●僵 Ｍ 广 暑缋下穿己暑线 褫节点虹曾建军 摘要：新线下穿既有线问题对广州地铁在建线路的土建安全、投资、 工期和质量具有重大影响。应用有限元方法对广州地铁６、２号线海珠广 场换乘站风险进行分析评估中，控制了６号线下穿２号线工程过程中的土 建施工风险。 关键词：地铁；下穿既有线；有限元；分析 变形与应力的影响规律，并利用 １ 工程概况 ＦＬＡＣ３Ｄ数值计算程序，研究分析 广州地铁６号线海珠广场站与 不同的开挖顺序对既有２号线隧道 ２号线海珠广场站站台层换乘通道 结构的变形与应力的影响，模拟 在平面内近似呈“Ｌ”走向，在６号 站台层换乘通道开挖过程中，不 线一德路至海珠广场区间ｚｃＫｌ０＋ 同开挖阶段，围岩与既有２号线隧 ７４１．０～Ｚ Ｃ Ｋｌ０＋７７１．１里程内与２ 道结构的沉降与应力变化，分析 号线立交，并下穿２号线既有隧道， 换乘通道开挖的风险点与有效控 ６号线站台层通道与２号线既有线结 制措施。 构最小净间距为０．９２７ ｍ，站台层换 乘通道顶面埋深２３．６４～２８．１ ｉＴＩ，换 ２有限元模型建立 乘通道最大截面宽×高＝７．８ Ｉ１３＿× ２．１基本假定 ６．２ｌ８ ｍ，换乘通道在中风化岩层中 （１）材料采用莫尔一库仑准 穿过，换乘通道距６号线左右线隧道 则，大应变变形模型计算。 各３．５ ＩＹＩ，开挖方案为先施工站台层 （２）假定地表和各土层均成层 换乘通道，后施工两侧的６号线区问 均质水平分布，土层取值如表ｌ。 隧道。 （３）Ａ—Ａ与Ｂ Ｂ断面采用中隔 对海珠广场站６号线与２号线 壁ｃ Ｄ法开挖隧道，左洞开挖时喷 的暗挖换乘通道进行三维有限元 射混凝土封闭开挖洞室，左右洞开 模拟计算，以研究暗挖换乘通道 挖间隔ｌ２．９ Ｉｌｌ。Ｃ Ｃ与Ｄ Ｄ断面采 的开挖对既有２号线隧道结构的 用ＣＤ法＋台阶法分６个洞室顺序开 曾建军：广州Ｉ中咨城轨工程咨询有限公司，高级工程师，广州５１ ００３０ ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮ ＴＲＡＮＳＩＴ ５１２０１１ 贝代堪市轫皿交匾 匐 铺 挖，开挖步长为２．ｏ ｍ。 ２＿２支护结构 （１）初衬结构。首先用空单元 模拟站台层通道开挖，再使３００ ｍｉｎ 厚的初衬部分单元格复活，然后根 据喷射混凝土初衬参数来模拟。 （２）超前小导管预支护，超 大管棚预支护。采用在站台层通道 开挖前方提高站台层通道顶面０．８ ｍ 厚土层的网格力学参数来模拟，参 数见表２。 （３）锚杆加固围岩。采用提高 锚杆加固区内（左右各２．５ ｉｎ）的围 岩力学参数来模拟。 （４）二次衬砌。６００～９００ Ｉｎｒｉ］厚 的二衬部分单元格复活，在模拟过程 中，严格按照以上的支护结构的支护 顺序与参数，模拟实际施工过程。 （５）初始地应力场。先由土体 重力平衡后，进行２号线隧道开挖， 保留开挖完成时的围岩与２号线隧道 结构的应力状态，清除位移与塑性 状态后，作为站台层换乘通道开挖 前的初始应力状态。 （６）由于建筑物离站台层换乘 通道较远，所以不考虑建筑物荷载。 （７）不考虑降水。 －Ｌ １ｒ土＝；， ｌ ２．３模型计算范围选择与单元划分 有限元模型计算范围的水平方 ； 表１ ６、２号线海珠广场站暗挖联络通道岩土力学参数表 向，左右各取换乘通道宽度的３倍， ０ 毋 粤 － 琴 ＿ ■一 豳 ＿ 圆 ＿ 人工填土层淤泥质土层 中粗砂层 强风化岩层 中风化岩层 微风化岩层 ４．