地铁盾构穿越武广高铁的影响分析

蒋 超 刘 辉

地铁盾构穿越武广高铁的影响分析

蒋 超 刘 辉

0 引言

随着城市地下空间开发利用的快速发展，涉及地下空间相互干扰的立体交叉施工现象时有发生，尤其是新建地铁隧道近距离穿越既有建（构）筑物的施工，由于地铁盾构施工会引起周边土体的扰动变形，必然会对临近建（构）筑物的安全产生一定的影响。目前，工程研究人员已对地下工程近距离穿越既有建（构）筑物进行了很多研究和总结，取得了一定的研究成果，如：仇文革等[1]对地下工程近接施工力学原理与对策进行了研究；孙春光[2]等对北京地铁十号线近接某区间隧道的施工进行数值模拟；王星[3]等研究了浅埋暗挖隧道施工对临近建筑物变形影响并提出加固措施。但是，盾构隧道下穿既有高速铁路隧道的案例极为少见，相关设计、施工经验缺乏，目前尚无相关的沉降控制标准。本文将以长沙地铁隧道下穿武广高铁浏阳河隧道为例，研究盾构隧道施工对临近既有结构的影响，并提出相应工程措施，为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质

长沙地铁3号线湘龙站—星沙站盾构隧道于DK33+856处需下穿武广高铁浏阳河隧道进口明洞段，该区段地质情况由上而下依次为：素填土、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、强风化砾岩、中风化砾岩，其中，区间隧道主要位于中分化岩层中。根据前期地质勘查，可知风化泥质粉砂岩饱和抗压强度为1.07MPa，中风化砾岩为1.23MPa。该区段地下水位于地表下5m左右，主要为基岩裂隙水，区间隧道位于弱透水层中。

1.2 设计概况

下穿段武广高铁浏阳河隧道双线均为直线，其顶部覆土约为4.2m，衬砌采用单洞双线明洞拱形断面，断面宽14.9m，高12.78m，采用C35防水钢筋混凝土衬砌，拱部厚度0.8m，仰拱厚度0.9m。每30m设置一处变形缝，缝宽10mm。围护结构采用钻孔桩+内支撑，桩径1m，间距2m，嵌入基坑底3m，桩长约17m，C30钢筋混凝土。

地铁区间采用复合式土压平衡盾构机施工，衬砌采用0.6m厚C50钢筋混凝土，内径5.4m，外径6.0m，地铁结构与铁路隧道底部的净距约为9.06m。 地铁区间隧道垂直穿越浏阳河隧道，位置关系如图1所示。

表1 模型主要物理力学参数

2 影响分析

2.1 基本说明

为了分析盾构掘进引起的武广高铁浏阳河隧道支护结构内力及位移情况，本项目部拟采用MADIS/GTS对地铁3号线湘龙站-星沙站区间的盾构掘进施工过程进行三维模拟。

2.2 基本假定

（1）地层材料采用莫尔-库伦准则计算[4]。

（2）假定土层成层均质水平分布。

（3）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内。

（4）不考虑隧道开挖对土体力学指标的影响以及地下水渗流影响。

（5）管片衬砌结构是通过螺栓将单个管片连接在一起的整体结构，分析中采用均质体等代管片衬砌时，需乘以一个刚度折减系数，通常取0.6~0.8，本次计算取0.8。

2.3 模型建立

模型尺寸取120m×120m ×80m，土体采用实体单元模拟，浏阳河隧道及地铁盾构隧道均采用板单元模拟，其尺寸、属性按实际情况给定。计算模型中，浏阳河隧道衬砌每隔30m设置一道环向变形缝，共设置3道，变形缝采用实体填充。模型主要物理力学参数见表1，计算模型网格划分如图2所示。

模型采用位移边界作为边界条件，除上表面为自由边界外，其余各外表面均约束法线方向的位移。浏阳河隧道衬砌在变形缝间的连接采用纵向位移边界处理。模型中模拟了初始地应力的形成及盾构施工的全过程[5]，初始应力场见图3所示。在下穿盾构隧道计算范围内，每次向掘进方向推进单个管节长度，每个管节单元采用板单元进行激活模拟。

二次注浆范围在高铁隧道中心里程前后各30m。盾构机每天推进按6环(9m)考虑，计算中假定，1d的注浆层弹性模量是30MPa，采用板单元模拟，利用单元生死法在盾构管片推进6m后进行激活[6]。

2.4 计算工况简要介绍

（1）未开挖武广浏阳河隧道前，模拟在初始地应力下平衡。

（2）开挖武广浏阳河隧道，施加既有隧道衬砌，计算至应力平衡，清除塑性区及位移归零，作为初始应力场。（3）地铁右线盾构隧道掘进，每循环1.5m。（4）地铁左线盾构隧道掘进，每循环1.5m。

2.5 位移分析

2.5.1 盾构施工前

在地铁隧道盾构施工前，武广高铁浏阳河隧道的顶部及底部位移从图4、5可以看出：在初始应力状态下，浏阳河隧道衬砌顶部最大沉降为5.38mm，衬砌底部主要以隆起为主，标记点位移值分别为7.10mm、7.22mm、 7.03mm。

2.5.2 盾构施工后

盾构施工后浏阳河隧道的顶部及底部位移如图6～9所示。

由图6、7可见，盾构右线开挖完成后，衬砌顶部最大沉降为6.06mm，衬砌底部标记点位移值分别为6.98mm、6.53mm、5.66mm，；相对于初始位移，衬砌顶部沉降值为0.68mm，衬砌底部沉降值分别为0.12mm、0.69mm、1.37mm。

