張旭東
河北省公路安全感知與監測重點試驗室 河北交規院瑞志交通技術諮詢有限公司
摘 要：以某山嶺隧道疊交上穿既有地鐵區間隧道施工為例，採用MIDAS/GTS有限元軟件，模擬計算並分析了該工程施工期及運營期對既有地鐵區間隧道位移特徵的影響，並對該既有地鐵區間隧道的安全性進行了研究。研究結果表明：施工及運營期間，既有隧道所受上方隧道開挖的位移影響以豎向位移為主並滿足相關要求；相比於施工階段，運營期各方向變形皆有減小；從新建隧道施工開挖到遠離與既有隧道的疊交影響區域，施工均對既有隧道的豎向位移產生明顯影響，此階段需要加強監測，並及時反饋指導施工。
關鍵詞：山嶺隧道;疊交上穿既有隧道;施工期;運營期;位移特徵;安全性評估;
0 引言
受地理條件及地下空間資源所限，越來越多的隧道線路不得不近距離穿越既有的地下結構，在此類工程的修建和運營過程中，尤其是疊交上穿既有隧道的施工，由於近接影響面積較大，嚴重威脅既有交通線路及人員的安全。
對於該類工程，諸多專家學者已經做出較多研究，賀美德[1]結合地下過街通道上穿地鐵區間隧道實際工程，對淺埋暗挖隧道上穿既有盾構隧道的變形規律及受力情況進行了研究，並提出了相應的變形控制措施；張玥等[2]對某小凈距隧道平行上穿既有隧道進行了數值模擬，對施工過程中既有隧道的變形及內力進行了分析，研究了上下短台階法施工的可行性；屈文彬[3]基於實際工程並採用FLAC3D軟件，對新建電力隧道正交上穿施工過程中既有隧道的變形進行了研究。
基於上述研究分析可知，對於新建隧道上穿既有隧道施工的研究多局限於施工期的研究，且對非平行上穿的隧道施工研究較少。因此，採用Midas/GTS軟件，針對依託工程的施工及運營兩階段，對既有隧道的變形規律進行分析，對該工程的安全性進行評估。
1 工程概況及模型建立
1.1 工程概況
依託工程既有地鐵區間隧道與擬建隧道部分重疊和斜交，兩者重疊區長度約200 m，最小豎向凈距約13.72 m，依託工程地質情況如圖1所示。
1.2 數值計算模型
依託實際工程建立精細化三維數值計算模型如圖2所示，結合地形確定模型平面尺寸為145m×280m，豎向高度75.7～145m，從上往下依次為：素填土，強風化石英砂岩，中風化石英砂岩，微風化石英砂岩。模型中岩土體採用3D實體單元，土層均視為彈塑性體，材料的破壞準則採用莫爾-庫侖準則，地鐵區間隧道與擬建隧道襯砌均採用2D板單元模擬，截面參數與實際相同。
1.3 計算工況設計
(1）第一工況：初始應力場分析。該工況為地鐵及擬建隧道施工前場地應力分析，考慮土體自重及位移邊界，形成耦合應力場，並對網格進行位移清零。
(2）第二工況：既有地鐵區間隧道施工。該工況進行了既有線的開挖與施做回填，並對網格進行位移清零。
(3）第三工況：新建隧道施工分析。本步驟為分部開挖，採用CRD法開挖，每一台階領先下一台階兩個施工步，當後步施工支護完成後拆掉中隔壁及臨時仰拱。
圖1 隧道地質縱斷面圖 下載原圖
圖2 數值計算模型 下載原圖
(4）第四工況：隧道運營分析。此時在新建隧道底板將人員荷載、車輛荷載及結構荷載以均布力的形式施加，查看隧道運營期對既有地鐵區間隧道的影響。
2 計算結果分析
2.1 施工階段既有隧道位移影響分析
評價隧道施工對地鐵隧道的影響的主要指標為結構的位移，也最能反應隧道項目施工對地鐵結構的影響程度。模型計算可以直觀地讀取地鐵結構的位移值，從而從定量的角度評判地鐵結構的安全性。由於在工況二中將位移清零，因此在工況三中地鐵結構造成的位移即影響位移，既有地鐵區間隧道的XYZ三向位移如圖3所示。
