新建地铁下穿既有地铁数值模拟研究

□文/高菊英

随着经济的发展和城市化进程的加速，隧道及地下工程建设发展迅猛。城市轨道交通的大规模建设必然带来区间线路节点的交叉问题。例如在2050 年北京市区轨道交通规划图中，节点车站和地铁区间穿越段的数目多达118 处[1]。穿隧道施工势必引起已建隧道的隆沉[2]，采取安全可靠的施工措施，减少既有隧道的运营风险和新建隧道的施工风险成为学者们研究的课题。数值模拟分析方法因提供了图形化直观认识，能给出定量或半定量的研究成果指导设计施工，成为研究下穿隧道风险及控制措施的有效方法。张美聪[3]以南京地铁10号线某区间下穿既有地铁1号线为例，通过三维有限元计算分析了隧道施工对运营地铁区间的沉降影响规律。王喜鸽[4]运用FLAC 3D数值模拟了圆形隧道盾构施工对既有地铁隧道的影响，结果表明各因素对既有隧道变形和管片衬砌受力影响显著，围岩强度越低，间距越小，新建隧道埋深与跨度越大，既有隧道周关键点位移越大。刘伟[5]依托某地铁隧道工程运用有限差分软件FLAC3D模拟先下后上的开挖施工条件，计算上下洞盾构掘进引起的地表沉降、既有隧道连续墙侧移和下洞隧道断面收敛，总结了重叠隧道下穿既有隧道引起周围环境变形的规律。黄朱林[6]运用ANSYS对钻爆法暗挖施工的下穿隧道进行有限元模拟；颜勤[7]以重庆渝中区朝天门地下互通式下穿隧道为研究背景，采用MIDAS GTS有限元软件对“先下后上”和“先上后下”两种施工方案进行研究；勒晓光等[8]通过三维弹塑性有限元数值模拟，对重庆渝中区朝天门大型互通式下穿工程进行可行性研究。白海卫[9]采用FLAC3D 有限差分法对北京地铁十号线正交下穿1 号线施工过程进行研究，得出对既有隧道周围地层进行注浆加固比加强既有隧道衬砌结构本身更能有效控制既有隧道沉降变形的结论。

本文在前人研究基础上，采用MIDAS/GTS-NX 软件通过三维数值模拟方法，结合南京地铁5号线下穿已运营的地铁3号线案例，研究下穿既有运营地铁的风险及控制措施，供同类工程参考。

1 工程概况

南京地铁5号线九龙湖—诚信大道站区间隧道起于九龙湖站，侧穿诚信大道九龙湖桥，沿诚信大道，下穿地铁3 号线诚信大道过街通道、3 号线区间、二冲沟及诚信大道桥进入诚信大道站。

5号线于诚信大道与双龙大道交口下穿已运营的地铁3 号线，3 号线区间沿双龙大道南北向走行，5 号线区间沿诚信大道站东西向走行，均采用盾构法施工。该交叉区段西侧28 m为3号线过街通道，南侧38 m为3号线诚信大道站，东侧16、48 m分别为诚信大道桥、二冲沟及5号线诚信大道站。见图1。

图1 地铁5号线下穿地铁3号线平面

2 风险研究及安全保护控制指标

既有3 号线施工时未采取加固措施预留5 号线下穿条件，5 号线下穿区段左线轨后沉降值为-7.7 mm；右线轨后沉降值为-3.0 mm。运营后结构监测相对轨后首期沉降监测数据，盾构结构管片有所隆起，5 号线下穿区段左线隆起值为-1.67 mm；右线沉降值为-1.29 mm。

隧道近距离施工必然引起结构应力的改变和周围土体变形，3 号线施工时未预留下穿条件并且运营后盾构结构管片已经产生了一定的变形，在5 号线下穿过程中如何保证既有线的安全运营至关重要。

