地铁盾构区间近距离上跨城际高速铁路隧道结构力学行为分析

陈桂龙

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507）

随着城镇化的推进，高铁与地铁的交通无缝连接，解决新建隧道与既有隧道的相互平行、重叠和上下交叉、交错穿越几种位置关系的问题成为研究重点。霍军帅等[1]通过有限元方法探讨苏州2号线盾构掘进对沪宁城际线地表沉降的影响。张立阳[2]对盾构下穿高速铁路高架桥引起的变形影响进行了研究。张畅飞[3]研究发现两隧道上下交叉的情况下，上方隧道的列车通行时会引起下方隧道产生振动与变形。江华等[4]采用有限元数值模拟和现场自动化监测结合的方法，研究盾构隧道上跨施工引起的既有线水平和竖向的变形规律。王伟[5]通过分析新建隧道与既有隧道间的作用机制，结合有限元数值模拟、现场监测等手段，对既有正线隧道的变形进行讨论和研究。周经伟[6]通过分析盾构穿越既有隧道工程特点以及相互作用机制，采用有限元方法建立三维数值模拟分析不同穿越角度以及穿越净距对既有隧道围岩变形影响。文章结合佛山三号线城市轨道交通佛罗区间上跨广佛环盾构隧道的工程背景，以广佛环盾构隧道为研究对象，采用Midas GTS NX软件建立三维有限元数值模型，研究佛罗区间盾构隧道掘进时对广佛环盾构隧道的内力和变形规律。为减少地铁列车振动对城际隧道的影响，综合分析提出中等减振的措施。

1 工程背景

佛山三号线佛山机场站—罗村站区间从佛山机场出发向西延伸，下穿沙坑村村民房和附近一片厂房，沿着机场路西沿线下穿拟建的禅西大道桥梁并上跨广佛环，同时区间侧穿南海福利院、君湖天下小区等，最后到达罗村站[7]。佛山机场站—罗村站区间采用盾构法施工，区间起讫里程左线ZDK62+960.004～ZDK64+569.821，短链长2.024 m，左线区间全长1 607.793 m；右线YDK62+960.000～YDK64+569.821，右线区间全长1 609.821 m。佛山机场站—罗村站区间在YDK63+567.795～YDK63+595.820段以夹角66°斜交上跨的广佛环城际盾构隧道，最小净距仅5.1 m。上跨段佛山三号线隧道埋深约12 m，下穿段佛山三号线区间隧道均处于0.4%上坡段，左右线平面位于半径为650 m的圆曲线上。右线隧道轨面标高-5.166～-5.057 m。

该穿越位置地质情况复杂，区间位于软弱地层。地质情况自上到下土层分别为：＜2-1B＞淤泥质土，＜5N-1＞硬塑状粉质黏土，＜7-2＞强风岩层。地下水主要为松散层孔隙水和基岩裂隙水[8]。

土层物理力学参数如表1所示。

2 三维有限元模型建立

2.1 工况分析

对佛罗盾构区间上跨对广佛环线隧道的作用过程进行优化[9-10]。模拟施工步骤，第一步模拟土层原始状态，在初始应力状态下，考虑岩土体和现有城际隧道结构，即地层的原始状态，位移清零；第二步模拟左线盾构掘进上跨城际铁路的状态，地铁隧道左线管片安装，施加土仓压力；第3步模拟右线盾构掘进上跨城际铁路的状态，铁隧道右线管片安装，施加土仓压力。

2.2 模型建立

根据结构空间立体关系及施工特点，建立的三维有限元计算模型。三维模拟分析计算时充分结合地层分布特点合理选取计算参数，对各结构构件及地层的有限元模拟，采用实体单元模拟地层，板单元模拟隧道管片[11]。分析采用水土分算模式，摩尔-库伦破坏准则仿真模拟地层，计算范围为220 m×200 m×80 m的区域。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z方向位移约束，模型前后面Y方向约束，模型左右面X方向约束。

3 盾构上跨广佛环城际隧道三维模拟结果及分析

计算时先得到广佛环城际区间隧道初始阶段在土压力下的变形、内力、应力等数值，将位移清零。从第二至最后一个计算步骤计算出由隧道掘进引起的位移、内力、应力等变化，根据变化值判断地铁隧道掘进对城际隧道的影响[12-13]。

3.1 广佛环城轨区间隧道竖向位移分析

当佛罗区间隧道左线掘进时，城际隧道产生最大竖向位移值为2.703 mm；当佛罗区间隧道右线掘进时，城际隧道产生最大竖向位移值为2.757 mm。因此，由地铁隧道的掘进引起城际隧道产生竖向最大位移为2.757 mm，满足规范要求。

各工况下城际隧道结构的竖向位移云图如图1所示。

3.2 广佛环城轨区间隧道水平位移分析

各工况城际隧道结构水平位移云图如图2所示。

由图2可知，当佛罗区间隧道左线掘进时，城际隧道产生最大水平位移值为0.674 mm；当佛罗区间隧道右线掘进时，城际隧道产生最大水平位移值为0.670 mm。因此，由地铁隧道的掘进引起城际隧道产生水平最大位移为0.674 mm，满足规范要求。

广佛环城际区间隧道变形的原因，一是城际隧道自身的沉降所产生的变形，二是地铁盾构区间上跨城际铁路产生的变形。地铁盾构区间上跨过程中产生的变形对城际铁路竖向影响较大，对城际铁路水平方向影响较小，最大竖向位移值为2.757 mm，最大水平位移值为0.674 mm，发生在地铁区间隧道开挖的正下方城际区间隧道结构处。

3.3 广佛环城际区间隧道内力

各工况下区间隧道的弯矩云图如图3所示。

随着地铁隧道的开挖，城际隧道结构内力和弯矩发生了变化，弯矩最大值为13.539 kN·m。城际隧道管片配筋为E25@100 mm，满足要求。

4 地铁隧道减振措施

根据国内地铁轨道减振产品现状、相关单位测试成果以及各城市地铁工程设计经验，把国内轨道减振措施归纳为3种。

中等减震：减震性能6～10 dB；双层非线性减振扣件，轨道减振器扣件，弹性短轨枕，LORD扣件。

高等减震：减震性能12～15 dB；隔离式减振垫浮置板，中档钢弹簧浮置板，Vanguard扣件，梯形轨枕轨道。

特殊减震：减震性能＞15 dB；高档钢弹簧浮置板。

在经济方面，高等减振措施较中等减振措施每公里增加约1 000万元，特殊减振措施较中等减振措施每公里增加约1 300万元。根据轨道的模拟结果以及经济方面的对比，佛罗区间轨道采用中等减振措施，现场实测减振效果约为6 dB，效果良好。

5 结语

通过有限元分析盾构区间上跨过程中对广佛环线隧道的内力和变形的影响。结果表明，盾构隧道的掘进对广佛环线城际隧道的变形影响较小，盾构上跨不会对广佛环城际隧道产生影响。对地铁列车通行产生振动进行分析，列车产生的振动对广佛环线影响较小。为提高广佛环线的安全，对轨道采取中等减振措施，能够降低列车运行时产生的振动。