本文摘要：摘 要：以廈門地鐵3號線小東山站安兜站區(qū)間隧道采用礦山法下穿既有鷹廈鐵路為背景，采用有限元法研究不同施工工況下地表變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，右線施工結(jié)束后，地表X向位移約為6.2 mm，Y向位移約為3 mm，地表Z向(最大沉降)約為7.5 mm;左線施工結(jié)束后，X向
摘 要：以廈門地鐵3號線小東山站—安兜站區(qū)間隧道采用礦山法下穿既有鷹廈鐵路為背景，采用有限元法研究不同施工工況下地表變形規(guī)律。研究結(jié)果表明，右線施工結(jié)束后，地表X向位移約為6.2 mm，Y向位移約為3 mm，地表Z向(最大沉降)約為7.5 mm;左線施工結(jié)束后，X向位移增大至8.0 mm，Y向位移增大至5.22 mm，地表Z向沉降增大至9.6 mm，地表Z向沉降接近10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)。為確保施工安全，提出保護(hù)控制措施。
關(guān)鍵詞：地鐵;鐵路;礦山法隧道;施工影響
1 工程概況
廈門地鐵3號線是連接廈門本島與翔安東部副中心的西南—東北向骨干線，擬建小東山站—安兜站區(qū)間沿起訖里程為右AK9+357.263～右AK10+732.456，區(qū)間右線全長1 375.193 m，沿途經(jīng)過火炬路、枋湖北二路。小東山站—安兜站區(qū)間隧道采用礦山法施工，該段區(qū)間在AK9+845.189～AK9+852.113段下穿鷹廈鐵路，平面與鷹廈鐵路相交夾角約85°，區(qū)間隧道上方覆土約17 m。鷹廈鐵路是中國東南沿海重要的雙線電氣化鐵路干線，允許速度70 km/h，與3號線交匯段為碎石道床、土路基(圖1)。
本處地層主要為填土層、粉質(zhì)黏土層及全強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r地層。隧道洞身主要穿越中風(fēng)化凝灰熔巖，承載力高，屬較硬巖但巖質(zhì)不均勻，節(jié)理裂隙較發(fā)育，透水性中等，工程性能較好，下臥微風(fēng)化地層。區(qū)間地表水不發(fā)育，地下水按成因劃分，主要分為第四系孔隙水、風(fēng)化巖孔隙裂隙水、基巖裂隙水，地下水位埋深2.4～10.0 m。
2 施工方案及控制標(biāo)準(zhǔn)
本處隧道位于中風(fēng)化地層，為Ⅳ級圍巖，隧道開挖凈寬7.2 m，單洞單線馬蹄形斷面，復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。礦山法隧道初期支護(hù)參數(shù)為250 mm厚C25噴混初支+ Φ8 mm單層鋼筋網(wǎng)片+Φ22 mm格柵@1 m +邊墻錨桿L = 3.0 m，二次襯砌采用300 mm厚鋼筋混凝土模筑襯砌;隧道超前支護(hù)采用拱部90°設(shè)置Φ42 mm小導(dǎo)管@0.4 m，L = 3 m;隧道開挖采用臺階法施工，先開挖右線，再開挖左線，待初支變形穩(wěn)定后下穿段提前施作二次襯砌。
根據(jù)相關(guān)行業(yè)規(guī)范和國內(nèi)下穿鐵路路基工程實例，礦山法下穿引起的鐵路路基沉降按照10 mm控制。
3 施工對既有鐵路影響模擬分析
3號線下穿鷹廈鐵路施工過程中，會導(dǎo)致既有鐵路下部地層損失，引起地表沉降或隆起，從而造成鐵路路基和軌道的變形，危害列車的正常運行。因此，采用有限元分析軟件建立三維仿真模型，分析不同施工工況下對鷹廈鐵路的影響，為是否需要采取地面預(yù)加固措施、軌道防護(hù)或限速運行措施提供理論依據(jù)。
3.1 計算模型
3號線區(qū)間下穿鷹廈鐵路數(shù)值分析模型按照實際尺寸建模，分別建立雙線隧道及鐵路路基模型。模型尺寸為：150 m (沿鷹廈鐵路方向)×100 m (沿地鐵3號線方向)×100 m (高)，水平與豎向邊界均采用位移約束邊界，模型網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格。三維整體有限元模型如圖2所示。
3.2 計算假定
(1)圍巖材料為各向同性均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)。
(2)計算中忽略構(gòu)造應(yīng)力，將初始應(yīng)力場假定為自重應(yīng)力場，同時將土體視為彈塑性連續(xù)體，施工中產(chǎn)生的變形連續(xù)。
(3)3號線與鷹廈鐵路相交處，模型選取的寬度范圍內(nèi)忽略3號線縱斷面4‰的坡度，平均埋深取3號線與鷹廈鐵路縱向軸線交點處的埋深值。
3.3 計算荷載
(1)3號線施工期間，考慮土層、路基及隧道結(jié)構(gòu)的自重荷載。
(2)地面超載按20 kPa考慮。
3.4 施工過程模擬
模型模擬的施工階段為先開挖右線，后開挖左線。對一個隧道施工步序而言，先開挖礦山隧道內(nèi)部的土體，然后噴初支，最后施工二次襯砌。隧道施工過程中土層應(yīng)力釋放通過控制應(yīng)力釋放因子來考慮。
3.5 計算結(jié)果分析
3.5.1 X 向位移
右線及左線施工完成時，土體X向水平位移云圖如圖3所示，可以看出如下特征。
(1)3號線施工對地層產(chǎn)生擾動，土體產(chǎn)生水平方向的位移，并由地表向開挖隧道拱腰位置沿某“滑裂面”移動。
(2)左、右線隧道施工完成后，隧道周邊土體水平位移表現(xiàn)為向兩隧道間移動，且具有對稱性;由于隧道埋深較大，水土側(cè)壓力較大，兩隧道間凈距較小，周邊土體向兩隧道間擠壓，反映在隧道變形上主要是隧道拱腰水平收斂。
(3)右線施工結(jié)束后地表X向位移約為6.2 mm，左線施工結(jié)束后地表X向位移增大至8.0 mm左右。
3.5.2 Y 向位移
右線及左線施工完成時，土體Y向水平位移云圖如圖4所示，可以看出如下特征。
(1)因隧道掌子面開挖造成土體應(yīng)力釋放，造成掌子面產(chǎn)生沿Y反方向水平位移，傳遞到地面，造成鐵路路基沿Y方向的位移，此位移較小，且為雙線施工疊加影響造成。
(2)右線施工結(jié)束后地表最大Y向位移約3 mm，左線施工結(jié)束后最大Y向位移約5.22 mm。
3.5.3 Z 向位移
右線及左線施工完成時，土體豎向位移(Z向)云圖如圖5所示，可以看出如下特征。
(1)采用礦山法施工過程中會引起一定的地層損失，從而導(dǎo)致土體產(chǎn)生豎向位移(Z向)。地層損失使得隧道頂部土體發(fā)生沉降，而底部土體由于隧道開挖卸荷產(chǎn)生隆起。
(2)右線施工結(jié)束后地表最大沉降值約為7.5 mm，隨著施工的深入，左線施工結(jié)束后地表最大沉降增大至9.6 mm。
(3)兩隧道地表最終沉降成W形，W形沉降2個最大沉降點分別出現(xiàn)在兩隧道正上方，左線隧道正上方為9.6 mm，右線隧道正上方為9.1 mm
推薦閱讀：《中國礦山工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1972年，是由中國有色工程設(shè)計研究總院主辦的刊物。
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