盾构隧道下穿复杂城市结构的扰动影响及控制技术

张常委, 唐 礼, 张志强

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031；2. 西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

为缓解城市交通压力，近年来我国的城市地铁建设规模不断扩大，在城市下方编织着一张庞大的地下交通网络[1-2]。然而受有限地下修建空间的影响，地铁盾构隧道在建设过程中不可避免的会出现下穿复杂城市地下结构的情况，引起其上方结构的变形位移，影响结构的正常使用，甚至造成不可预计的后果[3-4]。因此，在进行盾构隧道下穿施工前，准确的评估隧道下穿对城市既有结构的影响，并明确相应控制措施的控制效果，对于保证盾构隧道下穿施工后既有结构的正常使用具有重要的意义[5]。

目前，针对盾构隧道下穿施工对其上方结构物的扰动影响，专业学者已经进行了相关的研究，并且在此过程中数值模拟已经成为学者们研究的重要工具。杨春山[6]采用有限元法对近距离下穿盾构隧道施工进行了模拟，分析了新建隧道动态掘进时既有隧道的位移变化规律。万良勇[7]采用有限元数值模拟方法对比分析了不同开挖方案引起的既有车站结构及轨道的变形特点，并确定了最优的施工工法。罗刚[8]采用有限差分软件对双线盾构隧道下穿施工过程进行了模拟，研究了高速公路路堑边坡、路面及隧道结构的变形规律，为之后隧道的安全施工提供了有力的参考。因此，文章依据拟建成都地铁13号线区间隧道下穿城市复杂城市结构这一实际情况，建立盾构隧道下穿城市复杂结构的扰动影响分析数值仿真模型，评估盾构隧道下穿对既有结构的影响，并分析扰动影响控制措施的必要性及控制效果，为该隧道下穿施工作业是否安全提供相应的参考。

1 工程概况

拟建成都地铁13号线路线于培风站—瑞星路站下穿铁路框架桥、斗渠、管廊和污水管这四类城市地下结构及地表运行成雅铁路路基轨道，其中地表运行铁路轨道与盾构隧道轴向相互垂直，各地下结构尺寸及相对关系如图1所示。

图1 盾构隧道下穿期间地下结构相对关系

其中污水管材料为C30钢筋混凝土，铁路框架桥、管廊和斗渠材料均采用C40钢筋混凝土，盾构隧道管片设计厚度为40 cm，管片材料采用C50钢筋混凝土。

2 安全控制标准

为确保盾构隧道下穿期间既有结构的安全，及隧道下穿施工后地表成雅铁路是否能够正常使用，结合前人的研究成果及相关标准，从应力和位移两个方面提出了安全控制标准。

2.1 应力控制标准

根据《铁路隧道设计规范》，取C40混凝土的极限抗压强度为29.5 MPa，抗拉极限强度为2.7 MPa。为进一步降低风险，并兼顾材料的劣化情况，评估时取上述控制标准的70 %进行考虑，即：C40混凝土结构压应力小于20.65 MPa、拉应力小于1.89 MPa。

2.2 沉降控制标准

根据《铁路线路修理规则》及框架桥内铁路的设计时速，取10 m弦的高低偏差管理值3.0 mm作为评价盾构隧道下穿施工后其上方成雅铁路路基结构是否能够安全行车的标准。

3 数值模型建立

根据成都13号线区间盾构隧道下穿复杂城市结构的实际情况，通过Midas GTS数值模拟软件建立了三维仿真计算模型，如图2所示，模型内各结构相对关系如图3所示。模型沿纵向取60.0 m、沿横向取87.7 m、模型底部取拟建地铁下方20 m、顶面取至地表。模型前后左右面均为水平约束，底面竖向约束，地表为自由面。模型中围岩、隧道衬砌等结构均采用弹塑性实体单元模拟，服从摩尔库伦准则。数值仿真过程中首先进行污水管、管廊、框架桥、斗渠的开挖，并给结构赋予相应的参数，然后进行模型地应力的平衡，最后实现盾构隧道的开挖。因污水管道距离盾构施工区域距离较远，根据类似隧道施工经验，污水管道受到隧道施工的扰动较小，故在此不考虑隧道下穿施工对污水管道的扰动，主要分析隧道下穿对其他地下结构和地表路基结构的影响。

