道施工完成后既有砖混雨水箱涵水平位移云图。箱涵水平位移在2 条隧道轴线上方位移方向相反，在右线隧道左侧最大水平位移值为0.96 mm，右侧水平位移最大值位于双隧道轴线之间，并偏向右线隧道曲线内侧，最大水平位移值达0.87 mm。

图10 雨水箱涵水平位移云图

图11 为双隧道开挖完成后既有砖混雨水箱涵轴向应变云图。与变形云图相似，在右线隧道轴线上方雨水箱涵交界处箱涵应变最大值达0.14×10-3。

图11 雨水箱涵轴向应变云图

4 结论

通过三维有限元对郑州市轨道交通7 号线盾构双隧道下穿既有雨水箱涵进行分析，研究盾构隧道相继开挖对既有雨水箱涵的影响，结合前人的研究成果，得到以下结论：①盾构隧道施工使地表产生不均匀沉降，第一条隧道轴线地表有较大位移，第二条隧道施工使得地表沉降略微增大。在首条隧道轴线与既有箱涵交界处地表沉降值最大，在箱涵另一侧末端地表会轻微隆起。②地表水平位移在隧道轴线两侧方向相反，最大水平位移发生在首条隧道左侧；双隧道开挖完成后最大水平位移位于双隧道轴线之间，且偏向首条隧道。③雨水箱涵位移变化规律与其上地表土体位移规律相似，在首条隧道与箱涵交界处沉降值最大；第二条隧道开挖会使得箱涵整体位移值增大，但幅值较小。