肖江文
港铁技术咨询(深圳)有限公司 广东深圳 518109
摘要：以某地铁隧道下穿既有高速为例，通过采用有限差分数值分析软件FLAC3D建立三维数值分析模型，以实际设计为参数值，并现场设置监测点，反馈监测数据，对管片受力、围岩位移、高速路面沉降分析，结果表明该地铁盾构隧道下穿既有高速公路设计和施工方案合理、安全可靠。
关键词:地铁；有限差分数值分析；高速公路；盾构隧道
随着城市轨道交通的快速发展，地铁盾构隧道下穿既有高速公路已十分普遍，如何在设计阶段判断设计和施工方案安全十分重要。本次通过采用有限差分数值分析软件FLAC3D进行模拟计算，真实模拟三维地层、隧道施工变化过程，得出施工期隧道和高速路面变化数值，对盾构隧道设计和施工安全具体科学的指导意义。
1工程概况
某地铁工程区间隧道采用盾构法施工，其中线路在既有高速以南入地下穿高速，线路下穿长度约43.7m，隧道与既有高速的夹角约为62.5°。在该高速路堤南侧设始发井，始发井距该高速路面最小距离为15.4m，该高速路堤北侧处浅埋段，原状地面最小埋深2.47m。
2 水文地质
该隧道埋深2.47m~11.9m之间，隧道穿越地层主要为砾质粘性土。地下水主要有二种类型：一类是第四系松散岩类孔隙水，主要存于第四系松散岩土层中；另一类为基岩裂隙水，主要存于块状强风化、中等风化带中，略具承压性。
3 下穿高速设计和施工方案
3.1隧道下穿高速设计方案
本工程区间在高速路堤处始发入地，线路下穿长度约43.7m。区间线路平面最小曲线半径为350m，线间距8.9m~14.9m。线路采用单向坡形式，线路以28.8‰的下坡由明洞段入地，然后以9.3‰向下缓坡到达车站，区间在高速段埋深约7米。该盾构隧道采用管片衬砌环，盾构隧道内径为5400mm，管片300mm厚。同时在高速北侧管片浅埋区段，最小覆土仅为2.47m，设计在该区域采取回填C20素混凝土抗浮盖板措施。
3.2隧道下穿高速施工方案
本隧道采用盾构法施工。为保证盾构始发安全并提供足够土压力，和保证安全穿过高速公路，防止盾构对土体扰动造成路面沉降超标，对始发区和穿越范围路堤采取袖阀管加固措施，在盾构始发端头采用双管旋喷桩加固地层，以便盾构始发并穿越高速公路。
4盾构下穿高速公路路基安全分析
4.1三维数值分析模型的建立
4.1.1 数值模型的建立
本次数值模拟采用有限差分数值分析软件FLAC3D进行计算，该软件目前广泛应用在边坡稳定性分析、基坑开挖、地铁施工等岩土领域，能真实模拟三维地层、隧道、边坡、基坑开挖的全过程。建立好的模型尺寸为：78m×31m×90m。
4.1.2计算参数的选取
本次模拟的物理力学参数参考地质勘察报告和设计文件选取。
各土层采用摩尔-库伦弹塑性模型，隧道管片采用弹性模型，参数取值如下：
材料 天然密度
(kN/m3) 弹性模量(MPa) 泊松比 黏聚力(kPa) 内摩擦角/°
路堤填土 1900 50 0.33 40 23
含砾性黏土 1820 17.6 0.32 15 2.5
管片衬砌 2500 34500 0.2 - -
4.1.3 施工过程的模拟和实现
为模拟盾构下穿高速与盾构掘进的施工过程，数值模拟和实现为：
（1）激活土层，模型的四周和底部的边界条件为法向约束，地表为自由边界条件，在自重条件下求解至平衡，位移清零。
（2）在路面施加20kPa的路面荷载，求解至平衡，位移清零。
（3）本次模拟隧道先施工左线，待左线贯通后再施工右线。
4.2盾构管片受力与变形分析