通過對圖3進行分析可知，由於新建隧道的開挖引起2號線上浮4.05mm，水平最大位移1.84mm，滿足地鐵集團關於安保區內工程變形控制指標[4]的規定10 mm的要求，滿足廣東省標準《城市軌道交通既有結構保護技術規範》中既有結構安全控制值水平、豎向位移值15 mm的規定要求，滿足中華人民共和國行業標準《城市軌道交通結構安全保護技術規範》[5](CJJ/T 202—2013）中安全控制指標值的車站及隧道結構水平、豎向位移控制值小於20mm的規定要求；對比水平方向位移，豎向位移較為明顯，為地鐵結構的主要位移，因此此類工程施工期間需要對既有隧道的豎向位移加強監控測量，以保證施工的安全問題。
圖3 施工階段既有隧道結構位移雲圖 下載原圖
2.2 運營階段既有隧道位移影響分析
運營階段既有地鐵區間隧道的位移變化情況如圖4所示。
圖4 運營階段既有隧道結構位移雲圖 下載原圖
通過對圖4進行分析可知，由於新建隧道運營後將引起既有隧道上浮3.74mm，水平最大位移064 mm，仍滿足相關要求；對比水平方向位移，既有地鐵區間隧道結構的主要位移仍然為豎向位移。且較施工階段有所減小，這主要由於上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開挖卸荷所造成的結構影響。
2.3 既有隧道位移影響進一步分析
根據以上分析可知，豎向位移為重點分析指標，且影響主要集中在施工階段，現提取各計算步既有隧道豎向位移值，並繪製既有隧道的豎向位移時程曲線如圖5所示。
圖5 豎向位移時程曲線 下載原圖
通過對圖5進行分析可知，從第五開挖步開始，即新建隧道下台階開始開挖時，對既有隧道開始產生影響，第36步之後即擬建項目拐出既有隧道上方時，影響基本消除，因此在新建隧道疊交上穿既有地鐵區間隧道施工時，從下台階開始施工到新建隧道遠離與既有隧道的疊交影響區域，均需嚴格控制爆破方式，對既有隧道的豎向位移加強監測，並及時反饋指導施工，並在遠離疊交區域後可適當地放寬施工控制以在安全範圍內提高施工速度。
3 結論
(1）新建隧道的開挖對既有隧道位移影響以豎向位移為主，上浮4.05mm，水平位移最大值為185mm，均滿足相關控制標準。
(2）新建隧道運營期對既有隧道的位移影響仍以豎向位移為主，上浮3.74mm，水平位移最大值為0.64 mm，均滿足相關要求，且較施工階段有所減小，這主要由於上部人員車輛荷載的存在可抵消部分開挖卸荷所造成的結構影響所致。
(3）新建隧道疊交上穿既有地鐵區間隧道施工時，從下台階開始施工到新建隧道遠離與既有隧道的疊交影響區域，均對既有隧道結構的位移產生影響，需要對新建隧道施工加強控制，並對既有隧道的豎向位移加強監測，及時反饋指導施工，保證施工安全。
參考文獻
[1] 賀美德．淺埋暗挖法隧道上穿既有盾構隧道的變形控制研究[D]．北京：北京交通大學，2015.
[2] 張玥，曹偉．小凈距隧道平行上穿既有隧道施工監測與數值模擬分析[J]．北方交通，2016(10):56-59.
[3] 屈文彬．新建電力隧道上穿施工對地表沉降及既有隧道變形影響研究[J]．市政技術，2020(5):192-196.
[4] 深圳市地鐵集團有限公司．地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法[Z]．深圳：2016.
[5] 中華人民共和國住房和城鄉建設部．城市軌道交通結構安全保護技術規範：CJJ/T 202—2013[S]．北京：中國建築工業出版社，2013.
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