通常情况下，管片结构沉降是导致上方线路不平顺的主要原因，根据CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》及《铁路线路维修规则》相关要求，结合施工经验，3 号线（运营）线路的控制指标为：隧道水平位移、竖向位移及隧道径向收敛≤20 mm，轨道横向高差和轨向高差≤4 mm，轨间距应在-4～6 mm之间，道床脱空量≤5 mm，结构裂缝宽度≤0.2 mm。

3 三维数值模拟及分析

为进一步了解盾构下穿造成的影响，采用MIDAS/GTS-NX软件进行三维模拟计算分析。

3.1 模型建立

采用简化模型进行分析，建模过程中对相似地层进行合并，每一土层都是规则的平面，3 号线隧道及5号线隧道延伸方向简化为水平直线延伸。见图2 和图3。

图2 整体数值分析模型

图3 5号线隧道与3号线隧道位置关系

3.2 计算假设及参数选取

3.2.1 基本假定

初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响；所有材料均为均质、连续、各项同性，土体水平成层分布；围岩按摩尔-库伦理想弹性材料考虑，衬砌为弹性材料；隧道管片不考虑管片与管片之间的连接，只作为整体进行简化分析；不考虑3号线内列车运行产生的振动。

3.2.2 参数选取

1）隧道壁后注浆的模拟。认为在注浆范围内是连续的、均匀的，不考虑注浆过程中产生的跑浆、劈裂注浆。采用更换网格组属性的方式进行模拟，在保证原网格组不变的情况下改变其参数来实现注浆效果。

2）接触的模拟。由于材料性能不同，根据变形协调条件，隧道衬砌和土体之间在变形过程中可能会产生一定的缝隙，而不是完全接触。采用接触单元对衬砌与土体之间的接触进行模拟。

3）土仓压力的模拟。在实际工程中，土仓压力以均衡的压强形式存在，为了更接近实际，在数值模拟过程中，直接对开挖面土体施加法向均匀分布的压力。

4）衬砌结构、围护结构及围岩模拟。隧道衬砌及基坑围护结构采用弹性本构模拟。均质弹性材料的应力-应变关系符合胡克定律。围岩模拟采Mohr-Coulomb 模型，Mohr-Coulomb 模型是弹性-塑性本构，其破坏准则是受最大剪应力控制的，可通过反应最大和最小主应力关系的摩尔圆来体现。

5）管片加固模拟。3号线隧道采用钢管片进行加固，先对加固后的管片等效刚度进行计算，然后采用修改管片属性的方法进行模拟。

6）隧道开挖模拟。隧道开挖按照实际施工情况进行简化，实际工程中每步开挖为1.2 m，在数值模拟过程中，为了便于分析，每6 m为一次开挖进度。先进行右线的开挖施工，待施工完毕后再进行左线施工开挖，这样可以降低两隧道之间的相互影响，避免二次沉降。

第一步，激活地层、3 号线管片，进行初始应力状态分析，计算结果位移清零。

第二步，5号线隧道右线第一步开挖，钝化第一步隧道内土体，激活开挖面土仓压力。

第三步，5号线隧道右线第二步开挖，激活第一环管片，激活第一环管片壁后注浆属性，钝化第二步隧道内土体，激活开挖面土仓压力……

第n-1部，5号线隧道左线第n步开挖，激活第n-1环管片，激活第n-1环管片壁后注浆属性，钝化第n步隧道内土体。

第n部，激活第n环管片，激活第n环管片壁后注浆属性,开挖模拟结束。

7）模型尺寸及边界条件。考虑边界条件的影响，采用80 m（宽）×50 m（深）×80 m（长）的模型。其中长是指沿5号线隧道延伸方向的长度。模拟隧道管片外径6.2 m，壁厚0.35 m。

3.3 模拟分析

下穿对地铁3号线竖向和水平向变形影响数值模拟分5种不同工况：工况一，区间无加固措施；工况二，5号线管片外注浆加固；工况三，5号线管片外注浆加固+3号线钢管片加固+3号线洞内注浆加固；工况四，3号线MJS工法加固；工况五，3号线MJS工法加固+3号线钢管片加固。

