□文/高菊英

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速，隧道及地下工程建設(shè)發(fā)展迅猛。城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然帶來(lái)區(qū)間線路節(jié)點(diǎn)的交叉問(wèn)題。例如在2050 年北京市區(qū)軌道交通規(guī)劃圖中，節(jié)點(diǎn)車站和地鐵區(qū)間穿越段的數(shù)目多達(dá)118 處[1]。穿隧道施工勢(shì)必引起已建隧道的隆沉[2]，采取安全可靠的施工措施，減少既有隧道的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)和新建隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)成為學(xué)者們研究的課題。數(shù)值模擬分析方法因提供了圖形化直觀認(rèn)識(shí)，能給出定量或半定量的研究成果指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工，成為研究下穿隧道風(fēng)險(xiǎn)及控制措施的有效方法。張美聰[3]以南京地鐵10號(hào)線某區(qū)間下穿既有地鐵1號(hào)線為例，通過(guò)三維有限元計(jì)算分析了隧道施工對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間的沉降影響規(guī)律。王喜鴿[4]運(yùn)用FLAC 3D數(shù)值模擬了圓形隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有地鐵隧道的影響，結(jié)果表明各因素對(duì)既有隧道變形和管片襯砌受力影響顯著，圍巖強(qiáng)度越低，間距越小，新建隧道埋深與跨度越大，既有隧道周關(guān)鍵點(diǎn)位移越大。劉偉[5]依托某地鐵隧道工程運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D模擬先下后上的開挖施工條件，計(jì)算上下洞盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降、既有隧道連續(xù)墻側(cè)移和下洞隧道斷面收斂，總結(jié)了重疊隧道下穿既有隧道引起周圍環(huán)境變形的規(guī)律。黃朱林[6]運(yùn)用ANSYS對(duì)鉆爆法暗挖施工的下穿隧道進(jìn)行有限元模擬；顏勤[7]以重慶渝中區(qū)朝天門地下互通式下穿隧道為研究背景，采用MIDAS GTS有限元軟件對(duì)“先下后上”和“先上后下”兩種施工方案進(jìn)行研究；勒曉光等[8]通過(guò)三維彈塑性有限元數(shù)值模擬，對(duì)重慶渝中區(qū)朝天門大型互通式下穿工程進(jìn)行可行性研究。白海衛(wèi)[9]采用FLAC3D 有限差分法對(duì)北京地鐵十號(hào)線正交下穿1 號(hào)線施工過(guò)程進(jìn)行研究，得出對(duì)既有隧道周圍地層進(jìn)行注漿加固比加強(qiáng)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)本身更能有效控制既有隧道沉降變形的結(jié)論。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，采用MIDAS/GTS-NX 軟件通過(guò)三維數(shù)值模擬方法，結(jié)合南京地鐵5號(hào)線下穿已運(yùn)營(yíng)的地鐵3號(hào)線案例，研究下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵的風(fēng)險(xiǎn)及控制措施，供同類工程參考。

1 工程概況

南京地鐵5號(hào)線九龍湖—誠(chéng)信大道站區(qū)間隧道起于九龍湖站，側(cè)穿誠(chéng)信大道九龍湖橋，沿誠(chéng)信大道，下穿地鐵3 號(hào)線誠(chéng)信大道過(guò)街通道、3 號(hào)線區(qū)間、二沖溝及誠(chéng)信大道橋進(jìn)入誠(chéng)信大道站。

5號(hào)線于誠(chéng)信大道與雙龍大道交口下穿已運(yùn)營(yíng)的地鐵3 號(hào)線，3 號(hào)線區(qū)間沿雙龍大道南北向走行，5 號(hào)線區(qū)間沿誠(chéng)信大道站東西向走行，均采用盾構(gòu)法施工。該交叉區(qū)段西側(cè)28 m為3號(hào)線過(guò)街通道，南側(cè)38 m為3號(hào)線誠(chéng)信大道站，東側(cè)16、48 m分別為誠(chéng)信大道橋、二沖溝及5號(hào)線誠(chéng)信大道站。見圖1。

