地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離上跨城際高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為分析

陳桂龍

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507）

隨著城鎮(zhèn)化的推進，高鐵與地鐵的交通無縫連接，解決新建隧道與既有隧道的相互平行、重疊和上下交叉、交錯穿越幾種位置關(guān)系的問題成為研究重點。霍軍帥等[1]通過有限元方法探討蘇州2號線盾構(gòu)掘進對滬寧城際線地表沉降的影響。張立陽[2]對盾構(gòu)下穿高速鐵路高架橋引起的變形影響進行了研究。張暢飛[3]研究發(fā)現(xiàn)兩隧道上下交叉的情況下，上方隧道的列車通行時會引起下方隧道產(chǎn)生振動與變形。江華等[4]采用有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場自動化監(jiān)測結(jié)合的方法，研究盾構(gòu)隧道上跨施工引起的既有線水平和豎向的變形規(guī)律。王偉[5]通過分析新建隧道與既有隧道間的作用機制，結(jié)合有限元數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等手段，對既有正線隧道的變形進行討論和研究。周經(jīng)偉[6]通過分析盾構(gòu)穿越既有隧道工程特點以及相互作用機制，采用有限元方法建立三維數(shù)值模擬分析不同穿越角度以及穿越凈距對既有隧道圍巖變形影響。文章結(jié)合佛山三號線城市軌道交通佛羅區(qū)間上跨廣佛環(huán)盾構(gòu)隧道的工程背景，以廣佛環(huán)盾構(gòu)隧道為研究對象，采用Midas GTS NX軟件建立三維有限元數(shù)值模型，研究佛羅區(qū)間盾構(gòu)隧道掘進時對廣佛環(huán)盾構(gòu)隧道的內(nèi)力和變形規(guī)律。為減少地鐵列車振動對城際隧道的影響，綜合分析提出中等減振的措施。

1 工程背景

佛山三號線佛山機場站—羅村站區(qū)間從佛山機場出發(fā)向西延伸，下穿沙坑村村民房和附近一片廠房，沿著機場路西沿線下穿擬建的禪西大道橋梁并上跨廣佛環(huán)，同時區(qū)間側(cè)穿南海福利院、君湖天下小區(qū)等，最后到達羅村站[7]。佛山機場站—羅村站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間起訖里程左線ZDK62+960.004～ZDK64+569.821，短鏈長2.024 m，左線區(qū)間全長1 607.793 m；右線YDK62+960.000～YDK64+569.821，右線區(qū)間全長1 609.821 m。佛山機場站—羅村站區(qū)間在YDK63+567.795～YDK63+595.820段以夾角66°斜交上跨的廣佛環(huán)城際盾構(gòu)隧道，最小凈距僅5.1 m。上跨段佛山三號線隧道埋深約12 m，下穿段佛山三號線區(qū)間隧道均處于0.4%上坡段，左右線平面位于半徑為650 m的圓曲線上。右線隧道軌面標高-5.166～-5.057 m。

該穿越位置地質(zhì)情況復(fù)雜，區(qū)間位于軟弱地層。地質(zhì)情況自上到下土層分別為：＜2-1B＞淤泥質(zhì)土，＜5N-1＞硬塑狀粉質(zhì)黏土，＜7-2＞強風巖層。地下水主要為松散層孔隙水和基巖裂隙水[8]。

土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 三維有限元模型建立

2.1 工況分析

對佛羅盾構(gòu)區(qū)間上跨對廣佛環(huán)線隧道的作用過程進行優(yōu)化[9-10]。模擬施工步驟，第一步模擬土層原始狀態(tài)，在初始應(yīng)力狀態(tài)下，考慮巖土體和現(xiàn)有城際隧道結(jié)構(gòu)，即地層的原始狀態(tài)，位移清零；第二步模擬左線盾構(gòu)掘進上跨城際鐵路的狀態(tài)，地鐵隧道左線管片安裝，施加土倉壓力；第3步模擬右線盾構(gòu)掘進上跨城際鐵路的狀態(tài)，鐵隧道右線管片安裝，施加土倉壓力。

2.2 模型建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)空間立體關(guān)系及施工特點，建立的三維有限元計算模型。三維模擬分析計算時充分結(jié)合地層分布特點合理選取計算參數(shù)，對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件及地層的有限元模擬，采用實體單元模擬地層，板單元模擬隧道管片[11]。分析采用水土分算模式，摩爾-庫倫破壞準則仿真模擬地層，計算范圍為220 m×200 m×80 m的區(qū)域。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。

