陈赤1，陈习2
(1重庆市万州区建设工程质量监督站，重庆404000；2中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆400015)
摘要：公路隧道断面尺寸一般较大，其施工过程对上部已运营地铁区间隧道变形将产生一定的影响，该文结合重庆市某公路隧道下穿地铁区间隧道的工程实例，运用三维有限元数值分析方法，分析了不同施工步序对已运营地铁区间隧道变形的影响，为工程的实施提供咨询意见，对普遍性的地下隧道下穿地铁区间隧道工程具有一定的指导意义。该文从地铁区间隧道尚未实施状态作为起始步序，平顶山隧道二衬施工完成作为终止步序，实现了动态施工全过程的模拟。
关键词：公路隧道；地铁区间隧道；位移；三维有限元；施工工况
为了缓解城市交通压力，我国各大城市交通规划建设更加注重地下空间的利用，发展城市地铁和地下公路隧道等地下交通是改善城市交通压力，确保城市可持续发展的必由之路[1]。城市地铁和地下公路等均为地下隧道结构，随着城市地下空间的不断开发利用，地铁与地铁之间、公路与公路隧道之间、地铁与公路隧道之间位置关系将更加复杂，地下结构在地应力场的作用下，相互之间的影响将更为突出。汲广坤[2]等对下穿地铁隧道的施工技术进行了研究；袁竹等[3]结合工程实例，对小龙坎隧道受下穿区间隧道近接施工进行了研究；张亮亮等[4]对盾构下穿地铁区间隧道受力进行了分析；丰土根等[5]对上下穿隧道位移影响进行了分析。目前专门针对下穿地铁区间隧道位移研究较少，本文结合重庆市某公路隧道下穿地铁区间隧道的工程实例，运用三维有限元数值分析的方法，分析不同施工步序对已运营地铁区间隧道位移变形的影响，为工程的实施提供咨询意见，对普遍性的地下隧道下穿地铁区间隧道工程具有一定的指导意义。
图1 区间隧道平面图
1.1 工程概况
平顶山隧道工程位于重庆市沙坪坝区，为左右线分离隧道，单洞为三车道，隧道开挖宽度为16m，开挖高度为11m，重庆地铁九号线小龙坎-土湾段为钻爆法单洞单线区间隧道，开挖宽度为7.4m，开挖高度为7.2m。
平顶山隧道下穿地铁九号线区间隧道，如图1所示。平顶山左线隧道路面与九号线区间隧道左线、右线轨面垂直距离分别为18.63m、18.37m，平顶山左线隧道拱顶与九号线区间隧道左线、右线底板垂直净距分别为8.63m、8.38m；平顶山右线隧道路面与九号线区间隧道左线、右线轨面垂直距离分别为19.48m、19.40m，平顶山右线隧道拱顶与九号线区间隧道左线、右线底板垂直净距分别为9.49m、9.41m。两者最小垂直净距约为平顶山隧道开挖断面的1/2，与区间隧道开挖断面大致相等。典型剖面图如图2所示。
图2 剖面图
按照重庆市轨道交通建设规划和平顶山隧道项目建设规划，地铁九号线区间隧道实施完成后平顶山隧道再实施。即平顶山隧道施工过程中，地铁九号线区间隧道已处于运营状态，平顶山隧道的施工将会对上方已运营的地铁隧道产生一定的影响，由于两者垂直距离较近，约为平顶山隧道开挖断面的1/ 2，平顶山隧道的实施将导致运营区间隧道的向下变形，运营地铁隧道和列车轨道对区间隧道的变形较为敏感，可能对运营安全造成影响。
1.2 地质条件
平顶山隧道工程拟建区出露岩层为河湖相沉积岩，以泥质岩为主，水文地质条件简单，拟建线路范围未发现滑坡、危岩、崩塌、泥石流、断层等不良地质现象。下穿地铁区间隧道处以中风化泥岩为主，围岩等级为Ⅳ级，地质勘察报告所列主要岩土物理力学参数如表1所示。
表1 岩土物理力学参数
岩性内摩擦角(O)天然饱和天然(MPa)饱和(MPa)重度（kN/m3）抗压强度标准值压缩模型(MPa)泊松比粘聚力(MPa)素填土20.520.5//400.45025粉质粘土19.2320.3////粉砂岩2626.5//强风化泥岩25.626//中等风化泥岩25.625.612.97.913000.370.5832.6强风化砂岩///中等风化砂岩24 24 25 25.4535.526.536000.151.240
已运营地铁隧道的变形控制极为严格，具体位移控制标准参照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJ/T202-2013[6]，安全控制指标值如表2所示。
表2 地铁隧道安全控制指标值
安全控制指标预警值控制值隧道水平位移＜10mm＜20mm隧道竖向位移＜10mm＜20mm隧道径向收敛＜10mm＜20mm隧道变形曲率半径-＞15000m隧道变形相对曲率-＜1/2500隧道管片接缝张开量＜1mm＜2mm隧道结构外壁附加荷载≤20kPa轨道横向高差＜2mm＜4mm轨向高差（矢度值）＜2mm＜4mm＜-2mm＞-4mm＜+3mm＜+6mm道床脱空量≤3mm≤5mm轨间距振动速度-≤2.5cm/s结构裂缝宽度迎水面＜0.1mm迎水面＜0.2mm背水面＜0.15mm背水面＜0.3mm