3.3.1 工况一

3号线竖向最大位移为90.7 mm，位于5号线左右线中轴线处。见图4。这是因为这个位置是5号线左右线影响范围叠加处，所以沉降要大于5 号线隧道正上方位置。

图4 工况一条件下3号线竖向变形

3号线水平变形曲线峰值位于5号线左线正上方，最大值为5.79 mm。见图5。

图5 工况一条件下3号线水平向变形

综上所述，5 号线开挖对地层及3 号线影响较大，已严重影响3 号线的结构稳定性及安全使用，应对地层及管片采取加固措施，以达到降低3号线隧道变形，满足其结构安全使用和安全运营的目的。

3.3.2 工况二

3 号线竖向最大位移为41.4 mm，位于5 号线左右线中轴线处且随着与5 号线距离增加而向两侧减小。见图6。

图6 工况二条件下3号线竖向变形

3号线水平变形曲线峰值位于5号线左线正上方，最大值为4.18 mm。见图7。

图7 工况二条件下3号线水平向变形

综上所述，在5 号线隧道外扩大对土体加固范围可以有效减小3号线竖向变形，但3号线整体仍存在较大变形，对运营造成安全隐患。所以，在5号线周围土体加固的前提下，考虑对3号线管片本身及3号线周围土体进行加固，以此来减少其变形。

3.3.3 工况三

3号线竖向最大位移为16.7 mm，位于5号线左右线中轴线处随着与5号线距离增加而向两侧减小。见图8。

图8 工况三条件下3号线竖向变形

3号线水平变形曲线峰值位于5号线左线正上方，最大值为2.5 mm。见图9。

图9 工况三条件下3号线水平向变形

综上所述，在同时采取了3 号线管片加固、3 号线底部土体加固及5号线管片周围土体加固措施后，5号线开挖对3号线整体影响变小。

3.3.4 工况四

3号线MJS工法加固作用下计算模型见图10。

图10 MJS工法加固下5号线隧道下穿3号线隧道模型

3 号线竖向最大位移为23.1 mm，位于5 号线左右线中轴线处且随着与5 号线距离增加而向两侧减小。见图11。

图11 工况四条件下3号线竖向变形

水平位移曲线于5号线左右线正上方位置变化最大，然后向两侧递减，变化规律与此前基本一致，其中最大水平位移为2.8 mm，位于5 号线右线正上方。见图12。

图12 工况四条件下3号线水平向变形

3.3.5 工况五

3 号线竖向最大位移为19.0 mm，位于5 号线左右线中轴线处且随着与5 号线距离增加而向两侧减小。见图13。

图13 工况五条件下3号线竖向变形

水平位移曲线于5号线左右线正上方位置变化最大，然后向两侧递减，变化规律与此前基本一致，其中最大水平位移为2.53 mm，位于5号线右线正上方。见图14。

图14 工况五条件下3号线水平向变形

4 盾构区间保护方案比选分析

根据三维模拟计算分析，工况三和工况五能满足3号线位移的保护要求。

现通过地下管线、地面交通、周围环境、地铁3 号线的变形控制等的影响对以上两个保护方案进行比选，见表1。

表1 盾构区间保护方案比选

5 结论及建议

1）根据三维模拟，计算不同工况下的加固措施对既有地铁3 号线造成的影响，本着保证既有地铁3 号线结构和运营安全、5号线顺利掘进的原则，为使变形影响在可控范围内，需对下穿段采取相应的加固措施。因3号线运营后，盾构结构管片已发生隆起变形，为减少对3号线的影响，推荐采用工况五，即既有地铁3号线MJS工法加固+3号线钢管片加固措施。

2）下穿既有隧道引起的最大沉降位移位于下穿区间中轴线处，同时向两侧逐渐减小。

3）MIDAS/GTS-NX软件采用的三维数值模拟方法是可靠的，其可视化操作简单，能较真实的模拟实际工况，为下穿既有隧道加固措施施工提供重要参数依据。