杨文东，吕显先，张建国，张连震，井文君

（1. 中国石油大学（华东） 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580；2. 山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 250101）

数值试验与虚拟仿真是利用计算机模拟工程结构的变形和破坏规律。由于应用范围广、可重复性好、可处理复杂问题，数值试验越来越成为土木工程物理实验教学的重要补充[1-2]。本文通过数值仿真分析了某地下交叉地铁隧道开挖与支护施工案例。

随着城市地下空间的不断开发利用，地铁隧道接近既有建筑物、城市道路、铁路、地下管线、隧道及桩基础等施工已逐渐成为常态，多线隧道交叉施工工况也日益增多[3]。复杂的周边环境对地铁隧道施工变形的要求更加严格，尤其机场、高铁等环境对变形的控制要求近乎苛刻，要求实现变形0～10 mm、控制精度1 mm 的mm 级控制[4]。严格的变形控制要求给地铁隧道的设计及施工带来新的挑战。其中，精确预测隧道施工引起的地表及深层土体沉降是实现隧道施工精细化控制的前提，故而显得尤为重要。张治国等[5]以上海地铁为背景，运用三维数值模拟与现场监测相结合的方法，分别对有无遮拦效应时地铁盾构施工造成的地表沉降规律进行分析，得出新建地铁隧道复杂穿越既有隧道时既有隧道的变形规律；谢雄耀等[6]以上海轨道交通十三号线为背景，采用相似模拟试验，针对不同施工条件，分析了近距离施工时既有隧道结构的变形及附加内力；陈卫忠等[7]以某隧道穿越既有隧道为背景，分析了相交处围岩、支护系统的受力特性，提出保障既有隧洞安全的施工方法；张晓清等[8]通过有限元软件建立三维有限元模型，模拟盾构垂直上穿、垂直下穿、上下夹穿3 种施工形式，得出盾构施工和开挖卸荷引起的地层损失对地表沉降和既有隧道纵向变形的影响。

由于岩土工程地质条件的复杂性，盾构隧道往往穿越多种土体重叠交叉的土层，盾构穿越均质土层所引起的扰动相对容易控制，当穿越复杂界面环境，如上软下硬地层、土岩结合面和不良地质条件下的地层时，施工难度增大，施工风险也随着增大[9-10]。为此，本文针对某地铁R1、R2 号线双线上下行盾构下穿京沪高铁案例，采用数值分析软件FLAC3D进行数值模拟，对多期地铁隧道R1、R2 线交叉施工进行数值试验，分析地下交叉地铁隧道开挖对地表沉降、开挖面周围土体的影响以及隔离桩对减小地表沉降的作用，为类似工程分析和教学提供参考。

1 工程背景

某地铁R1、R2 号线从王府庄站始发沿刘长山路向东，盾构下穿京沪高铁，交叉角度为61°。左、右线区间分别位于26.0‰、21.0‰的下坡段，均由104 号与105号桥墩间64 m 桥跨斜交穿过，区间左线覆土厚度为28.35 m、区间右线覆土厚度19.22 m，隧道外径6.4 m、内径5.8 m，衬砌结构厚0.3 m。下穿段左线主要处于粉质黏土层和卵石层，右线主要处于粉质黏土层和细砂层。其盾构区间左、右线均斜穿京沪高铁104 号与105号高架桥桩，右线距离105号桥墩桩基最小净距为10.84 m，左线距离104 号桥墩桩基最小净距为10.45 m。为减小盾构施工对已有桥墩桩基的影响，在盾构下穿前施做隔离桩。区间隧道、隔离桩与桥墩的相对位置如图1 所示，地铁隧道下穿段平面图如图2 所示。