表3 模拟施工工况
施工工况编号施工工序A平顶山隧道二衬与前方掌子面距离50m，先施工左线，再施工右线；B平顶山隧道二衬与前方掌子面距离50m，左线、右线同时施工；C 平顶山隧道二衬未及时跟进，距离较远。
本文采用三维有限元分析方法预测平顶山隧道的实施对区间隧道沉降造成的影响，为平顶山隧道的施工提供依据，拟按三种施工工况进行模拟，如表3所示。
施工工况A二衬跟进距离较小，平顶山隧道左、右线分别施工，下穿区间隧道段施工时间最长；施工工况B二衬跟进距离较小，平顶山隧道左、右线同时施工，下穿区间隧道段施工时间可缩短，但同时施工可能导致区间隧道下沉变形加大；施工工况C二衬未及时跟进，左、右线同时施工，施工周期最短，施工时间可大大缩短，但由于二衬未及时跟进，区间隧道下沉变形可能较大。本文模拟的三种工况均考虑隧道为机械开挖，下穿运营轨道交通的隧道开挖一般不采用爆破施工。
3.1 三维数值模型
三维数值分析采用midas-gtsNX三维有限元分析软件进行计算分析，岩层用三维实体单元进行模拟，参数取值按表1。平顶山隧道和地铁区间隧道用二维板单元进行模拟，采用混凝土材料参数和各自隧道厚度尺寸参数。岩层材料的本构模型采用莫尔-库伦模型，并将其简化视为各向同性材料，隧道衬砌采用线弹性模型模拟[7]。
采用施工工况步序模拟实际施工过程，施工工况模拟通过有针对性地激活和钝化有限元模型中的相应单元组来实现，开挖步序的模拟钝化相应岩层实体单元组，施加二衬步序的模拟激活相应隧道板单元组。从地铁区间隧道尚未实施状态作为起始步序，平顶山隧道二衬施工完成作为终止步序，实现了动态施工全过程的模拟。图3所示为三维有限元分析实体模型。
图3 三维实体模型
图4 实体内部平顶山隧道下穿区间隧道节点
按照下穿节点处现场实际地层情况建立地层模型，从上往下依次为填土层、砂岩层、泥岩层，模型包含轨道九号线部分区间隧道（小龙坎-土湾）、部分平顶山隧道。模型比例1∶1，整个模型尺寸为：210m（纵向）×150m（横向）×100m（竖向）。模型边界为X、Y方向约束，底部边界为Z方向约束，顶部边界为自由面。图4所示为实体模型内部平顶山公路隧道与地铁区间隧道相互关系三维图。
A、B、C三种模拟工况中间步序一致，仅平顶山隧道开挖步序不同：
A工况：左线开挖50m→左线施加二衬50m（向前再推进50m）……→右线开挖50m→右线施加二衬50m（向前再推进50m）……实施完成。
B工况：左线、右线开挖50m→左线、右线施加二衬50m（向前再推进50m）……实施完成。
C工况：左线、右线开挖完成→左线、右线施加二衬。
3.2 数值分析结果
A、B、C三种工况按3.1节所述方式进行模拟，得出不同工况下九号线区间隧道最终沉降位移数据，对每种工况下的区间隧道底板中心沉降值绘制位移曲线图。左线区间隧道和右线区间隧道在三种工况下沉降对比图分别如图5、图6所示，图中纵坐标为沉降位移值，横坐标为地铁区间隧道里程值。位移沉降值突变的两个位置刚好为平顶山隧道下穿地铁区间隧道交点处。
图5 左线区间隧道三种工况下位移对比图
图6 右线区间隧道三种工况下位移对比图
地铁左线、右线区间隧道最大位移值均发生在平顶山隧道下穿区间隧道相交位置处，该处沉降位移值发生较大突变。
地铁左线区间隧道底板在A工况下的最大沉降位移值为-7.1mm，在B工况下的最大沉降位移值为-7.5mm，在C工况下的最大沉降位移值为-9.7mm。
地铁右线区间隧道底板在A工况下的最大沉降位移值为-7.9mm，在B工况下的最大沉降位移值为-8.3mm，在C工况下的最大沉降位移值为-10.8mm。
三维有限元分析结果显示，A、B工况下区间隧道沉降位移值相差较小，C工况下区间隧道沉降位移比A、B工况下增加约35%；由于地铁右线区间隧道与平顶山隧道拱顶垂直距离更小，约减小0.8%，右线区间隧道底板沉降值比左线区间隧道底板沉降值增加约11%；A、B工况下区间隧道沉降位移值约为竖向位移预警值（10mm）的80%，C工况下区间隧道沉降位移值已达到并超过竖向位移预警值。
轨向（纵向）高差值为轨道钢轨10m弦测量的最大矢量值，评价轨道钢轨的平顺度与区间隧道位移突变程度相关。如图7所示，假设L=20m，图中的fc即为该矢量值。
图7 轨向（纵向）高差值示意图
根据3.2节位移曲线，简化成计算每10m距离区间隧道底板沉降位移差值，代替轨向（纵向）高差值。A工况下左线、右线每10m沉降位移差值最大分别为2.28mm、2.60mm；B工况下左线、右线每10m沉降位移差值最大分别为2.31mm、2.68mm；C工况下左线、右线每10m沉降位移差值最大分别为2.78mm、3.26mm，满足规范控制值＜4mm的要求。
