中建三局第一建设工程有限责任公司 湖北武汉 430040
摘要：本文结合某地区的地质和城市轨道交通的特点，采用数值模拟方法研究上跨、下穿工程施工对既有地铁隧道结构稳定性的影响。
关键词：盾构法;上跨下穿;近接施工
一、穿越施工有限元模型
本轨道交通1号线位于本城区的东西轴向，线路全长约25．74 km，平均埋深约15 m。全线均为地下车站。2号线为南北向，线路全长26．6km，高架线路约7 km，其余均为地下线。2号线盾构区间隧道结构采用装配式C50钢筋混凝土管片衬砌，盾构管片外径6．2 m、内径5．5 m、厚0．35 m、环宽1．2 m;每环管片由1块封顶块、2块邻接块和3块标准块组成，采用错缝式拼装。根据本轨道交通的实际情况，建立新建隧道、市政管线上跨和下穿既有轨道交通线路的有限元计算模型，见图1和图2。既有隧道横断面位于XZ平面内，纵轴平行于坐标Y轴，位于第⑥层粉质黏土层。新建隧道穿越既有隧道，横断面位于YZ平面内，纵轴平行于坐标X轴。X和Y方向的长度均为100 m，Z方向的长度为60 m。模型四周约束水平向位移，底部约束竖向位移，顶面为自由面。既有隧道顶部埋深15 m，外径6．2 m，管片厚度0．35 m，采用C50预制钢筋混凝土管片。计算新建隧道(或市政管线)以不同外径、不同竖向净距穿越施工对既有隧道的影响。计算模型土层依据本地区的某开发地块项目的地层，共11层，土体采用摩尔－库伦模型，计算模型见图1、图2所示。隧道管片采用线弹性模拟，弹性模量为35．5 GPa，泊松比为0．16。土体和管片均采用8节点四面体实体单元模拟。考虑到市政交通隧道上跨往往不能满足上覆土的厚度要求，上跨的市政管线更容易满足此项要求，因此上跨计算选择外径D=1 m、3 m、5 m、6．2 m四种，下穿仅计算D=6．2 m。文献研究表明，盾构隧道施工地层损失率一般在0．2%～2%，故计算中假定地层损失率为1%，不考虑地下水的影响。模拟步骤如下:(1)既有隧道和土体地应力平衡，经过平衡将模型的位移控制在10－5m数量级;(2)新建隧道(管线)开挖，控制地层损失率为1%，每个分析步开挖3．6 m长，即3个管片环宽度。
二、上跨施工对既有隧道结构的影响
1、新建隧道或管线的外径对既有隧道的影响
新建隧道(D=6．2 m)和市政管线(D=1 m、3 m、5 m)在竖向净距1 m上跨既有隧道施工时，既有隧道竖向位移分布曲线。横坐标为既有隧道纵向长度，横坐标50 m处为新建隧道或管线跨越既有隧道处。新建隧道和市政管线跨穿施工时，既有隧道沿纵向隆起形成“反沉降槽”;既有隧道被跨处隆起量最大，向两端隆起量逐渐减小。随着新建工程外径的增大，既有隧道最大隆起量不断增大，但均在10 mm以内;外径6．2m时既有隧道最大隆起量为8．8 mm，是外径1 m时既有隧道最大隆起量(0．5 mm)的17．6倍。既有隧道的隆起量随着新建隧道、市政管线的直径增加而明显增大。
既有隧道与新建隧道(管线)空间交叉处，既有隧道顶部拉应力明显集中。既有隧道最大拉应力值随着新建隧道或管线外径的减小而减小，并且应力集中的范围也随着外径的减小而减小。
2、竖向净距对既有隧道的影响
新建隧道(D=6．2 m)和市政管线(D=1 m、3 m、5 m)以不同竖向净距上跨施工时，既有隧道竖向位移的变化曲线。由图5可见，新建隧道和不同外径的市政管线上跨施工时，随着竖向净距的增加，既有隧道竖向位移均呈减小的趋势，但减小速率较慢，尤其是新建市政管线外径较小时，减小速率更加缓慢。净距对既有隧道隆起的影响较外径的影响小。新建隧道和市政管线施工，改变了既有隧道受力状态，在承载能力极限状态下隧道设计时往往要求结构受力不超过混凝土强度设计值，由于混凝土抗压强度远大于抗拉强度，因此，可根据最大拉应力与抗拉强度设计值的关系来判定不同工况下既有隧道是否处在安全状态。新建隧道和市政管线以不同竖向净距上跨施工时，既有隧道最大主应力变化曲线。既有隧道管片混凝土强度为C50，抗拉强度设计值为2．07 MPa，施工中既有隧道最大拉应力不宜超过混凝土抗拉强度设计值。以下据此分析安全的穿越净距。
上跨施工时既有隧道最大拉应力随着竖向净距的增大而减小。外径6．2 m的隧道上跨施工时，应力变化曲线与抗拉强度设计值交点对应的竖向净距约为4．2 m。根据模拟分析结果，建议外径6．2 m或直径更大的隧道上跨施工时，净距应≥4．2 m，此时新建隧道上最大覆土厚度为4．6m，不满足《地铁设计规范》中对隧道覆土厚度不宜小于隧道外轮廓直径的规定。在既有隧道埋深15m，地层损失率1%的假定下，外径6．2 m或直径更大的隧道不宜上跨施工。同理，外径为5 m的管线上跨施工时应保证竖向净距≥2．6 m;外径≤3 m的管线在竖向净距≥1 m情况下可以上跨施工。
三、下穿施工对既有隧道结构的影响
由于市政管线下穿城市轨道交通既有隧道的情况极少，仅就新建隧道下穿城市轨道交通既有隧道进行分析。新建隧道下穿施工时，既有隧道沿纵向沉降且形成“沉降槽”;既有隧道在被下穿处的沉降量最大，到两端沉降量不断减小。随新建隧道与既有隧道竖向净距的增加，既有隧道沉降量减小。经模拟分析，既有隧道沉降量均在10 mm以内。图8是新建隧道下穿施工时既有隧道的最大拉应力分布云图。在既有隧道与新建隧道空间交叉处，既有隧道顶部拉应力集中，最大拉应力随竖向净距的增加而减小，但应力集中的范围稍有增大。
新建隧道下穿施工的4种工况中，净距为1 m和2．5 m的工况下既有隧道最大拉应力超过了混凝土抗拉强度设计值;当净距＞3 m时，既有隧道最大拉应力均小于抗拉强度设计值。因此，在本文假定的既有隧道埋深15 m，地层损失率为1%的情况下，应限制新建隧道在净距3 m以内的下穿施工，净距3 m以上的下穿工程，应注意采取措施，严格控制地层损失率，以保证既有隧道的结构安全。
结束语
综上所述，新建隧道和市政管线上跨施工时，既有地铁隧道竖向产生隆起，且沿纵向形成“反沉降槽”。随新建隧道(市政管线)外径增大，既有地铁隧道的隆起量不断增大。与新建隧道交叉处，既有地铁隧道顶部拉应力集中，最大拉应力和应力集中范围随外径的减小而减小。随着竖向净距的增加，既有隧道竖向位移均呈减小的趋势。
参考文献
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[4]李辉.上跨隧道对既有隧道的变形影响及控制研究[D].重庆交通大学,2014.
论文作者:徐程
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/27
标签：隧道论文; 外径论文; 应力论文; 管线论文; 管片论文; 市政论文; 抗拉强度论文; 《基层建设》2016年5期论文;