图1 区间隧道、隔离桩与桥墩的相对位置（mm）

图2 地铁隧道下穿段平面图

该区间盾构下穿京沪高铁连续桥梁段，区间左、右线主要穿越地层为粉质黏土层，上部覆土为粉质黏土、黄土、杂填土。

2 数值模型

模型的基本假定如下：

（1）初始地应力只考虑土体自重应力，忽略岩土体构造应力以及地下水的影响；

（2）土体的变形与时间无关，不考虑土体的固结和蠕变作用。

在数值模拟过程中，土体采用Mohr-Coulomb 弹塑性模型，隔离桩、桥墩桩基、衬砌均采用弹性模型，隧道采用null 模型。为方便建立模型，对土层分布进行优化处理，将物理力学参数相近土层进行合并，并取盾构穿越区段平均厚度作为模型土层厚度。隧道管片衬砌结构采用 C50 钢筋混凝土材料，弹性模量34.5 GPa。考虑到管片衬砌接头对结构刚度的影响，将结构刚度折减为0.85。隔离桩采用钻孔灌注桩。具体材料物理力学参数见表1。

表1 材料物理力学参数

R1、R2 线地铁、隔离桩、桥墩桩基等模型均采用现场实际尺寸。为忽略模型边界效应的影响，自桥墩边界向四周延伸5 倍隧道直径，埋深自桥墩桩基向下延伸5 倍隧道直径，计算模型X向190 m、Y向240 m、Z向80 m，模型尺寸为190 m×240 m×80 m，模型单元数为403 544 个，节点数为209 580 个。桥墩桩基、隔离桩、隧道相对位置如图3 所示，模型横断面如图4 所示，模型平面图如图5 所示。

图3 桥墩桩基、隔离桩、地铁隧道相对位置

图4 模型横断面

图5 模型平面图

FLAC3D模拟过程如下所示：

（1）将整个模型的本构模型设为Mohr-Coulomb模型，对各土层参数进行赋值，平衡地应力，得到模型的初始地应力。

（2）将模型塑性区、位移等清零，将桥墩桩基本构模型改为弹性模型并赋值，进行桥墩桩基施工模拟。

（3）将模型塑性区、位移等清零，将隔离桩结构改为弹性模型并赋值，进行隔离桩施工模拟。

（4）对R1 线进行分段盾构开挖及支护施工模拟，将隧道部分赋null，衬砌结构改为弹性模型。

（5）对R2 线进行分段盾构开挖及支护施工模拟。

3 模拟结果分析

图6 所示为地铁R1 线开挖引起的周围土体沉降云图。由图6 可以看出，R1 线开挖后，周围土体受到扰动发生变形，影响范围大概在5 倍隧道直径以内，超出这个范围的土体几乎不受隧道开挖的影响。隧道顶部土体表现为沉降，最大沉降值出现在R1 右线顶部，最大值为3.45 mm，底部表现为向上隆起，最大隆起值出现在R1 左线底部，最大值为3.42 mm。这说明R1 线开挖后，开挖面顶部土体由于开挖卸荷而产生沉降，而底部土体向上隆起。

图7显示了R1线开挖后地表沉降曲线的模拟值和实际监测值。由图7 可以看出，R1 线开挖后地表沉降模拟值曲线和监测值曲线基本吻合，地表沉降曲线大体上呈“V” 型，但由于数值模拟过程对土层进行均质简化以及未考虑地下水的影响，模拟值与监测值在某几个监测点处相差较大。邱明明等[11]通过改变平行双隧道之间的间距与埋深，发现地表沉降槽曲线形状受间距和埋深的影响较大，间距较小或埋深较大时，地表沉降槽曲线呈“V”型，而间距较大或埋深较浅时，地表沉降槽曲线呈“W”型。本文模拟由于两条隧道相距较近且埋深较大，其相互之间的扰动作用增强，在共同的扰动区内沉降值增大，故沉降曲线呈“V”型，最大沉降值为1.31 mm。

图6 地铁R1 线开挖引起周围土体沉降云图

图7 地铁R1 线开挖地表横向沉降曲线

图8 所示为地铁R2 线开挖后周围土体沉降云图。由图6、8 可以看出，R2 线开挖使得周围土体再一次发生扰动，产生变形。与R1 线开挖后周围土体的变形云图相比，R2 线开挖后，R1 线周围土体变形值发生较大变化。其中：R1 左线出现最大隆起值3.96 mm，较R1 线单独开挖增加了0.51 mm，R1 右线沉降值减小；R2 线由于R1 线先期施工的影响，底部隆起值比R1 线小很多，但其顶部沉降值较大，最大值为6.97 mm。

