地铁盾构隧道上跨南水北调干渠影响分析

李国东

【摘要】本文以拟建北京地铁17号线上跨南水北调东干渠隧道工程为背景，通过有限元软件FLAC3D对地铁盾构隧道在施工过程中对既有南水北调东干渠隧道的影响进行了计算，分析了东干渠隧道结构与隧道周围土体的沉降变化，提出了施工方案与施工保护措施。

【关键词】盾构隧道，上跨，有限元

中图分类号：U455.43

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，盾构法已经成为国内地铁隧道施工的主要方法。但城市轨道交通发展不可避免地会使新建隧道与原有隧道产生错综复杂的关系。本文采用有限元软件FLAC3D对北京地铁17号线地铁隧道上跨既有南水北调东干渠隧道施工过程进行了数值计算，分析了对既有隧道的影响。

1 概述

1.1 工程概况

北京地铁17号线是贯穿南北方向的轨道交通干线，其定位为大运量等级快线，串联城市东部重要发展区域及居住社区。其跨越南水北调东干渠位置处于勇士营站至望京西站区间K14+446～K14+466处。穿越角度约为24°。该段区间隧道为单洞单线圆形断面盾构法施工，采用预制装配式钢筋混凝土平板形管片。盾构管片外径为6.4m，内径为5.8m，管片宽度为1200mm，厚度300mm，隧道拱顶埋深约为7.4m。

南水北调东干渠隧道采用盾构管片加内衬的形式，为单洞圆形钢筋混凝土隧道。盾构管片外径为6m，内径为5.4m，盾构管片厚度300mm；内衬内径为4.6m，厚度为400mm，隧道拱顶埋深约19.3m。

北京地铁17号线隧道和既有南水北调东干渠隧道的平面位置关系如图1。两隧道竖向净距约5.5m。

图1 新建地铁隧道和既有南水北调东干渠隧道的平面位置关系

1.2 工程地质与水文条件

该地区自然地面下至55m深度范围内地层以粘性土、粉土及砂土层为主，分布有连续的卵砾石层。表层主要以厚3.8～8.8m人工堆积的粉土素填土、杂填土为主；人工堆积层以下为厚度较大的第四纪沉积粘性土、粉土及砂卵石层。隧道上跨区段自上而下，土层依次为人工填土、粉土、粉质粘土、砂土。

该地区地表以下50m深度内赋存3层地下水：第1层地下水属台地潜水，水位埋深为1.94～2.15m左右。第2层地下水为层间水，水位埋深25.90～26.30m，水位标高11.17～11.38m。第3层地下水为承压水，承压水水头埋深34.08m。

2 有限元计算

1 计算思路

本次计算中首先建立场地模型，而后分三步计算南水北调东干渠隧道施工完成后的位移：第一步，施工南水北调东干渠隧道；第二步，施工北京地铁17号线左线隧道；第三步：施工北京地铁17号线右线隧道。

2 计算参数

根据北京地铁17号线地勘报告及新建地铁隧道、南水北调东干渠隧道的设计方案图，本次计算采用的计算参数见表1。

表1 有限元计算参数表

名称 厚度/m 弹性模量/MPa 粘聚力/kPa 摩擦角/° 泊松比

人工填土 2 8.0 6 10.0 0.3

粉土 12 14.1 20 26.8 0.25

粉质粘土 14 7.2 29 7.7 0.25

砂土 12 45.7 0 30.0 0.3

管片 0.3 2.3e4 - - -

3 计算模型

本次计算采用有限元分析软件FLAC3D三维计算模型，隧道交叠区域土体模型取为总长60m，总宽为60m，竖向高度为50m，上部取自地表面，且因该区域地表较平坦，故忽略地表起伏的影响。交叠区域土体用实体单元模拟，隧道衬砌用shell单元模拟，新建地铁隧道与南水北调东干渠隧道位置关系图如图2。

图2 隧道位置关系圖

三 计算结果分析与保护措施

1 计算结果分析

经计算，可以依次得到南水北调东干渠、地铁左线隧道、地铁右线隧道施工后的地表沉降曲线（如图3）和南水北调东干渠的最大沉降值。

图3 地表沉降曲线

由地表沉降曲线可知：地表沉降最大值均产生在第三部开挖之后，地表沉降最大值约0.95cm。东干渠隧道拱顶的最大沉降值经计算约为1.79cm。二者沉降最大值均在有关部门许可范围之内。

2 保护措施

主要施工防护措施及施工注意事项如下：

（1） 施工前，设计通过建立模型，预测分析施工风险，并通过计算，指导施工。

（2） 加密设置监测点，加强监测并及时调整盾构推进速度、刀盘转速、正面土舱压力、出土量、同步注浆量等施工参数。

（3） 加强同步注浆管理，减少盾尾通过后隧道外周围形成的建筑空隙。

四 结语

本文对拟新建隧道上跨南水北调干渠隧道的施工过程进行了有限元分析，提出了施工方案和保护措施。结果表明：地表沉降及东干渠隧道沉降值均在许可范围之内；当采取有效地施工方案和保护措施时，可保证工程的安全。

参考文献：

[1] 刘钊，余才高，周振强. 地铁设计与施工[M]. 北京：人民交通出版社，2004.

[2] 北京城建设计研究总院.GB 50157 - 2013 地铁设计规范[S].中国标准出版社，2003.

[3] 北京城建设计研究总院.DB11/995 - 2013 城市轨道交通工程设计规范[S].