圖1 地鐵5號(hào)線下穿地鐵3號(hào)線平面

2 風(fēng)險(xiǎn)研究及安全保護(hù)控制指標(biāo)

既有3 號(hào)線施工時(shí)未采取加固措施預(yù)留5 號(hào)線下穿條件，5 號(hào)線下穿區(qū)段左線軌后沉降值為-7.7 mm；右線軌后沉降值為-3.0 mm。運(yùn)營(yíng)后結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)相對(duì)軌后首期沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)管片有所隆起，5 號(hào)線下穿區(qū)段左線隆起值為-1.67 mm；右線沉降值為-1.29 mm。

隧道近距離施工必然引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改變和周圍土體變形，3 號(hào)線施工時(shí)未預(yù)留下穿條件并且運(yùn)營(yíng)后盾構(gòu)結(jié)構(gòu)管片已經(jīng)產(chǎn)生了一定的變形，在5 號(hào)線下穿過(guò)程中如何保證既有線的安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。

通常情況下，管片結(jié)構(gòu)沉降是導(dǎo)致上方線路不平順的主要原因，根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》及《鐵路線路維修規(guī)則》相關(guān)要求，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，3 號(hào)線（運(yùn)營(yíng)）線路的控制指標(biāo)為：隧道水平位移、豎向位移及隧道徑向收斂≤20 mm，軌道橫向高差和軌向高差≤4 mm，軌間距應(yīng)在-4～6 mm之間，道床脫空量≤5 mm，結(jié)構(gòu)裂縫寬度≤0.2 mm。

3 三維數(shù)值模擬及分析

為進(jìn)一步了解盾構(gòu)下穿造成的影響，采用MIDAS/GTS-NX軟件進(jìn)行三維模擬計(jì)算分析。

3.1 模型建立

采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析，建模過(guò)程中對(duì)相似地層進(jìn)行合并，每一土層都是規(guī)則的平面，3 號(hào)線隧道及5號(hào)線隧道延伸方向簡(jiǎn)化為水平直線延伸。見圖2 和圖3。

圖2 整體數(shù)值分析模型

圖3 5號(hào)線隧道與3號(hào)線隧道位置關(guān)系

3.2 計(jì)算假設(shè)及參數(shù)選取

3.2.1 基本假定

初始應(yīng)力只考慮圍巖的自重應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響；所有材料均為均質(zhì)、連續(xù)、各項(xiàng)同性，土體水平成層分布；圍巖按摩爾-庫(kù)倫理想彈性材料考慮，襯砌為彈性材料；隧道管片不考慮管片與管片之間的連接，只作為整體進(jìn)行簡(jiǎn)化分析；不考慮3號(hào)線內(nèi)列車運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)。

3.2.2 參數(shù)選取

1）隧道壁后注漿的模擬。認(rèn)為在注漿范圍內(nèi)是連續(xù)的、均勻的，不考慮注漿過(guò)程中產(chǎn)生的跑漿、劈裂注漿。采用更換網(wǎng)格組屬性的方式進(jìn)行模擬，在保證原網(wǎng)格組不變的情況下改變其參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)注漿效果。

2）接觸的模擬。由于材料性能不同，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，隧道襯砌和土體之間在變形過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一定的縫隙，而不是完全接觸。采用接觸單元對(duì)襯砌與土體之間的接觸進(jìn)行模擬。

3）土倉(cāng)壓力的模擬。在實(shí)際工程中，土倉(cāng)壓力以均衡的壓強(qiáng)形式存在，為了更接近實(shí)際，在數(shù)值模擬過(guò)程中，直接對(duì)開挖面土體施加法向均勻分布的壓力。

4）襯砌結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖模擬。隧道襯砌及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模擬。均質(zhì)彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律。圍巖模擬采Mohr-Coulomb 模型，Mohr-Coulomb 模型是彈性-塑性本構(gòu)，其破壞準(zhǔn)則是受最大剪應(yīng)力控制的，可通過(guò)反應(yīng)最大和最小主應(yīng)力關(guān)系的摩爾圓來(lái)體現(xiàn)。

