摘　要：依托重庆地铁６号线一期工程，应用有限元分析软件进行数值模拟，分析了地铁区间隧道ＴＢＭ施工下穿高速公路段的隧道安全性及对公路的安全性影响．计算结果表明：ＴＢＭ隧道下穿高速公路过程中，地表沉降和支护安全度能够满足要求．

关键词：地铁隧道；下穿施工；安全性；数值模拟

 

      随着交通事业的蓬勃发展，为保证城市功能及交通所需空间，人类开始求助于地下空间来补助地面空间的不足．地铁的施工及建设在这样的大背景下发展迅速，而ＴＢＭ开挖方式由于其高效、安全等一系列优点在地铁施工中深得青睐．由于在地下工程施工时，地面的各种工程结构直接影响地下结构施工，同时，地下结构的施工需要考虑到地面结构的正常安全使用^［１］，因此，深入系统地对地下工程施工进行分析，对于充分利用地下空间、实现城市和谐可持续发展，具有十分重要的理论意义和实用价值．本文就重庆地铁６号线施工中ＴＢＭ施工下穿高速公路的安全性进行计算分析．

      重庆地铁６号线在区间ＣＫ２８＋５４０～ＣＫ２８＋６１５段，下穿渝合高速．为了解ＴＢＭ法施工区间隧道对渝合高速路的影响，取典型断面进行计算．该处设计轨面高程为２７１．９８ｍ，隧道拱部结构外缘高程为２７７．０２ｍ，隧道底部结构外缘高程为２７０．６６ｍ，高速路面高程为２９０．００ｍ，隧道结构与路面净距为１２．９８ｍ．区间左右线先后开挖，计算ＴＢＭ通过后初期支护单独作用下的结构安全和高速路面的沉降量．

 

      此处为Ⅳ级围岩区，且上部覆土为中等风化砂质泥岩，厚约１３ｍ．按照实际情况，取１０９．６ｍ×９５．３５ｍ×４５ｍ建立模型，如图１所示．共４４　４２８个单元，计算单元采用了平面ｍｅｓｈ２００单元与实体ｓｏｌｉｄ４５单元^［５］．

      Ｆｉｇ．１　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ计算分析中，根据已有地质资料，参照工程地质手册^［２］和铁路隧道规范^［３］进行模型相关参数选取．计算中所取参数如表１所示．

      在隧道开挖之前，土层中早已存在的初始应力场按土体在自重作用下的应力计算（自重应力场）；高速路   面荷载参照《桥隧设计通用规范》中的公路Ⅰ级车道荷载取值，按２０ｋＰａ计算，加载范围按最不利的双向８车道加载，取３３ｍ．

      ＴＢＭ掘进机在破岩掘进时，依靠撑靴支撑反力推动刀盘，挤压掌子面，利用刀盘上的刀具破岩，因此掘进时掌子面会承受一定的推力．参考掘进机相关资料及Ｒｏｂｂｉｎｓ厂家所提供的资料，计算时将刀盘作用在掌子面上的推力按１５　０００ｋＮ考虑，换算成均布荷载施加在掌子面上，计算如下：

      ＴＢＭ掘进时，主机部分自重通过刀盘护盾作用在围岩上，对洞周有一定的压力，根据主机重量分布及前盾接地面积，换算出该压力，在洞周１２０°范围施加．模拟时，首先在模型表面施加路面荷载，计算初始应力，然后左右线先后开挖，每循环进尺１．５ｍ，每开挖一步，取消上一步施加在结构上的荷载，同时施加以下作用：

      １）掌子面上刀盘上的推力；

      ２）在开挖处２ｍ的范围上，把机头部分自重施加在隧道洞壁上；

      ３）在距离掌子面１０处、纵向１ｍ的隧道洞壁上，施加外机架上的撑靴支撑力；

      ４）支护落后掌子面１６ｍ施加．

 