图2 成都地铁13号线盾构下穿模型

为分析扰动影响控制措施的必要性及控制效果，数值模拟计算分两种工况，第一种工况不对围岩进行加固，第二种工况对铁路在铁路轨道下方一定范围内对围岩进行加固。模拟中所用参数如表1所示。

图3 模型内部各结构相对关系

表1 围岩及支护结构力学参数

4 计算结果分析

不考虑注浆加固条件下，盾构隧道下穿施工后，管廊、框架桥、斗渠所受应力和铁路轨面的位移如图4所示。

由图4可知在不考虑注浆加固措施情况下，盾构隧道下穿施工完成后，管廊最大拉应力为1.30 MPa，最大压应力为2.14 MPa；铁路框架桥最大拉应力为0.69 MPa，最大压应力为1.26 MPa；斗渠最大拉应力为0.92 MPa，最大压应力为1.63 MPa；其中，铁路框架桥结构、综合管廊、苏坡斗渠框架受力较大，但压应力小于20.65 MPa、拉应力小于1.89 MPa，受力满足应力安全标准。但铁路轨面最大竖向位移值为3.66 mm，明显大于控制值3.0 mm，不能正常满足铁路日常行车的要求，因此不采取加固措施，盾构隧道直接下穿复杂城市结构存在一定的风险。

图4 未加固条件下盾构隧道上方地下结构受力及铁路轨面沉降情况

考虑注浆加固条件下，盾构隧道下穿施工后，管廊、框架桥、斗渠所受应力和铁路轨面的位移如图5所示。

图5 加固后铁路轨面竖向位移

由图5可得若考虑注浆加固措施，当下穿盾构隧道施工完成后，管廊最大拉应力为0.44 MPa，最大压应力为1.12 MPa；铁路框架桥最大拉应力为0.51 MPa，最大压应力为1.10 MPa；斗渠最大拉应力为0.66 MPa，最大压应力为0.97 MPa。从上述数据可以看出，铁路框架桥结构、综合管廊、苏坡斗渠框架受力情况仍然满足应力控制要求，但相对于未加固之前，其受力情况有了明显的改善，各结构所受的极限拉、压应力均出现了明显的降低。同时，其上方铁路路轨面最大竖向位移值为1.41 mm，相对于未加固时，轨道结构的竖向位移下降了61.5 %，小于控制标准值3.0 mm。因此，综合结构物所有拉压应力及铁路轨面结构的沉降情况来看，采取注浆加固措施后，盾构隧道直接下穿复杂城市结构是安全可行的。同时，盾构下穿施工前采取注浆对地层进行加固对于保证隧道的安全下穿施工是完全必要的。

5 结论

采用Midas GTS数值模拟软件建立了盾构隧道下穿复杂城市结构的扰动影响分析数值仿真模型，明确了盾构隧道施工对其上方城市结构的影响，探明了地层加固措施的必要性，得到的主要结论如下：

(1)根据成都地铁13号线盾构隧道下穿的实际情况，针对隧道上方的地下钢筋混凝土结构及地表铁路路基轨道的使用特点及相关规范，分别提出了位移和应力两种安全控制标准。

(2)未采取加固措施时，盾构隧道直接下穿城市复杂结构对铁路框架桥结构、综合管廊、苏坡斗渠结构的安全性影响较小，结构的受力在合理的范围内，但此时铁路轨道的沉降值已达到3.66 mm，超过安全限值，说明此不采取加固措施，盾构隧道直接下穿复杂城市结构将会存在一定的风险。而采取加固措施后，不仅结构的应力得到了极大地降低，而且路基的竖向沉降下降了61.5 %，能够符合安全控制要求，说明在盾构下穿施工前采取注浆对地层进行加固是极其必要的。