由图8、9可见，盾构左线开挖完成后，浏阳河隧道衬砌顶部最大沉降为6.51mm，衬砌底部标记点位移值分别为5.72mm、5.85mm、5.49mm；相对于右线开挖完成后位移，衬砌顶部沉降值为0.45mm，衬砌底部沉降值分别为1.26mm、0.68mm、0.17mm。

由此可得，累计衬砌顶部竖向位移相对变化值为1.13mm，衬砌底部竖向位移相对变化值分别为1.38mm、1.37mm、1.54mm，盾构开挖对处于正上方的衬砌影响较大，衬砌变形缝间未见相对过大沉降。

2.6 轴力分析

由盾构施工前后浏阳河隧道的轴力从图10～12可以看出，盾构施工前轴力最大值为1 336.1kN，盾构施工后衬砌轴力集中区域向左线正上方衬砌扩展，轴力集中区位于衬砌变形缝处，轴力最大值为1 812.4kN，增加约476.3 kN。

对比分析可知，盾构开挖对浏阳河隧道衬砌变形缝处的轴力变化有一定影响，但增加量较小，远小于浏阳河隧道允许承载力。

2.7 弯矩分析

盾构施工前后浏阳河隧道的弯矩如图13～15。

从图13可以看出，初始应力状态下，衬砌弯矩未在变形缝连接处出现集中，衬砌弯矩最大值为124.6kN·m。从图14、15可以看出，盾构右线、左线开挖后，衬砌弯矩最大值分别为128.1kN·m、128.4kN·m。

对比分析，盾构开挖后浏阳河隧道衬砌弯矩变化很小，盾构开挖对浏阳河隧道衬砌的影响很小。

2.8 各参数累计变化值

在上述位移分析、轴力分析、弯矩分析、盾构隧道施工前到盾构右线和左线均施工完成后，其位移、轴力、弯矩的累计变化情况可参见表2。

3 结论及建议

（1）从各施工阶段上部隧道的内力变化结果可以看出，盾构开挖对浏阳河隧道结构内力有一定影响，但增加量较小，远小于浏阳河隧道允许承载力。分析原因主要是由于该处围岩稳定性好、渗透系数较小且高铁隧道结构刚度较大，故下穿施工对高铁轨道结构的影响较小，该隧道结构安全可控。

（2）从各施工阶段上部隧道的竖向位移图可以看出，开挖过程中，既有隧道的位移随着开挖过程的进行不断增长。在盾构下穿既有隧道时，其位移增长最快；至开挖结束以后，隧道最大竖向位移达到1.54mm。根据数值模拟及经验分析，参考国内其他盾构穿越铁路股道的施工案例，通过合理设定盾构掘进参数，做好施工各项保障措施、对施工重点环节进行严格控制，在不加固土体的情况下，可以保证地面沉降在5mm以内，轨道差异沉降控制在2mm以内。根据《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》（铁运[2012]83号）进行评定，250～300km/h线路轨道静态竖向位移允许偏差(按作业验收标准)为2mm，满足高铁运营维护管理要求，可保证高铁隧道结构及运营安全。

（3）由于地下工程的复杂性及地质条件的不确定性，为确保高铁运营安全，考虑该段靠近武广高铁长沙南站，具备限速条件，经与武广高铁运营管理单位协商，同意在盾构穿越该段的时间内将高铁限速至120km/h以内，以进一步降低穿越时段的安全风险。

（4）通过本文的研究分析，可以在理论上说明长沙地铁3号线湘龙站—星沙站区间的盾构隧道下穿武广高铁浏阳河隧道技术可行，安全性可控，对今后类似工程起到一定的指导意义和参考价值。

表2 盾构施工前后各参数累计变化情况表

[1]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].博士论文,西南交通大学, 2003.

[2]孙春光,欧阳院平.北京地铁十号线某近接区间隧道的施工数值模拟[J].四 川建筑,2008(2).

[3]王星,曹喜仁,刘齐建.浅埋暗挖隧道施工对临近建筑物变形影响及加固措施[J].安全与环境学报, 2009,9(4):114-118.

[4] 汪宏,王勇,蒋超等.半岩半土隧道围岩稳定数值模拟[A].地下交通工程与工程安全——第五届中国国际隧道工程研讨会.

[5] 汪宏,蒋超.浅埋偏压隧道洞口段坍方数值分析与处治[J].岩土力学,2009(11):3481-3485.

[6] FRALDI M,GUARRACINO F. Evaluation of impending collapse in circular[J]. Tunneling and Underground Space Technology,2011,26(4):507-516.

Analysis on the Influence of Metro Shield Crossing Wuhan-Guangzhou Highspeed Railway

Jiang Chao Liu Hui

文章以长沙地铁盾构隧道下穿武广高铁浏阳河隧道为例，采用MADIS/GTS有限元程序进行空间模型分析，研究盾构隧道施工对临近既有结构的影响，提出相应工程措施，为今后类似的工程提供参考。

地铁；盾构隧道；下穿；浏阳河隧道；内力；位移

Taking Changsha metro shield tunnel undercrossing Luoyang River Tunnel of Wuhan-Guangzhou high-speed railway as an example, the paper adopts MADIS / GTS finite element program to analyze the space model and studies the infl uence of shield tunnel construction on the adjacent existing structure so as to propose the corresponding engineering measures, which may provide a reference for future similar project.

metro, shield tunnel, undercrossing, Luoyang River Tunnel, internal force, displacement

2016-05-18）

湖南省科技计划项目，编号：2013SK3075。

蒋超，硕士，长沙市轨道交通集团有限公司工程师；刘辉，中铁隧道集团有限公司高级工程师。