基于FLAC3D的交疊隧道施工模擬分析

鄭君， 楊斌， 王微微， 張琳

（1. 廣州科技職業(yè)技術(shù)大學；2. 中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司）

1 引言

21世紀以來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的軌道交通線路出現(xiàn)了大量的線路交叉，換乘線路以及區(qū)間隧道的近距離交叉穿越問題[1]。在此條件下，采取有效的工程措施減弱新建工程對鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)的不利影響，確保軌道交通結(jié)構(gòu)在外部作業(yè)施工及運營期間的安全成為必須重點解決的技術(shù)問題。文章模擬分析了新建東環(huán)鐵路隧道工程下穿太和隧道全過程施工階段，通過分析交疊隧道變形規(guī)律，核實既有結(jié)構(gòu)安全性，評估新建東環(huán)鐵路隧道施工對既有結(jié)構(gòu)的影響，為后期小凈距交叉隧道的施工提供了理論依據(jù)。

2 工程概況

東環(huán)隧道屬于城市地下隧道，在大源站至太和站區(qū)間上行線DSK38+683.0～DSK38+710.1 段、下行線DXK38+674.0～DXK38+697.0 段以雙洞單線隧道形式斜交下穿貨車外繞線太和隧道，夾角約為53°，穿越段廣州樞紐東北貨車外繞線太和隧道位于里程范圍DIIK20+970～DIIK21+014.5，穿越里程段東環(huán)隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道埋深約75m～83.5m。太和隧道和東環(huán)隧道的相對位置如圖1所示。

圖1 廣佛環(huán)線與貨車外繞線太和隧道平面位置關(guān)系示意圖

3 模擬計算

采用FLAC3D 對交疊隧道進行施工模擬，計算假定建立在隧道正常施工并采取及時支護措施為前提條件。建立廣佛線東環(huán)隧道下穿太和鐵路區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，按實際施工順序模擬隧道施工[2]。模型以東環(huán)隧道縱向方向為Y 軸，與太和區(qū)間鐵路隧道平行方向為X 軸，豎直方向為Z 軸，模型在X 軸方向取100m，Y 軸方向取200m，Z 軸方向取100m。結(jié)合東環(huán)鐵路隧道及太和隧道的相對位置關(guān)系，建立三維模型網(wǎng)格劃分效果圖如圖2 所示，模型共包含529171個單元，327561個節(jié)點。

圖2 模型透視圖

各工序的模擬情況說明：

工序1：東環(huán)鐵路隧道施工前的初始狀態(tài)。為得到東環(huán)鐵路隧道施工前的地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)，首先計算初始地應(yīng)力，保留應(yīng)力狀態(tài)并將位移歸零，之后進行太和隧道的施工，保留應(yīng)力狀態(tài)并將位移歸零，以此作為東環(huán)鐵路隧道施工階段的初始狀態(tài)。

工序2：東環(huán)左線鐵路隧道開挖至接近太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬了東環(huán)左線隧道從距離太和隧道正下方100m 處掘進至接近太和隧道正下方30m 時，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

工序3：東環(huán)鐵路隧道左線開挖穿過太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬東環(huán)左線隧道從接近太和隧道掘進至穿過太和隧道正下方30m，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

工序4：東環(huán)鐵路左線隧道開挖遠離太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬東環(huán)左線隧道從穿過太和隧道正下方30m掘進至穿過太和隧道正下方100m，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

工序5：東環(huán)右線鐵路隧道開挖至接近太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬了東環(huán)右線隧道從距離太和隧道正下方100m 處掘進至接近太和隧道正下方30m 時，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

工序6：東環(huán)鐵路隧道右線開挖穿過太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬東環(huán)右線隧道從接近太和隧道掘進至穿過太和隧道正下方30m，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

工序7：東環(huán)鐵路右線隧道開挖遠離太和隧道。此工序包含盾構(gòu)隧道掘進和支護過程，模擬東環(huán)右線隧道從穿過太和隧道正下方30m掘進至穿過太和隧道正下方100m，隧道施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道產(chǎn)生的影響。

4 計算結(jié)果分析

4.1 外繞線太和隧道結(jié)構(gòu)變形

計算得到東環(huán)鐵路隧道開挖過程中上跨鐵路太和隧道結(jié)構(gòu)變形位移，太和隧道結(jié)構(gòu)最大位移及具體數(shù)值及分析如表1、圖3。

表1 太和隧道結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果匯總表 mm

圖3 施工過程中太和隧道豎向最大變形云圖

4.2 軌道結(jié)構(gòu)變形

太和隧道軌道最大位移及其他變形指標值及分析如表2、圖4所示。

表2 太和隧道軌道結(jié)構(gòu)變形計算結(jié)果匯總表 mm

圖4 施工過程中太和隧道軌道豎向最大變形云圖

4.3 太和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力

對東環(huán)鐵路隧道開挖過程中上跨鐵路太和隧道結(jié)構(gòu)在各方向下的應(yīng)力水平及變化進行整理與分析，提取計算結(jié)果如表3所示，表中僅列出隧道結(jié)構(gòu)在各方向下拉應(yīng)力及壓應(yīng)力最大值對應(yīng)的指標，其他指標數(shù)值不再贅述。

表3 地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力 MPa

4.4 分析結(jié)論

東環(huán)鐵路隧道下穿太和隧道施工過程引起太和隧道結(jié)構(gòu)及軌道發(fā)生變形。將東環(huán)鐵路隧道開挖前作為初始狀態(tài)，則在隧道開挖過程中，上跨鐵路隧道結(jié)構(gòu)及軌道的豎向變形（沉降）不斷增加，隨著東環(huán)鐵路隧道開挖遠離逐漸收斂[3]。隧道結(jié)構(gòu)最大沉降值為-0.26mm；X方向最大位移為-0.032mm；Y 方向最大位移為-0.015mm；最大差異沉降值為0.012%Ls。軌道最大水平變形值為0.031mm，軌道最大高低變形值最大值為0.23mm，軌道最大軌向變形值為0.014mm，最大軌距為0.002mm，以上計算結(jié)果均滿足控制指標要求。

結(jié)合前述提出的控制指標，太和鐵路區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)變形滿足控制標準要求；偏安全地將隧道結(jié)構(gòu)最大變形作為軌道變形，軌道變形滿足控制標準要求[4]。由結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果可見：東環(huán)鐵路隧道下穿太和隧道施工模擬過程引起太和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，但變化幅度極小，且數(shù)值滿足C50混凝土材料強度控制值，滿足要求。

5 結(jié)語

論文以東珠三角城際軌道交通廣佛線東環(huán)隧道工程為背景，對東環(huán)鐵路隧道下穿太和隧道全過程施工階段對交疊隧道施工的整個過程進行了數(shù)值模擬。得出相關(guān)模擬指標數(shù)值并開展了綜合分析，得出以下結(jié)論。

①由太和隧道結(jié)構(gòu)及軌道位移云圖可以看出：在東環(huán)鐵路隧道下穿既有鐵路隧道過程中，既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大位移的位置是在東環(huán)鐵路隧道正上方位置，該位置是既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降峰值發(fā)生處。

②由結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果可見：東環(huán)鐵路隧道下穿太和隧道施工模擬過程引起太和隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，但變化幅度極小。

③東環(huán)隧道下穿外繞線太和隧道施工過程，對太和隧道結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)里及軌道幾何尺寸產(chǎn)生了一定影響，但影響有限，外繞線太和隧道結(jié)構(gòu)及軌道各項控制指標均在安全控制標準范圍內(nèi)，不影響外繞線鐵路正常運營。