3 盾構(gòu)上跨廣佛環(huán)城際隧道三維模擬結(jié)果及分析

計算時先得到廣佛環(huán)城際區(qū)間隧道初始階段在土壓力下的變形、內(nèi)力、應(yīng)力等數(shù)值，將位移清零。從第二至最后一個計算步驟計算出由隧道掘進引起的位移、內(nèi)力、應(yīng)力等變化，根據(jù)變化值判斷地鐵隧道掘進對城際隧道的影響[12-13]。

3.1 廣佛環(huán)城軌區(qū)間隧道豎向位移分析

當佛羅區(qū)間隧道左線掘進時，城際隧道產(chǎn)生最大豎向位移值為2.703 mm；當佛羅區(qū)間隧道右線掘進時，城際隧道產(chǎn)生最大豎向位移值為2.757 mm。因此，由地鐵隧道的掘進引起城際隧道產(chǎn)生豎向最大位移為2.757 mm，滿足規(guī)范要求。

各工況下城際隧道結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖1所示。

3.2 廣佛環(huán)城軌區(qū)間隧道水平位移分析

各工況城際隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖2所示。

由圖2可知，當佛羅區(qū)間隧道左線掘進時，城際隧道產(chǎn)生最大水平位移值為0.674 mm；當佛羅區(qū)間隧道右線掘進時，城際隧道產(chǎn)生最大水平位移值為0.670 mm。因此，由地鐵隧道的掘進引起城際隧道產(chǎn)生水平最大位移為0.674 mm，滿足規(guī)范要求。

廣佛環(huán)城際區(qū)間隧道變形的原因，一是城際隧道自身的沉降所產(chǎn)生的變形，二是地鐵盾構(gòu)區(qū)間上跨城際鐵路產(chǎn)生的變形。地鐵盾構(gòu)區(qū)間上跨過程中產(chǎn)生的變形對城際鐵路豎向影響較大，對城際鐵路水平方向影響較小，最大豎向位移值為2.757 mm，最大水平位移值為0.674 mm，發(fā)生在地鐵區(qū)間隧道開挖的正下方城際區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)處。

3.3 廣佛環(huán)城際區(qū)間隧道內(nèi)力

各工況下區(qū)間隧道的彎矩云圖如圖3所示。

隨著地鐵隧道的開挖，城際隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和彎矩發(fā)生了變化，彎矩最大值為13.539 kN·m。城際隧道管片配筋為E25@100 mm，滿足要求。

4 地鐵隧道減振措施

根據(jù)國內(nèi)地鐵軌道減振產(chǎn)品現(xiàn)狀、相關(guān)單位測試成果以及各城市地鐵工程設(shè)計經(jīng)驗，把國內(nèi)軌道減振措施歸納為3種。

中等減震：減震性能6～10 dB；雙層非線性減振扣件，軌道減振器扣件，彈性短軌枕，LORD扣件。

高等減震：減震性能12～15 dB；隔離式減振墊浮置板，中檔鋼彈簧浮置板，Vanguard扣件，梯形軌枕軌道。

特殊減震：減震性能＞15 dB；高檔鋼彈簧浮置板。

在經(jīng)濟方面，高等減振措施較中等減振措施每公里增加約1 000萬元，特殊減振措施較中等減振措施每公里增加約1 300萬元。根據(jù)軌道的模擬結(jié)果以及經(jīng)濟方面的對比，佛羅區(qū)間軌道采用中等減振措施，現(xiàn)場實測減振效果約為6 dB，效果良好。

5 結(jié)語

通過有限元分析盾構(gòu)區(qū)間上跨過程中對廣佛環(huán)線隧道的內(nèi)力和變形的影響。結(jié)果表明，盾構(gòu)隧道的掘進對廣佛環(huán)線城際隧道的變形影響較小，盾構(gòu)上跨不會對廣佛環(huán)城際隧道產(chǎn)生影響。對地鐵列車通行產(chǎn)生振動進行分析，列車產(chǎn)生的振動對廣佛環(huán)線影響較小。為提高廣佛環(huán)線的安全，對軌道采取中等減振措施，能夠降低列車運行時產(chǎn)生的振動。