彭 坤

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

隨著軌道交通事業(yè)的不斷發(fā)展，在軌道交通控制保護區(qū)范圍內不可避免地出現(xiàn)了大量穿越既有軌道交通的工程。穿越工程復雜程度高、風險大、控制標準極為嚴格，如果處置不當將導致既有結構及軌道變形超限，嚴重時將影響到軌道交通的正常運營[1]。

1 工程概況

昆明地鐵1號線二期工程起自北二環(huán)路，沿北京路南行接入環(huán)城南路站，與首期已運營的1號線貫通銜接。5號線與1號線在彌勒寺站換乘，站后區(qū)間呈十字疊交，均采用盾構法施工。管片外徑6.2 m、厚度0.35 m、寬度1.2 m，混凝土等級C50、抗?jié)B等級P12，錯縫拼裝。1號線在上、5號線在下，1號線區(qū)間覆土厚度約12.0 m，5號線區(qū)間覆土厚度約20.3 m；兩區(qū)間隧道最小凈距2.1～2.2 m。區(qū)間疊交處自上而下依次分布為素填土、粉質黏土、圓礫土、黏質粉土、粉砂層。見圖1。

圖1 區(qū)間疊交區(qū)域相對位置關系

2 疊交區(qū)域安全控制指標

圖2 加固方案

穿越區(qū)土層自穩(wěn)性差，需要采用旋噴樁進行地面注漿加固。旋噴樁樁長均為13.6 m、直徑800 mm、間距600 mm，梅花形布置咬合；平面加固范圍為隧道外輪廓外擴1.5 m。見圖2。運營線路對變形控制要求嚴格，一旦超過位移限值，可能存在開裂、滲水、管片接口張開；變形過大，甚至會影響既有線的運營安全。通常情況下，管片結構水平及豎向變形是導致上方線路不平順的主要原因，1號線控制指標為隧道水平位移、豎向位移及隧道徑向收斂≤20 mm，軌道橫向高差和軌向高差≤4 mm，軌間距-4～6 mm，道床脫空量≤5 mm，結構裂縫寬度≤0.2 mm[2～3]。

3 疊交隧道數(shù)值模擬

為定量分析下穿過程對既有線的影響，采用GTS-NX軟件，建立地層結構模型進行計算。

3.1 模型建立

建立地鐵盾構區(qū)間疊交區(qū)域，根據(jù)盾構隧道影響區(qū)適當擴大，滿足數(shù)值計算精度要求。模型尺寸：X軸100 m，Y軸120 m，Z軸60 m，見圖3。

圖3 分析模型

計算模型中盾構區(qū)間管片僅考慮彈性變形，采用線彈性本構模型，假定材料應力-應變符合廣義胡克定律。

土體是典型的彈塑性材料，其卸載模量遠大于加載模量。Mohr-Coulomb彈塑性模型將壓縮和卸載模量統(tǒng)一采用楊氏模量E來表示，由于土體開挖是卸荷的過程，因此采用模擬土體卸載特性較好的Hardening-Soil模型更為合理；而修正Mohr-Coulomb模型的屈服面是解耦雙Hardening-Soil模型，用3個剛度值來表征土體在開挖過程中的特性，其中E50為標準排水三軸試驗中的割線剛度；Eoed為主固結儀加載中的切線剛度；Eur為卸載/重新加載剛度。Hardening-Soil模型包含剪切和壓縮兩種硬化類型且剪切破壞和壓縮破壞互不影響[4]。目前數(shù)值分析中修正Mohr-Coulomb本構模型由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，是對Mohr-Coulomb模型的改進，適用于軟土或砂土。本工程位于粉質黏土及圓礫土層，因此，土層采用的是修正Mohr-Coulomb模型。

計算參數(shù)的選取很大程度決定數(shù)值計算結果的可靠性。本次數(shù)值計算中巖土力學參數(shù)基于工程的詳勘報告確定。見表1和表2。

表1 土層參數(shù)取值

表2 彈性材料物理參數(shù)取值

5號線區(qū)間左右線盾構均在彌勒寺站始發(fā)，先左線后右線，保證安全距離50環(huán)以上。計算模型根據(jù)盾構實際施工進行工況劃分，穿越范圍按每段進尺為6 m進行模擬計算。

工況1：工程場地初始地應力場分析。

工況2：穿越范圍旋噴樁注漿加固。

工況3：1號線區(qū)間施工完畢，得出1號線區(qū)間內力分布情況。

工況4：5號線左線掘進到加固范圍前12 m（S1）。

工況5：5號線左線掘進到加固范圍前6 m（S2）。

工況6：5號線左線掘進到加固范圍（S3）。

……

工況13：5號線左線掘進到加固范圍后6 m，右線準備掘進（S10）。

工況14：5號線左線掘進到加固范圍后12 m，右線掘進到加固范圍前12 m，保證左右線安全距離≮50環(huán)（S11）。

工況15：5號線左線掘進到模型邊界，右線掘進到加固范圍前6 m（S12）。

……

工況25：5號線右線掘進到模型邊界（S22）。

3.2 影響分析

3.2.1 變形

在計算模型中提取左線6個代表點，分別位于拱頂和拱腰位置，見圖4。

圖4 1號線區(qū)間左線代表點

代表點在各工況下的變形見圖5。

在5號線掘進過程中，區(qū)間左線拱頂豎直向最大變形為2.32 mm，變形速率最大的工況為S9～S14；拱腰水平向最大變形為0.69 mm，變形速率最大的工況為S9～S14。盾構施工時，地層變形以豎向為主，表現(xiàn)為開挖隧道拱頂沉降變形，同時還包括水平向的收斂變形。由于下洞開挖擾動經(jīng)地層擴散，對上部1號線隧道變形也有一定影響，隨著5號線隧道掘進，1號線區(qū)間跟隨土體協(xié)調變形，從圖5可以看出，當盾構掘進至區(qū)間正下方范圍時，變形速率加大，穿越疊交區(qū)域后，變形趨于穩(wěn)定。

3.2.2 內力

5號線掘進過程中，1號線區(qū)間管片內力重分布，各工況下，管片最大正彎矩154.8 kN·m，最大負彎矩129.4 kN·m，最大剪力349.4 kN，最大軸力3 123.0 kN。見圖5。

圖5 1號線最大內

從計算結果和經(jīng)驗得知，當管片結構按照計算裂縫寬度0.2 mm進行控制驗算時，正常使用極限狀態(tài)驗算比承載能力極限狀態(tài)的基本組合下和地震工況組合配筋高，正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度驗算是控制工況。通過上述管片內力計算，穿越后裂縫驗算為0.13 mm，該項目實施未造成管片強度破壞，管片結構配筋滿足正常使用及承載能力極限狀態(tài)驗算要求。

在加固情況下進行盾構施工，1號線管片結構內力分布情況及內力數(shù)值不存在明顯變化。

4 結論及建議

采用數(shù)值模擬計算分析，較為真實的模擬了5號線區(qū)間下穿1號線區(qū)間的施工過程，給出了整個計算區(qū)域在不同施工階段的變形及內力情況，加固方案對于5號線下穿1號線結構安全是可控的。

目前，數(shù)值模擬計算在方案研究及風險論證中已得到普遍應用。數(shù)值模擬計算正確與可靠的關鍵是合理的選取本構關系及參數(shù)。