地鐵隧道施工對(duì)既有高鐵隧道的影響數(shù)值模擬分析

王學(xué)廣 龍明華

(1 中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司廣州分公司；2 中國(guó)中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司）

1 工程概況

某地鐵停車(chē)場(chǎng)出入線隧道為左右單洞單線圓形隧道，最大直徑6.2m，TBM 掘進(jìn)施工。既有高鐵隧道為單洞雙線隧道，隧道結(jié)構(gòu)寬14.22m，高12.08m，拱墻初支25cm 厚C25 噴射混凝土，二襯45cm 厚C35 防水鋼筋混凝土。兩隧道均處于Ⅳ級(jí)圍巖，高鐵隧道礦山法施工。地鐵隧道下穿高鐵隧道，兩隧道豎向最小凈距約8.7m，兩隧道夾角約54°。先掘進(jìn)右線，右線TBM 通過(guò)后及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，待沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行左線隧道掘進(jìn)下穿施工。

2 模型建立及模擬施工方法

2.1 數(shù)值模擬方法介紹

地鐵出入線隧道下穿高鐵隧道的數(shù)值模擬分析采用三維有限差分軟件進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模型建立

2.2.1 模型尺寸及邊界條件

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告、圖紙等資料，按照現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)地形、高鐵位置及地鐵情況，建立三維有限差分模型。模型x 方向?yàn)榈罔F線路垂直方向，y 方向?yàn)榈罔F線路方向，z 方向?yàn)樨Q直方向。在模型的四個(gè)側(cè)面及底面設(shè)置為固定邊界條件。建立的模型長(zhǎng)×寬×高分別為200m×120m×(100～150)m，其中地鐵及高鐵隧道附近網(wǎng)格局部加密，模型見(jiàn)圖1。模型共有節(jié)點(diǎn)23 萬(wàn)余個(gè)，單元22 萬(wàn)余個(gè)。

圖1 模型整體示意圖

2.2.2 模型計(jì)算參數(shù)選取

模型中巖土體單元采用摩爾庫(kù)倫模型（Model Mohr），巖土體的物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)巖土勘察報(bào)告中提供的土體與巖體物理力學(xué)指標(biāo)建議值進(jìn)行設(shè)置，模型中的參數(shù)如表1 所示。為安全計(jì)，本模型將花崗巖統(tǒng)一考慮為Ⅳ級(jí)圍巖。

表1 模型參數(shù)

2.3 模擬施工方法

計(jì)算得到地鐵開(kāi)挖前模型的應(yīng)力狀態(tài)后，采用null 本構(gòu)關(guān)系對(duì)地鐵進(jìn)行開(kāi)挖。每次開(kāi)挖1.5m，開(kāi)挖的同時(shí)生成管片支護(hù)隧道圍巖。

3 地鐵施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

3.1 地鐵開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)力特征分析

右線施工過(guò)程中高鐵隧道應(yīng)力特征：

對(duì)比分析地鐵與高鐵隧道交點(diǎn)位置在右線地鐵開(kāi)挖前后的應(yīng)力，見(jiàn)圖2～圖10。由圖2、圖3 可知，于地鐵交點(diǎn)處高鐵隧道x 方向的最大應(yīng)力為1.68MPa，地鐵開(kāi)挖后變?yōu)?.66MPa，減小0.02MPa，變化約1%。

圖2 地鐵開(kāi)挖前高鐵隧道x 方向應(yīng)力云圖

圖3 地鐵開(kāi)挖后高鐵隧道x 方向應(yīng)力云圖

圖4 地鐵開(kāi)挖前高鐵隧道y 方向應(yīng)力云圖

圖5 地鐵開(kāi)挖后高鐵隧道y 方向應(yīng)力云圖

圖6 地鐵開(kāi)挖前高鐵隧道z 方向應(yīng)力云圖

圖7 地鐵開(kāi)挖后高鐵隧道z 方向應(yīng)力云圖

圖8 地鐵右線開(kāi)挖后地鐵x 方向應(yīng)力云圖

圖9 地鐵右線開(kāi)挖后地鐵y 方向應(yīng)力云圖

由圖4、圖5 可知，于地鐵交點(diǎn)處高鐵隧道y 方向的最大應(yīng)力為2.68MPa，地鐵開(kāi)挖后變?yōu)?.66MPa，減小約0.01MPa，變化小于0.5%。

