基于Midas-GTS NX的新建地铁隧道施工对既有隧道影响研究

杨 陈

（四川大学锦江学院 土木工程学院， 四川 眉山 620860）

0 引言

伴随着经济的快速发展，大量“城市群”的新建，城市内部的地面交通能力已经远远不能满足当前的通行要求，因此对于地下空间的拓展已经成为了目前解决城市交通问题的最为有效的方法之一。因此，各大城市的地铁应运而生，而大量修建地下隧道的同时，必不可少的会出现很多交叉、近接的地铁线路，特别是在线路规划初期，可能会遇到很多线路相互穿越的问题，而后建隧道穿越既有地铁隧道或其他隧道的工程已经成为了目前城市地铁建设中遇到过的最为常见的难题之一。例如重庆轨道交通3号线与6号线的十字交叉工程；重庆轨道交通4号线下穿重庆轨道交通3号线、渝怀线、渝利线三条线路；成都地铁至开通至今已经实现了多条线路与车站的立体交叉。在如此众多的交叠隧道施工当中，我们只有首先清楚的明白既有隧道在被新建隧道下穿时其内力和变形的特点，才能既确保既有结构的安全，又能保证下穿工程的有序进行。

1 工程概况

本文以重庆轨道交通既有地铁隧道 3号线（民安大道站-重庆北站（北广场）区间隧道，如图2.1所示）与新建4号线（双洞隧道）交叉区段的施工为背景，根据设计文件所述，交叉段起点为：右 K13+400.000，终点里程为：右K14+814.218，区间全长为1.4公里。该段下穿隧道从隧道埋深来看属于浅深结合段（埋深从14米到52米之间变化），但是其围岩等级低（IV、V级围岩），围岩稳定性较差，属于施工难度较大区段。下穿段连接的两端地铁车站之间的区间隧道均以单洞单线进行。整个隧道区间施工与设计均按照新奥法施工进行。

图1.1 新建隧道与既有隧道空间位置关系（单位：米）

2 建立计算模型

本文模型的建立是以工程实例为依据，因此采用实例中的Ⅳ级围岩为依据，主要考虑下穿隧道初期支护形式下既有隧道的应力及变形的研究。

采用软件 Midas-GTS NX建立计算模型，主要利用摩尔库伦（Mohr-Coulomb）屈服准则建立以隧道初衬（钢拱架喷射混凝土）结构为主要研究对象的三维有限元模型。在查阅了大量参考文献的基础上，根据圣维南原理可知：当隧道开挖时，围岩内力变化会随着远离开挖区域的增加而逐渐减小，当远离一定的距离后，其内力的变化可以忽略不计。所以，在选择三维模型时，考虑以一定范围内的围岩为模型，在施工隧道水平方向选择长度为隧洞跨径的3至5倍的距离的围岩，在垂直隧道的方向选择取隧道洞高的2至3倍距离的围岩，组成三维立体模型。

根据目前大量的实际下穿工程的施工经验和岩土力学知识可知，对新建隧道穿越既有隧道时，对于既有隧道的影响大小，主要是由有新建隧道的施工工序和支护方式所决定的,不同的施工工序和支护方式通过下穿段都会给实际工程带来不同的施工难度。而本文建立的模型就是以新建重庆轨道交通

4号线下穿既有地铁线路（重庆地铁3号线）的下穿段为例，模拟下穿段数值间距由大变小的过程，难点为隧道间距仅为3.4米处。借助此模型来研究分析新建地铁隧道对既有运营隧道的影响。

模型主要采用模拟施工中的全断面开挖的施工方法，并以不同的施工进尺（1.5m/2m/3m）两隧洞掌子面间距（同步开挖、间隔6m、间隔12m、先挖一个隧道再挖另一个）为依据，进行模拟施工。共计 72组模型。各种组合情况如表2.1所示。

表2.1 隧道计算模型组合情况

3 计算结果分析

通过对新建隧道施工对既有地铁线影响的各工况进行了数值模拟分析，得出开挖进尺一定时，不同初衬参数、不同两掌子面间距的各种工况组合下的模型计算结果进行了归纳总结。但对于其他工况一定时，不同开挖方法及开挖进尺对既有隧道沉降和内力的影响未作对比。故下面就新建隧洞每步开挖进尺和全断面与台阶法进行结果分析。下面以钢拱架间距0.5m为例，分析既有隧道仰拱沉降与开挖进尺的关系，如表3.1所示。

表3.1 钢拱架间距0.5m时各工况既有仰拱沉降表

从表3.1中可以看出，每步开挖进尺越大，其相应引起的沉降值也就越大，比如在掌子面间距为0m时，每次开挖4米引起的沉降值为2.38mm，每次开挖1m，所引起的沉降值为1.9mm，因此开挖进尺可以有效控制既有结构的沉降。

下面以钢拱架间距0.5m为例，分析既有隧道仰拱沉降与开挖方法（全断面与台阶法）的关系。提取钢拱架间距0.5m、每次开挖1m时，开挖方法与掌子面间距对应的沉降值，汇于表3.2。

表3.2 不同开挖方法对应既有仰拱沉降表

从表中数据可以看出分台阶开挖时对应最大沉降为1.9mm，比全断面开挖所引起的最大沉降值1.73mm小，因此分台阶开挖可以有效控制既有结构的变形。

在内力变化方面，利用上述相同方法，提取钢拱架间距0.5m时每次开挖进尺与掌子面间距对应二衬z方向内力值，如表3.3。

表3.3 钢拱架间距0.5m时各工况既有隧道二衬z方向应力值

从表格中可以看到，随着每步开挖进尺的增大，各工况对应的二衬边墙z方向压应力值在减小，也就是应力相对开挖前时内力值变化增大。

4 结论

本文根据实际工程背景选取了模型材料的计算参数，运用Midas-GTS NX软件计算了 72组模型下新建地铁隧道下穿既有隧道的影响，通过分析模型的计算结果，得出以既有隧道在垂直方向上（Z轴）应力值变化最为明显的边墙作为参考指标，而在研究既有隧道的变形影响方面以变形量最大的仰拱处的沉降值为参考依据对整个计算结果进行研究分析。并以此依据为前提，对照实际施工中的施工进行施工模拟，依次分析了在不同的进尺（1.5m、2m、3m）情况下，新建隧道在不同的支护情况以及两隧洞掌子面间距及开挖方法改变时对既有隧道的影响。得出了以下结论：

①新建隧道在采用不同的初衬钢拱架间距时，对于既有隧道结构的内力以及周围围岩的变形影响程度不同，沉降量随着钢拱架的间距的增大而增大，且边墙的也随之增大；

②既有隧道在下穿段开挖前，边墙位置一直处于受压状态且保持稳定，但随着下穿段的施工开挖，既有隧道边墙出的受力逐渐由受压变为受拉的状态，且趋势随着开挖的进行而不断加大。

综上所述，当遇到新建隧道下穿既有隧道时，采用小开挖进尺对围岩的扰动相对较小，同时所需时间减小，能尽快的完成出渣，制作初支等工序，缩短了开挖循环，降低了围岩地城应力损失，从而保证施工的安全。