基于FLAC3D的交叠隧道施工模拟分析

郑君， 杨斌， 王微微， 张琳

（1. 广州科技职业技术大学；2. 中铁第六勘察设计院集团有限公司）

1 引言

21世纪以来，随着我国经济的发展，越来越多的轨道交通线路出现了大量的线路交叉，换乘线路以及区间隧道的近距离交叉穿越问题[1]。在此条件下，采取有效的工程措施减弱新建工程对邻近轨道交通结构的不利影响，确保轨道交通结构在外部作业施工及运营期间的安全成为必须重点解决的技术问题。文章模拟分析了新建东环铁路隧道工程下穿太和隧道全过程施工阶段，通过分析交叠隧道变形规律，核实既有结构安全性，评估新建东环铁路隧道施工对既有结构的影响，为后期小净距交叉隧道的施工提供了理论依据。

2 工程概况

东环隧道属于城市地下隧道，在大源站至太和站区间上行线DSK38+683.0～DSK38+710.1 段、下行线DXK38+674.0～DXK38+697.0 段以双洞单线隧道形式斜交下穿货车外绕线太和隧道，夹角约为53°，穿越段广州枢纽东北货车外绕线太和隧道位于里程范围DIIK20+970～DIIK21+014.5，穿越里程段东环隧道采用盾构法施工，隧道埋深约75m～83.5m。太和隧道和东环隧道的相对位置如图1所示。

图1 广佛环线与货车外绕线太和隧道平面位置关系示意图

3 模拟计算

采用FLAC3D 对交叠隧道进行施工模拟，计算假定建立在隧道正常施工并采取及时支护措施为前提条件。建立广佛线东环隧道下穿太和铁路区间隧道结构，按实际施工顺序模拟隧道施工[2]。模型以东环隧道纵向方向为Y 轴，与太和区间铁路隧道平行方向为X 轴，竖直方向为Z 轴，模型在X 轴方向取100m，Y 轴方向取200m，Z 轴方向取100m。结合东环铁路隧道及太和隧道的相对位置关系，建立三维模型网格划分效果图如图2 所示，模型共包含529171个单元，327561个节点。

图2 模型透视图

各工序的模拟情况说明：

工序1：东环铁路隧道施工前的初始状态。为得到东环铁路隧道施工前的地铁区间隧道结构的初始状态，首先计算初始地应力，保留应力状态并将位移归零，之后进行太和隧道的施工，保留应力状态并将位移归零，以此作为东环铁路隧道施工阶段的初始状态。

工序2：东环左线铁路隧道开挖至接近太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟了东环左线隧道从距离太和隧道正下方100m 处掘进至接近太和隧道正下方30m 时，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

工序3：东环铁路隧道左线开挖穿过太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟东环左线隧道从接近太和隧道掘进至穿过太和隧道正下方30m，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

工序4：东环铁路左线隧道开挖远离太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟东环左线隧道从穿过太和隧道正下方30m掘进至穿过太和隧道正下方100m，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

工序5：东环右线铁路隧道开挖至接近太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟了东环右线隧道从距离太和隧道正下方100m 处掘进至接近太和隧道正下方30m 时，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

工序6：东环铁路隧道右线开挖穿过太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟东环右线隧道从接近太和隧道掘进至穿过太和隧道正下方30m，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

工序7：东环铁路右线隧道开挖远离太和隧道。此工序包含盾构隧道掘进和支护过程，模拟东环右线隧道从穿过太和隧道正下方30m掘进至穿过太和隧道正下方100m，隧道施工对地铁隧道结构及轨道产生的影响。

4 计算结果分析

4.1 外绕线太和隧道结构变形

计算得到东环铁路隧道开挖过程中上跨铁路太和隧道结构变形位移，太和隧道结构最大位移及具体数值及分析如表1、图3。

表1 太和隧道结构变形计算结果汇总表 mm

图3 施工过程中太和隧道竖向最大变形云图

4.2 轨道结构变形

太和隧道轨道最大位移及其他变形指标值及分析如表2、图4所示。

表2 太和隧道轨道结构变形计算结果汇总表 mm

图4 施工过程中太和隧道轨道竖向最大变形云图

4.3 太和隧道结构应力

对东环铁路隧道开挖过程中上跨铁路太和隧道结构在各方向下的应力水平及变化进行整理与分析，提取计算结果如表3所示，表中仅列出隧道结构在各方向下拉应力及压应力最大值对应的指标，其他指标数值不再赘述。

表3 地铁区间隧道结构内力 MPa

4.4 分析结论

东环铁路隧道下穿太和隧道施工过程引起太和隧道结构及轨道发生变形。将东环铁路隧道开挖前作为初始状态，则在隧道开挖过程中，上跨铁路隧道结构及轨道的竖向变形（沉降）不断增加，随着东环铁路隧道开挖远离逐渐收敛[3]。隧道结构最大沉降值为-0.26mm；X方向最大位移为-0.032mm；Y 方向最大位移为-0.015mm；最大差异沉降值为0.012%Ls。轨道最大水平变形值为0.031mm，轨道最大高低变形值最大值为0.23mm，轨道最大轨向变形值为0.014mm，最大轨距为0.002mm，以上计算结果均满足控制指标要求。

结合前述提出的控制指标，太和铁路区间隧道结构变形满足控制标准要求；偏安全地将隧道结构最大变形作为轨道变形，轨道变形满足控制标准要求[4]。由结构内力计算结果可见：东环铁路隧道下穿太和隧道施工模拟过程引起太和隧道结构应力发生变化，但变化幅度极小，且数值满足C50混凝土材料强度控制值，满足要求。

5 结语

论文以东珠三角城际轨道交通广佛线东环隧道工程为背景，对东环铁路隧道下穿太和隧道全过程施工阶段对交叠隧道施工的整个过程进行了数值模拟。得出相关模拟指标数值并开展了综合分析，得出以下结论。

①由太和隧道结构及轨道位移云图可以看出：在东环铁路隧道下穿既有铁路隧道过程中，既有隧道结构产生最大位移的位置是在东环铁路隧道正上方位置，该位置是既有隧道结构的沉降峰值发生处。

②由结构内力计算结果可见：东环铁路隧道下穿太和隧道施工模拟过程引起太和隧道结构应力发生变化，但变化幅度极小。

③东环隧道下穿外绕线太和隧道施工过程，对太和隧道结构变形、内里及轨道几何尺寸产生了一定影响，但影响有限，外绕线太和隧道结构及轨道各项控制指标均在安全控制标准范围内，不影响外绕线铁路正常运营。