６ ６．２ ２．５ ６．０ ２２．５ ６．２ １ ８００ １ ６５０ １ ９５０ ２１００ ２４８０ ２ ５１０ １６．６７ ６．６７ １６．６７ ６６．６７ ２４６．９１ ５９５．２４ ： ｉ； 。 角 ３．５７ ２．２２ ７．６９ ４０．Ｏ０ １６２．６０ ４０９．８４ １０ ４．７ ０ ５０ ｌ ０００ ２ ０００ １２ ７．２ ３０ ２５ ３８ ４０ 左右各取２０ ｍ；竖向上方以地面为 限，下方距下洞底板深度取洞跨的 ３倍；沿换乘通道方向，轴向取４５ ｍ。因此，有限元模型所选取的计算 范围为：宽×高×长－＿４０ ｉ２ｑ＿×４８ １ＴＩ 表２支护结构力学参数表 ×４５ Ｉ１＂１，三维模型共划分ｌ２４ ７１６个 单元。模型侧面限制水平移动，底 面限制垂直移动，模型上部模拟地 表白由边界（图１、２）。 图１ 三维有限元计算模型 图２ ６号线站台层换乘通道与 既有２号线空间位置视图 ｌ¨毒 霸 厚摩 窟 角 喷射混凝土初衬０．３ ２ ５００ ６６００ ４ ０００ ４ ０００ ３５ 钢筋混凝土二衬０．３ ２ ５００ ９ ５２０ ８ ７００ 一 一 ４２ｍｍ小导管加固区０．８ ２ ５００ ３００ １９２ ｌ ２ｏｏ ４Ｏ １０８ｍｍ管棚加固区０．８ ２ ５００ ３５０ ２４０ ｌ ５００ ４２ 锚杆加固区 ２．５ ２ ５００ ２８０ １８０ １ １００ ３８ ２．４岩土与支护结构力学参数 拆除中问隔一施工二衬。 根据海珠广场站的地质斟测报 （２）Ｃ Ｃ至Ｄ Ｄ断面。顶部超 告，根据现场取样与岩土力学的试 前管棚预加固一左上洞室开挖并初 验结果，考虑到岩石的尺寸效应， 衬一右上｝同室开挖并初衬一左下洞 计算采用的岩土体的力学参数如表 室开挖并初衬一右上洞室开挖并初 ｌ，支护结构力学参数如表２。在计 衬一中上洞室开挖并初衬一中下洞 算模型中，岩土材料与混凝土初衬 室开挖并初衬一拆除中间支撑一施 破坏采用莫尔库仑屈服准则，钢筋 工二衬。 混凝土二衬采用弹性模型。 ３．２计算结果分析 ３有限元计算分析 站台层换乘通道的开挖总共有 ８个步序（表３），图３为开挖进度示 ３．１计算荷载及工况 意图。 模拟开挖过程中，先计算初始 ３＿２．１开挖步序１ 应力，然后台阶法开挖，每开挖一个 开挖步序１计算结果分析如下。 开挖面形成“毛洞”，释放部分初始 （１）ＣＤ法沿换乘通道开挖Ａ—Ａ 应力的５０％；施作初衬支护后释放 断面与Ｂ Ｂ断面至１２．９ ｍ处，换乘 余下另Ｐｂｓｏ％初始应力的７０％，二次 通道拱顶最大沉降为６．９２ ｍｌＴｌ，由于 衬砌承受施工完成后的水压力与运 离既有２号线隧道还有一定距离，因 营荷载。 计算工况按开挖步长 表３站台层通道开挖步序表 为２．０ １２＇１，２种开挖步序考 ： 开挖步序。 Ａ—Ａ与Ｂ—Ｂ断面ＣＤ法开挖左洞１２．９ ｍ 虑。 Ａ—Ａ与Ｂ—Ｂ断面ＣＤ法开挖右洞１２．９ ｍ （１）Ａ Ａ至Ｂ—Ｂ断 Ｃ—Ｃ与Ｄ－Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖左上洞 Ｃ—Ｃ与Ｄ－Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖右上洞 面。