基于Midas-GTS NX的新建地鐵隧道施工對既有隧道影響研究

楊 陳

（四川大學(xué)錦江學(xué)院 土木工程學(xué)院， 四川 眉山 620860）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量“城市群”的新建，城市內(nèi)部的地面交通能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前的通行要求，因此對于地下空間的拓展已經(jīng)成為了目前解決城市交通問題的最為有效的方法之一。因此，各大城市的地鐵應(yīng)運(yùn)而生，而大量修建地下隧道的同時(shí)，必不可少的會(huì)出現(xiàn)很多交叉、近接的地鐵線路，特別是在線路規(guī)劃初期，可能會(huì)遇到很多線路相互穿越的問題，而后建隧道穿越既有地鐵隧道或其他隧道的工程已經(jīng)成為了目前城市地鐵建設(shè)中遇到過的最為常見的難題之一。例如重慶軌道交通3號線與6號線的十字交叉工程；重慶軌道交通4號線下穿重慶軌道交通3號線、渝懷線、渝利線三條線路；成都地鐵至開通至今已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多條線路與車站的立體交叉。在如此眾多的交疊隧道施工當(dāng)中，我們只有首先清楚的明白既有隧道在被新建隧道下穿時(shí)其內(nèi)力和變形的特點(diǎn)，才能既確保既有結(jié)構(gòu)的安全，又能保證下穿工程的有序進(jìn)行。

1 工程概況

本文以重慶軌道交通既有地鐵隧道 3號線（民安大道站-重慶北站（北廣場）區(qū)間隧道，如圖2.1所示）與新建4號線（雙洞隧道）交叉區(qū)段的施工為背景，根據(jù)設(shè)計(jì)文件所述，交叉段起點(diǎn)為：右 K13+400.000，終點(diǎn)里程為：右K14+814.218，區(qū)間全長為1.4公里。該段下穿隧道從隧道埋深來看屬于淺深結(jié)合段（埋深從14米到52米之間變化），但是其圍巖等級低（IV、V級圍巖），圍巖穩(wěn)定性較差，屬于施工難度較大區(qū)段。下穿段連接的兩端地鐵車站之間的區(qū)間隧道均以單洞單線進(jìn)行。整個(gè)隧道區(qū)間施工與設(shè)計(jì)均按照新奧法施工進(jìn)行。

圖1.1 新建隧道與既有隧道空間位置關(guān)系（單位：米）

2 建立計(jì)算模型

本文模型的建立是以工程實(shí)例為依據(jù)，因此采用實(shí)例中的Ⅳ級圍巖為依據(jù)，主要考慮下穿隧道初期支護(hù)形式下既有隧道的應(yīng)力及變形的研究。

采用軟件 Midas-GTS NX建立計(jì)算模型，主要利用摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則建立以隧道初襯（鋼拱架噴射混凝土）結(jié)構(gòu)為主要研究對象的三維有限元模型。在查閱了大量參考文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)圣維南原理可知：當(dāng)隧道開挖時(shí)，圍巖內(nèi)力變化會(huì)隨著遠(yuǎn)離開挖區(qū)域的增加而逐漸減小，當(dāng)遠(yuǎn)離一定的距離后，其內(nèi)力的變化可以忽略不計(jì)。所以，在選擇三維模型時(shí)，考慮以一定范圍內(nèi)的圍巖為模型，在施工隧道水平方向選擇長度為隧洞跨徑的3至5倍的距離的圍巖，在垂直隧道的方向選擇取隧道洞高的2至3倍距離的圍巖，組成三維立體模型。

根據(jù)目前大量的實(shí)際下穿工程的施工經(jīng)驗(yàn)和巖土力學(xué)知識可知，對新建隧道穿越既有隧道時(shí)，對于既有隧道的影響大小，主要是由有新建隧道的施工工序和支護(hù)方式所決定的,不同的施工工序和支護(hù)方式通過下穿段都會(huì)給實(shí)際工程帶來不同的施工難度。而本文建立的模型就是以新建重慶軌道交通

4號線下穿既有地鐵線路（重慶地鐵3號線）的下穿段為例，模擬下穿段數(shù)值間距由大變小的過程，難點(diǎn)為隧道間距僅為3.4米處。借助此模型來研究分析新建地鐵隧道對既有運(yùn)營隧道的影響。

