某山岭隧道叠交上穿施工及运营对既有地铁区间隧道影响分析

2022年09月14日15:54:04 热门 1532

张旭东

河北省公路安全感知与监测重点试验室河北交规院瑞志交通技术咨询有限公司

摘要：以某山岭隧道叠交上穿既有地铁区间隧道施工为例，采用MIDAS/GTS有限元软件，模拟计算并分析了该工程施工期及运营期对既有地铁区间隧道位移特征的影响，并对该既有地铁区间隧道的安全性进行了研究。研究结果表明：施工及运营期间，既有隧道所受上方隧道开挖的位移影响以竖向位移为主并满足相关要求；相比于施工阶段，运营期各方向变形皆有减小；从新建隧道施工开挖到远离与既有隧道的叠交影响区域，施工均对既有隧道的竖向位移产生明显影响，此阶段需要加强监测，并及时反馈指导施工。

关键词：山岭隧道;叠交上穿既有隧道;施工期;运营期;位移特征;安全性评估;

0 引言

受地理条件及地下空间资源所限，越来越多的隧道线路不得不近距离穿越既有的地下结构，在此类工程的修建和运营过程中，尤其是叠交上穿既有隧道的施工，由于近接影响面积较大，严重威胁既有交通线路及人员的安全。

对于该类工程，诸多专家学者已经做出较多研究，贺美德[1]结合地下过街通道上穿地铁区间隧道实际工程，对浅埋暗挖隧道上穿既有盾构隧道的变形规律及受力情况进行了研究，并提出了相应的变形控制措施；张玥等[2]对某小净距隧道平行上穿既有隧道进行了数值模拟，对施工过程中既有隧道的变形及内力进行了分析，研究了上下短台阶法施工的可行性；屈文彬[3]基于实际工程并采用FLAC3D软件，对新建电力隧道正交上穿施工过程中既有隧道的变形进行了研究。

基于上述研究分析可知，对于新建隧道上穿既有隧道施工的研究多局限于施工期的研究，且对非平行上穿的隧道施工研究较少。因此，采用Midas/GTS软件，针对依托工程的施工及运营两阶段，对既有隧道的变形规律进行分析，对该工程的安全性进行评估。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

依托工程既有地铁区间隧道与拟建隧道部分重叠和斜交，两者重叠区长度约200 m，最小竖向净距约13.72 m，依托工程地质情况如图1所示。

1.2 数值计算模型

依托实际工程建立精细化三维数值计算模型如图2所示，结合地形确定模型平面尺寸为145m×280m，竖向高度75.7～145m，从上往下依次为：素填土，强风化石英砂岩，中风化石英砂岩，微风化石英砂岩。模型中岩土体采用3D实体单元，土层均视为弹塑性体，材料的破坏准则采用莫尔-库仑准则，地铁区间隧道与拟建隧道衬砌均采用2D板单元模拟，截面参数与实际相同。

1.3 计算工况设计

(1）第一工况：初始应力场分析。该工况为地铁及拟建隧道施工前场地应力分析，考虑土体自重及位移边界，形成耦合应力场，并对网格进行位移清零。

(2）第二工况：既有地铁区间隧道施工。该工况进行了既有线的开挖与施做回填，并对网格进行位移清零。

(3）第三工况：新建隧道施工分析。本步骤为分部开挖，采用CRD法开挖，每一台阶领先下一台阶两个施工步，当后步施工支护完成后拆掉中隔壁及临时仰拱。

图1 隧道地质纵断面图下载原图

图2 数值计算模型下载原图

(4）第四工况：隧道运营分析。此时在新建隧道底板将人员荷载、车辆荷载及结构荷载以均布力的形式施加，查看隧道运营期对既有地铁区间隧道的影响。

2 计算结果分析

2.1 施工阶段既有隧道位移影响分析

评价隧道施工对地铁隧道的影响的主要指标为结构的位移，也最能反应隧道项目施工对地铁结构的影响程度。模型计算可以直观地读取地铁结构的位移值，从而从定量的角度评判地铁结构的安全性。由于在工况二中将位移清零，因此在工况三中地铁结构造成的位移即影响位移，既有地铁区间隧道的XYZ三向位移如图3所示。

通过对图3进行分析可知，由于新建隧道的开挖引起2号线上浮4.05mm，水平最大位移1.84mm，满足地铁集团关于安保区内工程变形控制指标[4]的规定10 mm的要求，满足广东省标准《城市轨道交通既有结构保护技术规范》中既有结构安全控制值水平、竖向位移值15 mm的规定要求，满足中华人民共和国行业标准《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[5](CJJ/T 202—2013）中安全控制指标值的车站及隧道结构水平、竖向位移控制值小于20mm的规定要求；对比水平方向位移，竖向位移较为明显，为地铁结构的主要位移，因此此类工程施工期间需要对既有隧道的竖向位移加强监控测量，以保证施工的安全问题。

图3 施工阶段既有隧道结构位移云图下载原图

2.2 运营阶段既有隧道位移影响分析

运营阶段既有地铁区间隧道的位移变化情况如图4所示。

图4 运营阶段既有隧道结构位移云图下载原图

通过对图4进行分析可知，由于新建隧道运营后将引起既有隧道上浮3.74mm，水平最大位移064 mm，仍满足相关要求；对比水平方向位移，既有地铁区间隧道结构的主要位移仍然为竖向位移。且较施工阶段有所减小，这主要由于上部人员车辆荷载的存在可抵消部分开挖卸荷所造成的结构影响。

2.3 既有隧道位移影响进一步分析

根据以上分析可知，竖向位移为重点分析指标，且影响主要集中在施工阶段，现提取各计算步既有隧道竖向位移值，并绘制既有隧道的竖向位移时程曲线如图5所示。

图5 竖向位移时程曲线下载原图

通过对图5进行分析可知，从第五开挖步开始，即新建隧道下台阶开始开挖时，对既有隧道开始产生影响，第36步之后即拟建项目拐出既有隧道上方时，影响基本消除，因此在新建隧道叠交上穿既有地铁区间隧道施工时，从下台阶开始施工到新建隧道远离与既有隧道的叠交影响区域，均需严格控制爆破方式，对既有隧道的竖向位移加强监测，并及时反馈指导施工，并在远离叠交区域后可适当地放宽施工控制以在安全范围内提高施工速度。