顶部超前小导管预加 Ｃ—Ｃ与Ｄ—Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖左下洞 固一左洞开挖一喷射混凝 Ｃ—Ｃ与Ｄ—Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖右下洞 Ｃ—Ｃ与Ｄ－Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖中上洞 土初衬并封闭洞室一右洞 Ｃ—Ｃ与Ｄ－Ｄ断面ＣＤ法＋台阶法开挖中下洞 开挖一喷射混凝土初衬一 拆除中间初支，施工二衬完成 项代琥市车ｎ娼交匾５１２０１１ ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ — １ｚ Ｍ 应力集中区。 ３．２．３开挖步序３ ｍｍ，最大压应力为０．９５ ＭＰａ，最 大拉应力为０．４１２ ＭＰａ，相对应于 开挖步序３计算结果分 上一工序，既有线结构沉降略有增 …析如下。 大，压应力与拉应力集中区扩大， （１）Ｃ Ｃ与Ｄ Ｄ断 但最大应力值基本不变。 平面图 面开挖第２洞室（右上） （３）开挖洞室初支最大压应力 后，换乘通道最大拱顶沉 增大，达到２．３４ ＭＰａ，最大拉应力 降为７．０３ ｍｍ，既有２号线 变化不明显。 隧道结构沉降０．８２ ｍｍ； 在左上开挖洞室上方， 既有２号线结构在底部两 ：Ｂ纵断图Ａ 侧出现压应力集中区，最 大值为０．９ ＭＰａ；在既有 图３站台层通道开挖进度图 ２号线结构拱腰两侧出现 拉应力集中区，最大值为 此，既有２０线的沉降很小（＜０．５ ０．３９ ＭＰａ，左上开挖洞室的初衬结 ｍｍ），换乘通道的初衬为平顶直 构最大压应力为１．７ ＭＰａ，最大拉应 墙，最大主压应力为５．５ ＭＰａ，最大 力为０．０３５ ＭＰａ。 主拉应力为０．８５ ＭＰａ，均位于中间 （２）开挖左上洞室对既有２号线 隔壁混凝上底部。 结构影响，最大沉降增大为０．８２ （２）换乘通道开挖Ａ—Ａ断面与 ｉｎｎｌ，最大压应力为０．９ ＭＰ ａ，最 Ｂ Ｂ断面对既有２号线隧道影响很小。 大拉应力为０．３９ ＭＰ ａ，相对应于 ３．２．２开挖步序２ 上一工序，既有线结构压应力与拉 开挖步序２计算结果分析如下。 应力集中区扩大，但最大应力值基 （１）Ｃ Ｃ与Ｄ～Ｄ断面分为６个 本不变。 洞室开挖，在开挖第ｌ｝同室（左上） ３－２．４开挖步序４ 后，换乘通道最大拱顶沉降为６．９９ 开挖步序４计算结果分析如下。 ｍｍ，既有２号线隧道结构沉降０．８２ （１）Ｃ—Ｃ与Ｄ—Ｄ断面开挖第３｝同 １１１ｉｎ，在左上开挖洞室上方，既有２ 室（左下）后，换乘通道最大拱顶 号线结构在底部两侧出现压应力集 沉降为７．０７ ｍｍ，既有２号线隧道结 中区，最大值为０．９ ＭＰａ；在既有２ 构沉降１．３２ ｍｍ，在开挖洞室上方， 号线结构拱腰两侧出现拉应力集中 既有２０线结构在底部两侧出现压 区，最大值为０．３２ ＭＰａ，左上开挖 应力集中区，最大值为０．９５ ＭＰａ； 洞室的初衬结构最大压应力为１．６１ 在既有２号线结构拱腰两侧出现拉应 ＭＰａ，最大拉应力为０．０３３ ＭＰａ。 力集中区，最大值为０．４ｌ２ ＭＰａ， （２）开挖左上洞室对既有２号线 左下开挖洞室的初衬结构最大压应 结构的影响不大，最大沉降为０．