综合管廊上跨地铁隧道数值模拟分析

梁晋维、王前

摘要：基于MIDAS GTS NX软件对天河智慧城综合管廊隧道盾构上穿地铁21号线神舟路站-天河智慧城站区间工程进行了施工阶段数值模拟分析，着重分析了上穿施工对既有地铁隧道变形的影响。研究结果表明，新建综合管廊隧道上穿施工过程中，下部既有隧道以上浮变形为主，符合规范要求。对实际施工具有一定的参考意义。

关键词：盾构；上穿；地铁隧道；数值模拟

1. 工程概况

1.1项目概况

天河智慧城地下综合管廊工程科翔路~华观路（220kV科城变电站~科韵路）综合管廊（以下简称本项目），总体呈东西走向，东起科翔路220kV科城变电站，西至科韵路，采用盾构法施工，全长约5.2km。综合管廊盾构段与广州地铁二十一号线隧道立体交叉处，管廊顶距地表约9.9m，地铁隧道顶距离管廊底竖向距离约8.24m。东侧立体交叉处管廊盾构与二十一号线隧道剖面关系见图1.1。

图1.1 管廊盾构与二十一号线隧道剖面关系图

1.2工程地质概况

场地的岩土层按其成因分类主要有：第四系人工填土层(Q4ml)、第四系陆相冲积-洪积层(Q3+4al+pl)、残积土层(Qel)；基岩为白垩系上统(K2)碎屑岩及燕山晚期(ηγ53-1)花岗岩，两者为断层接触。

1.3新建综合管廊隧道断面尺寸

新建综合管廊采用圆形盾构法施工，外径6m，管片厚0.3m，内径5.4m。

2. 上穿施工数值模拟研究

2.1计算模型

数值计算模型中上边界为地表，模型的高度取44 m，沿地铁21号线方向长度取120m，沿新建电力隧道方向长度取130m。三维计算模型见图2.1。模型中地表取为自由边界，其他 5个面均约束其法向变形；共划分了 209125 个单元、38987 个节点。

图2.1三维计算模型

2.2 参数选取

计算模型均采用实体单元进行模拟，参数取值见下表

地层名称	重度 （KN/m³）	弹性 模量（MPa）	粘聚力（KPa）	内摩 擦角（°）	泊松比
回填土	19.4	10	25	15	0.42
粉质黏土	20	34	35	16.5	0.36
可塑砂质黏土	21	40	40	23	0.35
硬塑砂质黏土	22	60	46	25	0.29
全风化花岗岩	22.2	200	60	28	0.26
中风化花岗岩	25	1300	200	30	0.24

2.3 施工阶段模拟

该工程拟用盾构法施工，数值模拟按照如下步骤进行：

（1）计算土体、既有21号线盾构隧道初始地应力，初始位移清零；

（2）依照盾构法工序，模拟综合管廊隧道开挖过程，开挖进尺定为3m；

（3）循环第 2 步，直至新建综合管廊隧道开挖完成。

3. 数值模拟结果分析

3.1、隧道竖向位移

图3.1 施工结束既有隧道结构竖向位移云图

从图 3.1可以看出，既有隧道产生上浮变形， 上浮量呈现中间大、两端逐渐减小的趋势；至施工结束，上浮峰值在 0.7 mm 左右

3.2、隧道水平位移

图3.2 施工结束既有隧道结构水平位移云图

从图3.2可以看出，至施工结束时，下部既有隧道结构水平变形量并不大，最大值为 0.14 mm， 集中在隧道中部位置。

从上图可以看出，在开挖过程中随着掘进步数增加，既有二十一号线隧道中部竖向值亦不断增大。在进行第20施工步骤时，即盾构机盾头处于既有隧道外边线1倍开挖直径范围内时，既有二十一号线隧道竖向位移开始增大；在进行第25施工步骤时，当盾构位于既有隧道上方时，既有二十一号线隧道竖向位移增大明显，穿越完毕后，地表竖向位移增大趋势有所减缓；此后随盾构机逐渐远离既有隧道直至离开50m地铁保护范围外，地表沉降值略有反弹并收敛于0.7mm。

3.3、隧道结构应力

图3.3 施工结束既有隧道结构应力云图

从图 3.3可以看出，至施工结束时，下部既有隧道结构应力变化不大，施工结束后最大拉应力为0.95Mpa（施工前0.99Mpa），最大压应力为4.85Mpa（施工前4.86MPa），且均低于C50强度设计值（抗压强度23.1Mpa，抗拉强度1.89Mpa）。

在监测实施中，如监测数据达到预警状态后，应结合人工巡视结果、施工状态分析，综合提出监测报警； 如遇监测数据突变，或结构出现明显变形及裂缝、变形缝出现渗漏等异常情况，应立即采取电话、短信等方式上报，以便及时处理。

预警级别	预警条件	预警响应
三级预警	6mm≤隧道沉降、水平位移累计变形量（自动监测）<8mm	对该段隧道启动限速，以30公里/小时组织在严密监控下行车
二级预警	8mm≤隧道沉降、水平位移累计变形量（自动监测）＜10mm（预警值）	对该段隧道启动限速，以15公里/小时组织在非常严密监控下行车
一级预警	10mm（预警值）≤隧道沉降、水平位移累计变形量（自动监测）＜15mm（控制值）	商讨是否继续行车，并上报至领导小组决定，并安排检查，抢修等工作

4. 结论

笔者以天河智慧城综合管廊隧道盾构上穿地铁21号线神舟路站-天河智慧城站区间工程为依托，通过数值模拟的方法，研究分析了盾构隧道上穿既有地铁隧道施工时下部既有地铁隧道的变形规律，得到的主要结论有：

1、隧道上穿施工中，地表沉降变形和既有隧道变形，应力水平均较小且低于规范控制值，说明上穿施工过程中，既有地铁隧道结构状态安全可控；

2、既有隧道竖向变形模拟结果揭示了上穿施工过程中，下部既有隧道由于卸荷作用产生上浮变形的基本规律，可以为实际施工提供参考。

参考文献：

[1] 王立忠，吕学金. 复变函数分析盾构隧道施工引起的地基变形

[J]. 岩土工程学报，2007，29（3）：319-327

[2] 贺美德. 浅埋暗挖法隧道上穿既有盾构隧道的变形控制研究

[D]. 北京：北京交通大学，2015

[3] 房 倩，张顶立. 浅埋暗挖地铁车站下穿既有线结构施工方法研究

[J].中国铁道科学，2007，8(5)：71~77

[4] 方晓慧,王星华.盾构隧道近距离正交下穿复杂地下结构的影响分析

[J]. 铁道科学与工程学报. 2014(01)

[5] 沈良帅， 贺少辉. 复杂环境条件下上跨下穿同一既有地铁隧道的变形控制分析及施工方案优化

[J]. 岩土力学与工程学报，2008，27(增)：2893~2900

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