小净距交叠隧道施工的力学效应模拟研究

2021-07-08吕童

智能建筑与智慧城市 2021年6期

吕童

（广州科技职业技术大学）

1 引言

21世纪以来，我国轨道交通迅猛发展，大量的轨道交通线路相继建设施工。随着城市快速轨道交通网络的完善，相继出现了大量的线路交叉、换乘和区间隧道的近距离穿越问题[1-3]。在此背景下，采取有效工程措施减弱新建工程对临近轨道交通结构的不利影响，确保轨道交通结构在外部作业施工及运营期间的安全成为重点解决的技术问题。文章以穗莞深城际铁路隧道下穿深圳15号线地铁隧道为例，模拟分析了穗莞深城际铁路下穿15号线地铁隧道的情况，及其对地铁15号线区间隧道造成的内力和变形影响，以期为小净距隧道施工研究提供参考依据。

2 工程概况

穗莞深城际铁路隧道工程在里程YDK19+230～YDK19+250范围内下穿在建深圳地铁15号线，城际左线与地铁隧道交角约为72°，城际右线与地铁隧道交角约为73°，深圳地铁15号线隧道埋深22m，穗莞深城际铁路左右线隧道埋深分别为49.84m、47.17m，穗莞深隧洞与地铁区间隧道最小结构净距约16.71m。地铁15号线盾构隧道洞身位于全强风化花岗岩地层，穗莞深城际铁路隧道洞身位于中微风化层花岗岩地层。穗莞深城际铁路隧道穿越地铁15号线位置如图1所示。

图1 穗莞深隧道穿越地铁15号线相对位置关系图

3 数值模拟计算

采用有限差分软件FLAC3d对隧道进行施工。考虑模型单元尺寸和数量对计算时间和结果精度的影响，建立城际铁路隧道施工下穿地铁区间隧道结构模型，按实际施工顺序模拟隧道施工。城际铁路隧道模型沿地铁区间隧道结构方向100m建立三维模型。模型以地铁区间隧道结构纵向为X轴，城际铁路隧道纵向为Y轴、竖直方向为Z轴；X轴取100m、Y轴取200m、Z轴取100m，建立三维模型网格划分效果图（见图2），模型共有488793个单元。

图2 模型透视图

4 计算结果分析

4.1 地铁区间隧道结构变形分析

通过模拟计算可得：在穗莞深城际隧道开挖过程中，15号线地铁区间隧道结构变形位移，最大位移见图3。

图3 交叠隧道盾构施工引起的地铁区间隧道结构变形

由图3可以看出：在穗莞深城际铁路隧道下穿地铁15号线隧道的施工过程中，导致15号线隧道结构及轨道发生变形。在隧道开挖过程中，地铁区间隧道结构及轨道的竖向变形（沉降）增加，并随着穗莞深城际铁路隧道的开挖远离逐渐收敛，隧道结构最大沉降值为-1.275mm；最大水平位移为0.359mm；最大差异沉降值为0.0127%Ls。同时，15号线隧道在盾构施工中发生的x、y、z三向位移增量变化具有一致性。较大位移变形发生在工序3、工序4、工序7、工序8进行时，盾构施工穿越地铁隧道引起最大位移变形。

由图4-5可知：在穗莞深隧道下穿既有地铁隧道过程中，既有隧道结构沉降呈单峰漏斗状[4-6]，产生最大位移的位置在穗莞深城际铁路隧道正上方，该位置是既有隧道结构的沉降峰值发生处。地铁隧道衬砌的总变形量为穗莞深左右线单孔隧道施工引起地铁隧道衬砌变形的叠加变形。在穗莞深左线隧道穿越15号线地铁后，地铁隧道沉降变形稳定在0.8mm左右，而穗莞深有限隧道穿越15号线地铁后，地铁隧道沉降总沉降变形稳定在1.2mm左右。由此可知，地层初始平衡后隧道的开挖往往对围岩内应力调整影响较大，后续开挖往往在之前应力调整的基础上进行非线性叠加。其原因是穗莞深隧道左右线单孔隧道的间距小，在穿越地铁隧道后，地铁隧道的变形引发了“群桩效应”。由于在隧道左右线开挖过程中，隧道周边围岩发生相应应力调整，应力调整的外在表现便是围岩及结构的变形调整。与此同时，右线隧道开挖时，由于施工进度原因，左线隧道开挖后的应力调整未完全达到新的应力平衡，也会导致左右线隧道开挖后位移变形呈非线性叠加。

图4 穗莞深左线隧道施工完成后地铁隧道竖向最大变形云图

图5 穗莞深右线隧道施工完成后地铁隧道竖向最大变形云图

4.2 地铁区间隧道结构应力分析

下穿隧道的施工会引起附近地层的应力调整，上跨的地铁交叠隧道的变形主要是由于下穿隧道施工引起地层应力调整的结果，因此要判定在下穿隧道施工期间何时对交叠隧道影响最大，需要监测施工期间地铁隧道结构内力变化（见图6）。

图6 交叠隧道盾构施工引起的地铁区间隧道结构内力变化

通过对既有隧道结构中的水平（xx）应力、竖直（zz）应力分析，可以看出在开挖至地铁隧道下方时，隧道衬砌内发生较大的应力调整。此时隧道开挖容易对现有隧道结构产生较大的拉裂破坏。因此，隧道掘进至地铁隧道下方时，应对地铁线路轨道进行监测，实时掌握结构的动态变化，并满足信息化施工要求。根据监测资料的分析，判断结构变形，对运营安全进行预警。同时，在隧道掘进后，应加强隧道交叠处的支护，确保地铁运营安全。