地铁隧道施工对既有高铁隧道的影响数值模拟分析

王学广 龙明华

(1 中国华西工程设计建设有限公司广州分公司；2 中国中铁五局集团第一工程有限责任公司）

1 工程概况

某地铁停车场出入线隧道为左右单洞单线圆形隧道，最大直径6.2m，TBM 掘进施工。既有高铁隧道为单洞双线隧道，隧道结构宽14.22m，高12.08m，拱墙初支25cm 厚C25 喷射混凝土，二衬45cm 厚C35 防水钢筋混凝土。两隧道均处于Ⅳ级围岩，高铁隧道矿山法施工。地铁隧道下穿高铁隧道，两隧道竖向最小净距约8.7m，两隧道夹角约54°。先掘进右线，右线TBM 通过后及时进行二次补充注浆，待沉降稳定后再进行左线隧道掘进下穿施工。

2 模型建立及模拟施工方法

2.1 数值模拟方法介绍

地铁出入线隧道下穿高铁隧道的数值模拟分析采用三维有限差分软件进行计算。

2.2 模型建立

2.2.1 模型尺寸及边界条件

根据地质报告、图纸等资料，按照现场真实地形、高铁位置及地铁情况，建立三维有限差分模型。模型x 方向为地铁线路垂直方向，y 方向为地铁线路方向，z 方向为竖直方向。在模型的四个侧面及底面设置为固定边界条件。建立的模型长×宽×高分别为200m×120m×(100～150)m，其中地铁及高铁隧道附近网格局部加密，模型见图1。模型共有节点23 万余个，单元22 万余个。

图1 模型整体示意图

2.2.2 模型计算参数选取

模型中岩土体单元采用摩尔库伦模型（Model Mohr），岩土体的物理力学参数依据岩土勘察报告中提供的土体与岩体物理力学指标建议值进行设置，模型中的参数如表1 所示。为安全计，本模型将花岗岩统一考虑为Ⅳ级围岩。

表1 模型参数

2.3 模拟施工方法

计算得到地铁开挖前模型的应力状态后，采用null 本构关系对地铁进行开挖。每次开挖1.5m，开挖的同时生成管片支护隧道围岩。

3 地铁施工过程数值模拟分析

3.1 地铁开挖过程中应力特征分析

右线施工过程中高铁隧道应力特征：

对比分析地铁与高铁隧道交点位置在右线地铁开挖前后的应力，见图2～图10。由图2、图3 可知，于地铁交点处高铁隧道x 方向的最大应力为1.68MPa，地铁开挖后变为1.66MPa，减小0.02MPa，变化约1%。

图2 地铁开挖前高铁隧道x 方向应力云图

图3 地铁开挖后高铁隧道x 方向应力云图

图4 地铁开挖前高铁隧道y 方向应力云图

图5 地铁开挖后高铁隧道y 方向应力云图

图6 地铁开挖前高铁隧道z 方向应力云图

图7 地铁开挖后高铁隧道z 方向应力云图

图8 地铁右线开挖后地铁x 方向应力云图

图9 地铁右线开挖后地铁y 方向应力云图

由图4、图5 可知，于地铁交点处高铁隧道y 方向的最大应力为2.68MPa，地铁开挖后变为2.66MPa，减小约0.01MPa，变化小于0.5%。

由图6、图7 可知，于地铁交点处高铁隧道z 方向的最大应力为7.87MPa，地铁开挖后变为7.83MPa，减小约0.04MPa，变化约为0.5%。

由图2～图7 可知，高铁隧道衬砌的应力有变化，变化幅度基本在1%以内，甚至小于0.01%，表明地铁开挖对高铁隧道的应力影响小。

地铁开挖过程中，地铁位置应力重分布，起拱线附近z 方向应力增大约2 倍，局部位置应力达到10MPa，拱顶底x 方向应力约为1～2MPa，地铁衬砌局部位置出现拉应力，处于在抗拉强度以内，发生明显应力变化的范围在5m 以内。

地铁左线隧道与右线隧道距高铁隧道距离相差不多，左右两线隧道围岩的应力特征相近，本文不在赘述。

3.2 地铁开挖过程中变形特征分析

右线施工过程中变形特征：

右线施工过程中，交点处横断面的高铁隧道变形云图见图11～图16。由图11 可知，横断面x 方向上的位移值小，最大值为拱底的0.01mm，顶部的沉降小于0.005mm，变形值较小。

图11 地铁右线开挖后高铁隧道x 方向位移云图

图12 地铁右线开挖后高铁隧道y 方向位移云图

图13 地铁右线开挖后高铁隧道z 方向位移云图

图14 地铁右线开挖后地铁x 方向位移云图

图15 地铁右线开挖后地铁y 方向位移云图

图16 地铁右线开挖后地铁z 方向位移云图

由图12 可知，高铁隧道横断面y 方向上的位移值小，最大值为拱底的0.05mm，顶部的位移小于0.003mm。

由图13 可知，高铁隧道横断面z 方向上的位移值相对大，最大值为拱底的1mm，顶部的位移小于0.1mm。

地铁开挖过程中，地铁围岩产生变形，z 方向的变形最大，最大下沉量为1.8mm，最大隆起量为1.8mm，最大横向变形为1mm，最大纵向变形为0.6mm。

地铁左线隧道与右线隧道距高铁隧道距离相差不多，左右两线隧道变形特征相近，本文不在赘述。

4 结论

通过建立地铁隧道及高铁隧道模型，依据现有的设计方案，对地铁施工过程进行模拟，分析地铁、高铁的应力和变形特征，得出结论如下：

⑴天然状态下，地铁位置的竖向应力范围为1.26～2.27MPa，沿开挖方向的应力为0.3～0.6MPa，垂直开挖方向的应力为0.3～0.5MPa，埋深不同，应力不同。

⑵地铁开挖过程中，地铁位置应力重分布，起拱线附近z 方向应力增大约2 倍，局部位置应力达到10MPa，拱顶底x 方向应力约为1～2MPa，地铁衬砌局部位置出现拉应力，处于在抗拉强度以内，发生明显应力变化的范围在5m 以内。左右两线隧道围岩的应力特征相近。

⑶地铁开挖过程中，地铁围岩产生变形，z 方向的变形最大，最大下沉量为1.8mm，最大隆起量为1.8mm，最大横向变形为1mm，最大纵向变形为0.6mm。

⑷地铁开挖过程中，高铁隧道衬砌的应力有变化，变化幅度基本在1%以内，甚至小于0.01%，表明地铁开挖对高铁隧道的应力影响小。

⑸地铁开挖过程中，高铁隧道衬砌及围岩最大变形量为0.2mm，表明地铁开挖对高铁隧道的变形影响小。