上跨下穿施工對(duì)城軌道交通既有隧道的影響分析

1、上跨下穿施工對(duì)城市軌道交通既有隧道的影響分析中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司湖北武漢430040摘要：本文結(jié)合某地區(qū)的地質(zhì)和城市軌道交通的特點(diǎn)，采用數(shù)值模擬方法研究上跨、下穿工程施工對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法;上跨下穿;近接施工一、穿越施工有限元模型本軌道交通1號(hào)線(xiàn)位于本城區(qū)的東西軸向，線(xiàn)路全長(zhǎng)約25.74km,平均埋深約15m。全線(xiàn)均為地下車(chē)站。2號(hào)線(xiàn)為南北向，線(xiàn)路全長(zhǎng)26.6km,高架線(xiàn)路約7km,其余均為地下線(xiàn)。2號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌，盾構(gòu)管片外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、厚0.35m、環(huán)寬1.2m;每環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊和3

2、塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成，采用錯(cuò)縫式拼裝。根據(jù)本軌道交通的實(shí)際情況，建立新建隧道、市政管線(xiàn)上跨和下穿既有軌道交通線(xiàn)路的有限元計(jì)算模型，見(jiàn)圖1和圖2。既有隧道橫斷面位于XZ平面內(nèi)，縱軸平行于坐標(biāo)Y軸，位于第層粉質(zhì)黏土層。新建隧道穿越既有隧道，橫斷面位于YZ平面內(nèi)，縱軸平行于坐標(biāo)X軸。X和Y方向的長(zhǎng)度均為100m,Z方向的長(zhǎng)度為60m。模型四周約束水平向位移，底部約束豎向位移，頂面為自由面。既有隧道頂部埋深15m,外徑6.2m,管片厚度0.35m,采用C50預(yù)制鋼筋混凝土管片。計(jì)算新建隧道（或市政管線(xiàn)）以不同外徑、不同豎向凈距穿越施工對(duì)既有隧道的影響。計(jì)算模型土層依據(jù)本地區(qū)的某開(kāi)發(fā)地塊項(xiàng)目的地層，共11層，土

3、體采用摩爾庫(kù)倫模型，計(jì)算模型見(jiàn)圖1、圖2所示。隧道管片采用線(xiàn)彈性模擬，彈性模量為35.5GPa,泊松比為0.16。土體和管片均采用8節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬?？紤]到市政交通隧道上跨往往不能滿(mǎn)足上覆土的厚度要求，上跨的市政管線(xiàn)更容易滿(mǎn)足此項(xiàng)要求，因此上跨計(jì)算選擇外徑D=1m、3m、5m、62m四種，下穿僅計(jì)算D=6.2m。文獻(xiàn)研究表明，盾構(gòu)隧道施工地層損失率一般在0.2%2%,故計(jì)算中假定地層損失率為1%,不考慮地下水的影響。模擬步驟如下:（1）既有隧道和土體地應(yīng)力平衡，經(jīng)過(guò)平衡將模型的位移控制在105m數(shù)量級(jí);（2）新建隧道（管線(xiàn)）開(kāi)挖，控制地層損失率為1%,每個(gè)分析步開(kāi)挖3.6m長(zhǎng)，即3個(gè)管片

4、環(huán)寬度。二、上跨施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響1、新建隧道或管線(xiàn)的外徑對(duì)既有隧道的影響新建隧道（D=6.2m）和市政管線(xiàn)（D=1m、3m、5m）在豎向凈距1m上跨既有隧道施工時(shí)，既有隧道豎向位移分布曲線(xiàn)。橫坐標(biāo)為既有隧道縱向長(zhǎng)度，橫坐標(biāo)50m處為新建隧道或管線(xiàn)跨越既有隧道處。新建隧道和市政管線(xiàn)跨穿施工時(shí)，既有隧道沿縱向隆起形成“反沉降槽”;既有隧道被跨處隆起量最大，向兩端隆起量逐漸減小。隨著新建工程外徑的增大，既有隧道最大隆起量不斷增大，但均在10mm以?xún)?nèi);外徑6.2m時(shí)既有隧道最大隆起量為8.8mm,是外徑1m時(shí)既有隧道最大隆起量（0.5mm）的17.6倍。既有隧道的隆起量隨著新建隧道、市政管線(xiàn)的