5）管片加固模擬。3號(hào)線隧道采用鋼管片進(jìn)行加固，先對(duì)加固后的管片等效剛度進(jìn)行計(jì)算，然后采用修改管片屬性的方法進(jìn)行模擬。

6）隧道開挖模擬。隧道開挖按照實(shí)際施工情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，實(shí)際工程中每步開挖為1.2 m，在數(shù)值模擬過(guò)程中，為了便于分析，每6 m為一次開挖進(jìn)度。先進(jìn)行右線的開挖施工，待施工完畢后再進(jìn)行左線施工開挖，這樣可以降低兩隧道之間的相互影響，避免二次沉降。

第一步，激活地層、3 號(hào)線管片，進(jìn)行初始應(yīng)力狀態(tài)分析，計(jì)算結(jié)果位移清零。

第二步，5號(hào)線隧道右線第一步開挖，鈍化第一步隧道內(nèi)土體，激活開挖面土倉(cāng)壓力。

第三步，5號(hào)線隧道右線第二步開挖，激活第一環(huán)管片，激活第一環(huán)管片壁后注漿屬性，鈍化第二步隧道內(nèi)土體，激活開挖面土倉(cāng)壓力……

第n-1部，5號(hào)線隧道左線第n步開挖，激活第n-1環(huán)管片，激活第n-1環(huán)管片壁后注漿屬性，鈍化第n步隧道內(nèi)土體。

第n部，激活第n環(huán)管片，激活第n環(huán)管片壁后注漿屬性,開挖模擬結(jié)束。

7）模型尺寸及邊界條件。考慮邊界條件的影響，采用80 m（寬）×50 m（深）×80 m（長(zhǎng)）的模型。其中長(zhǎng)是指沿5號(hào)線隧道延伸方向的長(zhǎng)度。模擬隧道管片外徑6.2 m，壁厚0.35 m。

3.3 模擬分析

下穿對(duì)地鐵3號(hào)線豎向和水平向變形影響數(shù)值模擬分5種不同工況：工況一，區(qū)間無(wú)加固措施；工況二，5號(hào)線管片外注漿加固；工況三，5號(hào)線管片外注漿加固+3號(hào)線鋼管片加固+3號(hào)線洞內(nèi)注漿加固；工況四，3號(hào)線MJS工法加固；工況五，3號(hào)線MJS工法加固+3號(hào)線鋼管片加固。

3.3.1 工況一

3號(hào)線豎向最大位移為90.7 mm，位于5號(hào)線左右線中軸線處。見圖4。這是因?yàn)檫@個(gè)位置是5號(hào)線左右線影響范圍疊加處，所以沉降要大于5 號(hào)線隧道正上方位置。

圖4 工況一條件下3號(hào)線豎向變形

3號(hào)線水平變形曲線峰值位于5號(hào)線左線正上方，最大值為5.79 mm。見圖5。

圖5 工況一條件下3號(hào)線水平向變形

綜上所述，5 號(hào)線開挖對(duì)地層及3 號(hào)線影響較大，已嚴(yán)重影響3 號(hào)線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及安全使用，應(yīng)對(duì)地層及管片采取加固措施，以達(dá)到降低3號(hào)線隧道變形，滿足其結(jié)構(gòu)安全使用和安全運(yùn)營(yíng)的目的。

3.3.2 工況二

3 號(hào)線豎向最大位移為41.4 mm，位于5 號(hào)線左右線中軸線處且隨著與5 號(hào)線距離增加而向兩側(cè)減小。見圖6。

圖6 工況二條件下3號(hào)線豎向變形

3號(hào)線水平變形曲線峰值位于5號(hào)線左線正上方，最大值為4.18 mm。見圖7。

圖7 工況二條件下3號(hào)線水平向變形

綜上所述，在5 號(hào)線隧道外擴(kuò)大對(duì)土體加固范圍可以有效減小3號(hào)線豎向變形，但3號(hào)線整體仍存在較大變形，對(duì)運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。所以，在5號(hào)線周圍土體加固的前提下，考慮對(duì)3號(hào)線管片本身及3號(hào)線周圍土體進(jìn)行加固，以此來(lái)減少其變形。