模型主要采用模擬施工中的全斷面開挖的施工方法，并以不同的施工進(jìn)尺（1.5m/2m/3m）兩隧洞掌子面間距（同步開挖、間隔6m、間隔12m、先挖一個(gè)隧道再挖另一個(gè)）為依據(jù)，進(jìn)行模擬施工。共計(jì) 72組模型。各種組合情況如表2.1所示。

表2.1 隧道計(jì)算模型組合情況

3 計(jì)算結(jié)果分析

通過對新建隧道施工對既有地鐵線影響的各工況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出開挖進(jìn)尺一定時(shí)，不同初襯參數(shù)、不同兩掌子面間距的各種工況組合下的模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了歸納總結(jié)。但對于其他工況一定時(shí)，不同開挖方法及開挖進(jìn)尺對既有隧道沉降和內(nèi)力的影響未作對比。故下面就新建隧洞每步開挖進(jìn)尺和全斷面與臺階法進(jìn)行結(jié)果分析。下面以鋼拱架間距0.5m為例，分析既有隧道仰拱沉降與開挖進(jìn)尺的關(guān)系，如表3.1所示。

表3.1 鋼拱架間距0.5m時(shí)各工況既有仰拱沉降表

從表3.1中可以看出，每步開挖進(jìn)尺越大，其相應(yīng)引起的沉降值也就越大，比如在掌子面間距為0m時(shí)，每次開挖4米引起的沉降值為2.38mm，每次開挖1m，所引起的沉降值為1.9mm，因此開挖進(jìn)尺可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的沉降。

下面以鋼拱架間距0.5m為例，分析既有隧道仰拱沉降與開挖方法（全斷面與臺階法）的關(guān)系。提取鋼拱架間距0.5m、每次開挖1m時(shí)，開挖方法與掌子面間距對應(yīng)的沉降值，匯于表3.2。

表3.2 不同開挖方法對應(yīng)既有仰拱沉降表

從表中數(shù)據(jù)可以看出分臺階開挖時(shí)對應(yīng)最大沉降為1.9mm，比全斷面開挖所引起的最大沉降值1.73mm小，因此分臺階開挖可以有效控制既有結(jié)構(gòu)的變形。

在內(nèi)力變化方面，利用上述相同方法，提取鋼拱架間距0.5m時(shí)每次開挖進(jìn)尺與掌子面間距對應(yīng)二襯z方向內(nèi)力值，如表3.3。

表3.3 鋼拱架間距0.5m時(shí)各工況既有隧道二襯z方向應(yīng)力值

從表格中可以看到，隨著每步開挖進(jìn)尺的增大，各工況對應(yīng)的二襯邊墻z方向壓應(yīng)力值在減小，也就是應(yīng)力相對開挖前時(shí)內(nèi)力值變化增大。

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工程背景選取了模型材料的計(jì)算參數(shù)，運(yùn)用Midas-GTS NX軟件計(jì)算了 72組模型下新建地鐵隧道下穿既有隧道的影響，通過分析模型的計(jì)算結(jié)果，得出以既有隧道在垂直方向上（Z軸）應(yīng)力值變化最為明顯的邊墻作為參考指標(biāo)，而在研究既有隧道的變形影響方面以變形量最大的仰拱處的沉降值為參考依據(jù)對整個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行研究分析。并以此依據(jù)為前提，對照實(shí)際施工中的施工進(jìn)行施工模擬，依次分析了在不同的進(jìn)尺（1.5m、2m、3m）情況下，新建隧道在不同的支護(hù)情況以及兩隧洞掌子面間距及開挖方法改變時(shí)對既有隧道的影響。得出了以下結(jié)論：

①新建隧道在采用不同的初襯鋼拱架間距時(shí)，對于既有隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力以及周圍圍巖的變形影響程度不同，沉降量隨著鋼拱架的間距的增大而增大，且邊墻的也隨之增大；

②既有隧道在下穿段開挖前，邊墻位置一直處于受壓狀態(tài)且保持穩(wěn)定，但隨著下穿段的施工開挖，既有隧道邊墻出的受力逐漸由受壓變?yōu)槭芾臓顟B(tài)，且趨勢隨著開挖的進(jìn)行而不斷加大。

綜上所述，當(dāng)遇到新建隧道下穿既有隧道時(shí)，采用小開挖進(jìn)尺對圍巖的擾動(dòng)相對較小，同時(shí)所需時(shí)間減小，能盡快的完成出渣，制作初支等工序，縮短了開挖循環(huán)，降低了圍巖地城應(yīng)力損失，從而保證施工的安全。