5、直徑增加而明顯增大。既有隧道與新建隧道（管線(xiàn)）空間交叉處，既有隧道頂部拉應(yīng)力明顯集中。既有隧道最大拉應(yīng)力值隨著新建隧道或管線(xiàn)外徑的減小而減小，并且應(yīng)力集中的范圍也隨著外徑的減小而減小。2、豎向凈距對(duì)既有隧道的影響新建隧道（D=6.2m）和市政管線(xiàn)（D=1m、3m、5m）以不同豎向凈距上跨施工時(shí)，既有隧道豎向位移的變化曲線(xiàn)。由圖5可見(jiàn)，新建隧道和不同外徑的市政管線(xiàn)上跨施工時(shí)，隨著豎向凈距的增加，既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢(shì)，但減小速率較慢，尤其是新建市政管線(xiàn)外徑較小時(shí)，減小速率更加緩慢。凈距對(duì)既有隧道隆起的影響較外徑的影響小。新建隧道和市政管線(xiàn)施工，改變了既有隧道受力狀態(tài)，在承載能力極限狀態(tài)下

6、隧道設(shè)計(jì)時(shí)往往要求結(jié)構(gòu)受力不超過(guò)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，由于混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此，可根據(jù)最大拉應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的關(guān)系來(lái)判定不同工況下既有隧道是否處在安全狀態(tài)。新建隧道和市政管線(xiàn)以不同豎向凈距上跨施工時(shí)，既有隧道最大主應(yīng)力變化曲線(xiàn)。既有隧道管片混凝土強(qiáng)度為C50,抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.07MPa,施工中既有隧道最大拉應(yīng)力不宜超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。以下?lián)朔治霭踩拇┰絻艟唷Ｉ峡缡┕r(shí)既有隧道最大拉應(yīng)力隨著豎向凈距的增大而減小。外徑62m的隧道上跨施工時(shí)，應(yīng)力變化曲線(xiàn)與抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向凈距約為4.2m。根據(jù)模擬分析結(jié)果，建議外徑6.2m或直徑更大的隧道上跨施工時(shí)，凈距應(yīng)&

7、amp;ge;4.2m,此時(shí)新建隧道上最大覆土厚度為4.6m,不滿(mǎn)足地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)隧道覆土厚度不宜小于隧道外輪廓直徑的規(guī)定。在既有隧道埋深15m，地層損失率1%的假定下，外徑62m或直徑更大的隧道不宜上跨施工。同理，外徑為5m的管線(xiàn)上跨施工時(shí)應(yīng)保證豎向凈距≥2.6m;外徑≤3m的管線(xiàn)在豎向凈距≥1m情況下可以上跨施工。三、下穿施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響由于市政管線(xiàn)下穿城市軌道交通既有隧道的情況極少，僅就新建隧道下穿城市軌道交通既有隧道進(jìn)行分析。新建隧道下穿施工時(shí)，既有隧道沿縱向沉降且形成“沉降槽”;既有隧道在被下穿處的沉降量最大，到兩端沉降量不斷減小。

8、隨新建隧道與既有隧道豎向凈距的增加，既有隧道沉降量減小。經(jīng)模擬分析，既有隧道沉降量均在10mm以?xún)?nèi)。圖8是新建隧道下穿施工時(shí)既有隧道的最大拉應(yīng)力分布云圖。在既有隧道與新建隧道空間交叉處，既有隧道頂部拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力隨豎向凈距的增加而減小，但應(yīng)力集中的范圍稍有增大。新建隧道下穿施工的4種工況中，凈距為1m和25m的工況下既有隧道最大拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；當(dāng)凈距3m時(shí)，既有隧道最大拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此，在本文假定的既有隧道埋深15m,地層損失率為1%的情況下，應(yīng)限制新建隧道在凈距3m以?xún)?nèi)的下穿施工，凈距3m以上的下穿工程，應(yīng)注意采取措施，嚴(yán)格控制地層損失率，以保證既有隧道的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)束語(yǔ)綜上所述，新建隧道和市政管線(xiàn)上跨施工時(shí)，既有地鐵隧道豎向產(chǎn)生隆起，且沿縱向形成“反沉降槽”。隨新建隧道（市政管線(xiàn)）外徑增大，既有地鐵隧道的隆起量不斷增大。與新建隧道交叉處，既有地鐵隧道頂部拉應(yīng)力集中，最大拉應(yīng)力和應(yīng)力集中范圍隨外徑的減小而減小。隨著豎向凈距的增加，既有隧道豎向位移均呈減小的趨勢(shì)。參考文獻(xiàn)1王劍晨.城市暗挖隧道穿越既有地下結(jié)構(gòu)的力學(xué)