3.3.3 工況三

3號(hào)線豎向最大位移為16.7 mm，位于5號(hào)線左右線中軸線處隨著與5號(hào)線距離增加而向兩側(cè)減小。見圖8。

圖8 工況三條件下3號(hào)線豎向變形

3號(hào)線水平變形曲線峰值位于5號(hào)線左線正上方，最大值為2.5 mm。見圖9。

圖9 工況三條件下3號(hào)線水平向變形

綜上所述，在同時(shí)采取了3 號(hào)線管片加固、3 號(hào)線底部土體加固及5號(hào)線管片周圍土體加固措施后，5號(hào)線開挖對(duì)3號(hào)線整體影響變小。

3.3.4 工況四

3號(hào)線MJS工法加固作用下計(jì)算模型見圖10。

圖10 MJS工法加固下5號(hào)線隧道下穿3號(hào)線隧道模型

3 號(hào)線豎向最大位移為23.1 mm，位于5 號(hào)線左右線中軸線處且隨著與5 號(hào)線距離增加而向兩側(cè)減小。見圖11。

圖11 工況四條件下3號(hào)線豎向變形

水平位移曲線于5號(hào)線左右線正上方位置變化最大，然后向兩側(cè)遞減，變化規(guī)律與此前基本一致，其中最大水平位移為2.8 mm，位于5 號(hào)線右線正上方。見圖12。

圖12 工況四條件下3號(hào)線水平向變形

3.3.5 工況五

3 號(hào)線豎向最大位移為19.0 mm，位于5 號(hào)線左右線中軸線處且隨著與5 號(hào)線距離增加而向兩側(cè)減小。見圖13。

圖13 工況五條件下3號(hào)線豎向變形

水平位移曲線于5號(hào)線左右線正上方位置變化最大，然后向兩側(cè)遞減，變化規(guī)律與此前基本一致，其中最大水平位移為2.53 mm，位于5號(hào)線右線正上方。見圖14。

圖14 工況五條件下3號(hào)線水平向變形

4 盾構(gòu)區(qū)間保護(hù)方案比選分析

根據(jù)三維模擬計(jì)算分析，工況三和工況五能滿足3號(hào)線位移的保護(hù)要求。

現(xiàn)通過(guò)地下管線、地面交通、周圍環(huán)境、地鐵3 號(hào)線的變形控制等的影響對(duì)以上兩個(gè)保護(hù)方案進(jìn)行比選，見表1。

表1 盾構(gòu)區(qū)間保護(hù)方案比選

5 結(jié)論及建議

1）根據(jù)三維模擬，計(jì)算不同工況下的加固措施對(duì)既有地鐵3 號(hào)線造成的影響，本著保證既有地鐵3 號(hào)線結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全、5號(hào)線順利掘進(jìn)的原則，為使變形影響在可控范圍內(nèi)，需對(duì)下穿段采取相應(yīng)的加固措施。因3號(hào)線運(yùn)營(yíng)后，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)管片已發(fā)生隆起變形，為減少對(duì)3號(hào)線的影響，推薦采用工況五，即既有地鐵3號(hào)線MJS工法加固+3號(hào)線鋼管片加固措施。

2）下穿既有隧道引起的最大沉降位移位于下穿區(qū)間中軸線處，同時(shí)向兩側(cè)逐漸減小。

3）MIDAS/GTS-NX軟件采用的三維數(shù)值模擬方法是可靠的，其可視化操作簡(jiǎn)單，能較真實(shí)的模擬實(shí)際工況，為下穿既有隧道加固措施施工提供重要參數(shù)依據(jù)。