由圖6、圖7 可知，于地鐵交點(diǎn)處高鐵隧道z 方向的最大應(yīng)力為7.87MPa，地鐵開(kāi)挖后變?yōu)?.83MPa，減小約0.04MPa，變化約為0.5%。

由圖2～圖7 可知，高鐵隧道襯砌的應(yīng)力有變化，變化幅度基本在1%以?xún)?nèi)，甚至小于0.01%，表明地鐵開(kāi)挖對(duì)高鐵隧道的應(yīng)力影響小。

地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵位置應(yīng)力重分布，起拱線附近z 方向應(yīng)力增大約2 倍，局部位置應(yīng)力達(dá)到10MPa，拱頂?shù)讀 方向應(yīng)力約為1～2MPa，地鐵襯砌局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，處于在抗拉強(qiáng)度以?xún)?nèi)，發(fā)生明顯應(yīng)力變化的范圍在5m 以?xún)?nèi)。

地鐵左線隧道與右線隧道距高鐵隧道距離相差不多，左右兩線隧道圍巖的應(yīng)力特征相近，本文不在贅述。

3.2 地鐵開(kāi)挖過(guò)程中變形特征分析

右線施工過(guò)程中變形特征：

右線施工過(guò)程中，交點(diǎn)處橫斷面的高鐵隧道變形云圖見(jiàn)圖11～圖16。由圖11 可知，橫斷面x 方向上的位移值小，最大值為拱底的0.01mm，頂部的沉降小于0.005mm，變形值較小。

圖11 地鐵右線開(kāi)挖后高鐵隧道x 方向位移云圖

圖12 地鐵右線開(kāi)挖后高鐵隧道y 方向位移云圖

圖13 地鐵右線開(kāi)挖后高鐵隧道z 方向位移云圖

圖14 地鐵右線開(kāi)挖后地鐵x 方向位移云圖

圖15 地鐵右線開(kāi)挖后地鐵y 方向位移云圖

圖16 地鐵右線開(kāi)挖后地鐵z 方向位移云圖

由圖12 可知，高鐵隧道橫斷面y 方向上的位移值小，最大值為拱底的0.05mm，頂部的位移小于0.003mm。

由圖13 可知，高鐵隧道橫斷面z 方向上的位移值相對(duì)大，最大值為拱底的1mm，頂部的位移小于0.1mm。

地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵圍巖產(chǎn)生變形，z 方向的變形最大，最大下沉量為1.8mm，最大隆起量為1.8mm，最大橫向變形為1mm，最大縱向變形為0.6mm。

地鐵左線隧道與右線隧道距高鐵隧道距離相差不多，左右兩線隧道變形特征相近，本文不在贅述。

4 結(jié)論

通過(guò)建立地鐵隧道及高鐵隧道模型，依據(jù)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，對(duì)地鐵施工過(guò)程進(jìn)行模擬，分析地鐵、高鐵的應(yīng)力和變形特征，得出結(jié)論如下：

⑴天然狀態(tài)下，地鐵位置的豎向應(yīng)力范圍為1.26～2.27MPa，沿開(kāi)挖方向的應(yīng)力為0.3～0.6MPa，垂直開(kāi)挖方向的應(yīng)力為0.3～0.5MPa，埋深不同，應(yīng)力不同。

⑵地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵位置應(yīng)力重分布，起拱線附近z 方向應(yīng)力增大約2 倍，局部位置應(yīng)力達(dá)到10MPa，拱頂?shù)讀 方向應(yīng)力約為1～2MPa，地鐵襯砌局部位置出現(xiàn)拉應(yīng)力，處于在抗拉強(qiáng)度以?xún)?nèi)，發(fā)生明顯應(yīng)力變化的范圍在5m 以?xún)?nèi)。左右兩線隧道圍巖的應(yīng)力特征相近。

⑶地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，地鐵圍巖產(chǎn)生變形，z 方向的變形最大，最大下沉量為1.8mm，最大隆起量為1.8mm，最大橫向變形為1mm，最大縱向變形為0.6mm。

⑷地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，高鐵隧道襯砌的應(yīng)力有變化，變化幅度基本在1%以?xún)?nèi)，甚至小于0.01%，表明地鐵開(kāi)挖對(duì)高鐵隧道的應(yīng)力影響小。

⑸地鐵開(kāi)挖過(guò)程中，高鐵隧道襯砌及圍巖最大變形量為0.2mm，表明地鐵開(kāi)挖對(duì)高鐵隧道的變形影響小。