通过模拟盾构掘进显示，管片受力和变形情况如下：
左线管片的压应力为正，管片大部分受压。管片两侧的压应力较大，拱顶和拱底的应力较小。管片衬砌的主应力最大值位于管片两侧，为-1.30MPa，主应力最小值位于管片顶部，为-0.5MPa。
双线开挖后同样管片大部分受压。管片两侧的应力较大，拱顶和拱底应力较小。右线管片衬砌的主应力最大值位于管片两侧，为-1.4MPa，最小值位于管片顶部，为-0.6MPa。左线管片主应力最大值位于管片两侧，为-1.2MPa，最小值位于管片顶部，为-0.3MPa。
从上述分析可以看出，隧道双线开挖后，左线管片的最大主应力值较单线开挖有所减小，但减小的幅度较小。同时，在开挖的过程中，隧道管片整体受压，且在安全范围内。
4.3盾构掘进隧道围岩位移分析
盾构掘进围岩水平变形：通过模拟分析，左线开挖后左右两边围岩向洞内挤入变形。其中左边围岩的水平最大位移为9.18mm，右边围岩的水平最大位移为-8.91mm，小于洞内收敛控制值12mm。双线开挖后，左右两边围岩同样向洞内挤入变形。右线贯通之后，左线左围岩的水平最大位移值为8mm，右水平最大位移值为-9.1mm；右线左围岩水平最大位移值为10.2mm，右水平最大位移值为-8.8mm，水平收敛均小于控制值12mm。
盾构掘进围岩竖向变形：左线拱顶出现沉降，拱底出现隆起。竖向离拱顶越近，沉降越大，拱顶最大沉降为-35.2mm；竖向离拱底越近，隆起越大，拱底最大隆起为8.21mm。双线掘进后，右线拱顶出现沉降，拱底出现隆起。右线竖向离拱顶越近，沉降值越大，拱顶的最大沉降值为-33.2mm；竖向离拱底越近，隆起值越大，拱底的最大隆起值为13.2mm。而左线的拱顶沉降最大值稍有减小，拱底隆起最大值稍有增大，但变化量很小，可忽略不计。左右线拱顶下沉值均小于控制值64mm。
4.4盾构掘进中既有高速路面变形分析
隧道下穿既有高速时，会对高速路面竖向位移产生一定的影响。为了量化在隧道掘进后路面沉降情况，选择在高速路面中央布置监测点。监测点从左至右，每隔10m设置一个监测点，共设置9个监测点。
左线和双线掘进后，根据监测点监测情况，随着左线掘进，高速路面出现沉降，位于左线隧道正上方路面沉降最大，两边沉降逐渐减小，路面沉降最大为-12.5mm。双线开挖后，位于右线隧道正上方路面沉降最大，越往两边沉降逐渐减小，沉降值最大为-17.4mm。
通过监测情况对比分析：在右线隧道掘进完成后，路面的最大沉降会向右移动，并最终稳定在右线隧道上方，但左线隧道上方路面沉降值并未减小。路面地表沉降均小于控制值30mm。
5 分析结论
通过建立三维计算模型，模拟盾构隧道下穿既有高速路，分析隧道开挖后的管片受力、围岩位移、高速路面沉降的情况显示，各数值均满足规范要求，既该盾构隧道下穿既有高速所采用的设计和施工方案安全可靠。
参考文献
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国质量监督检验检疫总局，地铁设计规范（GB 2017-2013）.北京：中国建筑工业出版社，2013.
[2]铁道第三勘察设计院集团有限公司，深圳市城市轨道交通4号线三期工程-详细勘察阶段勘察报告[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2016.
[3]铁道第三勘察设计院集团有限公司，深圳市城市轨道交通4号线三期工程盾构区间隧道施工图[R].天津：铁道第三勘察设计院集团有限公司，2016.