本文基于平顶山隧道工程下穿重庆地铁九号线区间隧道工程实例，采用三维数值有限元分析方法，分别分析了A、B、C三种工况下区间隧道的沉降位移变化，对各种工况下区间隧道结构底板的最小沉降位移值绘制了位移曲线图，并对曲线图进行分析，得出以下结论：
（1）公路隧道下穿地铁区间隧道，对地铁区间隧道的沉降位移影响较大，位移沉降值最大处为两者下穿节点，两者最小净距小于公路隧道1/2开挖宽度时，随着净距的减小，区间隧道沉降值增大速率加快，1/2公路隧道开挖宽度为两者净距极限值。
（2）公路隧道施工中应采用小进尺、快跟进的开挖方式，可减小上方区间隧道位移沉降值。从计算分析结果来看，二衬紧跟可减小区间隧道最大沉降值约26%。
（3）左右线分离式公路隧道下穿区间隧道时，两洞分别开挖下穿区间隧道比两洞同时开挖下穿区间隧道位移沉降值仅减小5%，两种工况下区间隧道最终沉降位移值相差不大，从节约工期的角度出发，可考虑左右线两洞同时开挖，为减小相互影响，可左右线掌子面保持一定距离。
参考文献：
[1]顾保南，叶霞飞.城市轨道交通工程[M].武汉：华中科技大学出版社，2007：1-2.
[2]汲广坤，李健.复合地层中盾构近距离下穿地铁区间隧道施工技术研究[J].建筑工程技术与设计，2015，36.
[3]袁竹，仇文革，龚伦.小龙坎隧道受下穿区间隧道近接施工影响研究[J].RAILWAY STANDARD DESIGN，2009(12).
[4]张亮亮.盾构下穿地铁区间隧道衬砌受力特征分析[J].土工基础，2012，26(2).
[5]丰土根，王瑞涛，靳永福，等.上下穿隧道对近邻隧道位移影响分析[A]//全国工程安全与防护学术会议[C].中国岩土力学与工程学会，2010.
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ/T202-2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014：24-25.
[7]伍尚勇，杨小平，刘庭金.双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响的分析[J].岩土力学与工程学报，2012，31（S1）.
责任编辑：孙苏，李红
Analysis on Tunnel Displacement of Underneath-crossing Subway Range below Highways or Tunnels
Abstract：The section size of highway tunnel is generally large,and its construction would always exert some influences on the tunnel deformation of its above subways in operation.This paper combines a practical case and adopts 3-D finite element numerical analysis to analyze the influences of different construction procedures on the tunnel deformation of the operating subway range in hope of offering some references for similar programs.This paper realizes the entire process simulation,from the initial step of not-under-construction status to the final step of construction completion of Pingdingshan secondary tunnel lining.
Keywords：highway tunnel;subway range tunnel;displacement;three-dimensional;construction situation
中图分类号：U25
文献标识码：A
文章编号：1671-9107（2017）04-0047-04
doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.047
收稿日期：2017-02-21
作者简介：陈赤（1967-），男，重庆人，本科，高级工程师，一级注册建造师，主要从事建设工程管理和工程质量监督等相关工作。
陈习（1985-），男，重庆人，研究生，工程师，主要从事设计、建设工程管理等工作。
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