      １）应力、位移在隧道进行开挖之前，先进行应力平衡，计算平衡后的垂向主应力图及位移如图２和图３所示，模拟地铁区间隧道开挖、支护后的主应力及位移如图４和图５所示．

      地层在开挖前，在重力和车辆荷载作用下的初始沉降量为２１ｍｍ，ＴＢＭ施工引起地层变形，随着ＴＢＭ的推进，其上部土体也同样朝推进方向产生位移，且位置随盾构机位置变化而变化．ＴＢＭ推进支护过程中，引起地表变形在－０．６ｍｍ（下沉）至０．７ｍｍ（隆起）之间变化，拱顶最终沉降量１ｍｍ，拱底最终隆起量为３．５ｍｍ，边墙朝向洞内有０．４ｍｍ，满足路面沉降控制要求．

      ２）安全系数

      根据衬砌各单元的节点应力，参照文献［４］，可以按照下述方法计算出各截面上的法向应力．

在所论截面上各个节点的法向应力σ按下式计算：

σ_ｎ＝σ_ｘｃｏｓ^２θ＋σ_ｙｓｉｎ^２θ＋τ_ｘｙｓｉｎ２θ     （１）

式中：σ_ｘ、σ_ｙ、τ_ｘｙ分别为所论节点的应力分量；θ为所论截面的外法线与σ_ｘ之间的夹角，以逆时针方向为正．

      既已算得各截面上两个节点的法向应力（边缘应力）σ_１、σ_２，作用在所论截面上的弯矩Ｍ和轴力Ｎ可按下式计算：

      式中：ｂ、ｄ分别为截面的宽度和厚度，计算中取ｂ＝１ｍ．

      求得隧道各截面上的弯矩Ｍ和轴力Ｎ后，可通过下列公式计算所论截面的安全系数：

ｅ_０＝ Ｍ／Ｎ      （３）

      ｅ_０≤０．２ｄ（小偏心）时，按抗压要求检算：

      式中：φ为构件纵向弯曲系数，计算中取φ＝１；α为轴力偏心影响系数，有α＝１－１．５ｅ_０／ｄ；Ｒ_ａ为混凝土极限抗压强度，计算中取Ｒ_ａ＝１９．０ＭＰａ．

      ｅ_０＞０．２ｄ（大偏心）时，按抗裂要求检算．

     

       式中：Ｒ_ｌ为混凝土极限抗拉强度，计算中取Ｒ_ｌ＝２．０ＭＰａ；其余符号意义同前．

      取最不利荷载断面处的应力，计算作用于该截面的轴力、弯矩及安全系数，检算结果如表２所示．

      由表２可以看出，地铁区间下穿渝合高速公路过程中，初期支护安全系数均大于１，且有一定的安全度，结构强度满足，可以保证安全通过。

 

      １）ＴＢＭ推进支护过程中，引起地表 变 形在－０．６ｍｍ（下沉）至０．７ｍｍ（隆起）之间变化，满足路面沉降控制要求．

      ２）支护结构的竖向位移看，初期支护结构拱顶最终沉降量１ｍｍ，拱底最终隆起量为３．５ｍｍ，边墙朝向洞内有０．４ｍｍ，满足要求．

      ３）从支护结构受力情况来看，结构主要由抗裂要求控制，安全系数均大于１，且有一定的安全度，满足强度要求．

 

［１］　Ｒｅｉｌｌｙ　Ｊｏｈｎ，Ａｒｒｉｇｏｎｉ　Ｇｉａｎｎｉ，Ｘｕ　Ｓｈｕｌｉｎ，ｅｔ　ａｌ．ＴＢＭ及其在中国的应用［Ｊ］．现代隧道技术，２００２，３９（１）：１－７．

［２］　常士骠，张苏民．工程地质手册［Ｍ］．３版．北京：中国建筑工业出版社，１９９２．

［３］　中华人民共和国铁道部．ＴＢ　１０００３—２００１铁路隧道设计规范［Ｓ］．北京：中国铁道出版社，

２００１．

［４］　潘昌实，张弥，吴鸿庆．隧道力学数值方法［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，１９９５．

［５］　王新敏．ＡＮＳＹＳ工程结构数值分析［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００７