图9 为两种工况下地表沉降曲线模拟值。R2 线开挖后，隔离桩内侧地表沉降值明显增大，最大值为5.1 mm，比R1 线单独开挖增大3.79 mm，说明交叉隧道施工会进一步增大地表沉降值，这是由于R1 线开挖后，土体发生初始扰动，而R2 线开挖对土体扰动进一步加强，导致土体变形增大且向开挖面处位移，地表沉降值随之增大；由于R2 双线间距较小，施工产生的扰动在隧道交叉处进一步累加，使得地表横向沉降槽曲线依旧呈 “V” 型。

在隧道施工过程中，当其附近存在既有设施时，往往要采取加固、隔离等措施减小隧道开挖引起的地层扰动对既有设施的影响，以保证既有设施的安全。隔离桩作为一种良好的隔离体系，能够有效地将承受的摩擦力纵向传递，阻挡隔离桩两侧土体的变形传递，从而减小隧道开挖对既有设施的影响。

图8 地铁R2 线开挖后周围土体沉降云图

图9 地铁R1 线开挖与R2 线开挖后地表横向沉降曲线

图10 所示为隔离桩对地表沉降的影响。从图10 可以看出，隔离桩的存在对地表沉降槽曲线的发展趋势的影响不大，地表沉降槽曲线呈“V” 型，但隔离桩对减小地表沉降值与土体水平向变形有显著影响。对隔离桩内侧土体来说，在施做隔离桩之后，R1 线地表的最大沉降值由1.68 mm 减小到1.44 mm，R2 线最大沉降值由5.6 mm 减小到5.1 mm；对隔离桩外侧土体来说，施做隔离桩后，地表沉降值在隔离桩处发生突变，隔离桩外侧土体地表沉降值接近于0 mm，隔离桩隔离效果显著。

图10 隔离桩对地表沉降影响

图11 、12 分别是有无隔离桩时R1、R2 双线开挖后土体水平向变形值。从图11、12 可以看出，在施做隔离桩之后，土体的水平向变形值在隔离桩处发生突变，隔离桩内侧土体的最大变形值略有增加，左侧增加0.1 mm，右侧增加0.3 mm；隔离桩外侧土体的变形值明显减小，左右两侧均减小到1.0 mm 以内。

图11 有隔离桩时R1、R2 双线开挖地层水平向变形值

图12 无隔离桩时R1、R2 双线开挖地层水平向变形值

从上述分析可以得出，隔离桩能有效减小隔离桩外侧地表沉降以及水平向变形。由于隧道开挖后，开挖面土体卸荷，周围土体受到扰动而向隧道开挖面方向不断移动，导致土体产生水平向和竖向位移，而在施做隔离桩之后，隔离桩隔离了桩两侧土体的直接接触，由于隔离桩本身刚度较大，其变形较小，且有效隔离了桩内土体的扰动，桩外侧土体扰动较小，故隔离桩外侧土体变形较小。

4 结语

数值仿真教学具有形象直观、可重复性的优点，有利于提高学生的学习兴趣，并且可进行拓展训练。本文基于某地铁R1、R2 号线双线上下行盾构隧道下穿京沪高铁案例，对多期地铁隧道R1、R2 线交叉施工进行数值试验，分析地下交叉地铁隧道开挖对地表沉降以及开挖面周围土体的影响，以期对同类工程的分析与教学提供借鉴。主要得到以下结论：

（1）R1 线开挖后地表沉降曲线大体上呈“V”型，由于两条隧道相距较近且埋深较大，相互之间的扰动作用增强，在共同的扰动区内沉降值增大。

（2）R2 线开挖引起周围土体发生扰动和变形，地表沉降值明显增大，双线开挖增加了共同扰动区的沉降值，并产生 “V” 型沉降槽。

（3）隔离桩能有效减小隔离桩外侧地表沉降以及水平向变形。