８２ 力为２．３４ ＭＰａ，最大拉应力为０．０５ ＩＴＩｉｎ，最大压应力为０．９ ＭＰａ，最大 ＭＰａ。 拉应力为０．３２ ＭＰａ，相对应于上一 （２）开挖左下洞室对既有２号 工序，既有线结构出现压应力与拉 线结构影响，最大沉降增大为１．３２ 囝ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮ ＴＲＡＮＳＩＴ ５１２０１１ 贝代堪市轨孀交通 ３．２．５开挖步序５ 开挖步序５计算结果分析如下。 （１）Ｃ…Ｃ与Ｄ Ｄ断面开挖第４洞 室（右下）后，换乘通道最大拱顶 沉降为７．１ ｍｉＴＩ，既有２号线隧道结构 沉降１．４５ ＩＴＩｉＴＩ，在开挖洞室上方， 既有２０线结构在底部两侧出现压 应力集中区，最大值为０．９８ ＭＰａ； 在既有２号线结构拱腰两侧出现拉 应力集中区，最大值为０．４４ ＭＰａ， 右上开挖洞室的初衬结构最大』土 应力为２．４ ＭＰａ，最大拉应力为 ０．０５４ ＭＰａ。 （２）开挖右下洞室对既有２号 线结构影响，最大沉降增大为１．４６ ｍ１ＴＩ，最大压应力为０．９８ ＭＰａ，最 大拉应力为０．４４ ＭＰａ，相对应 ｒ上 一工序，既有线结构压应力与拉应 力集中区扩大，但最大应力值基本 不变。 （３）既有线衬砌结构的最大压 应力区域偏向开挖的换乘通道的在 方，最大拉应力区域偏向开挖的换 乘通道的右方。 （４）开挖洞室初衬结构的内力 较上一工序变化不大。 ３＿２．６开挖步序６ 开挖步序６计算结果分析如下。 （１）Ｃ—Ｃ与Ｄ—Ｄ断面开挖第５ 洞室（中上）后，换乘通道最大 拱顶沉降为７．１ ｉｎｍ，既有２号线隧 道结构沉降１．５０ ｉｎｉｉ１，在换乘通 －．Ｌ－１工＝；， － ＭＰａ增大到 ＭＰａ，最大主拉应力为 大，最大拉应力由０．１４３道上方，既有２号线结构在底部两 增大为４．５３ 侧出现压应力集中区，最大值为 ０．６４ ＭＰａ。 ０．４２ Ｍ１３ａ，在第４￣１１７工序中，变化 不大，在拆除初支，施工二衬后， 拉应力增大为０．６７ ＭＰａ。 ２．８开挖步序８ １．０ ＭＰ ａ；在既有２号线结构拱腰 ３．两侧出现拉应力集中区，最大值为 开挖步序８计算结果分析如下。 ０．４２ ＭＰａ，中上开挖洞室的初衬结 （１）拆除中问的初支，施工二 （３）站台层换乘通道开挖引起 构最大压应力为３．８ ＭＰａ，最大拉应 衬，ｌｔＬｇ￣，２个较小的洞室连成１个大 站台层换乘通道拱顶最大沉降为 力为０．２ ＭＰａ。 ｍｌＴｌ，换乘通道的初衬内力在 洞室，既有２号隧道结构最大沉降 ９．１（２）开挖中上洞室对既有２号 由１．５０１ＴＩｍ增大到２．７ｍｍ，换乘通 中洞土开挖卸载时，引起中间临 线结构影响，最大沉降增大为１．５０ ｉｎＩＴＩ，最大压应力为１．０ ＭＰａ，最大 拉应力为０．４２ ＭＰａ，相对应于上一 工序，既有线结构压应力与拉应力 集中区域随着中洞的开挖而连成一 片，应力集中区域增大。 （３）开挖洞室由于中洞土的开 挖卸载，导致初支的主压应力与主 拉应力急剧增大，最大值均出现在 中间临时初支上。 ３．２．７开挖步序７ 开挖步序７计算结果分析如下。 （１）Ｃ Ｃ与Ｄ Ｄ断面开挖第６ 洞室（中下）后，换乘通道最大拱 顶沉降为７．１ ｉｎ１ＴＩ，既有２号线隧 道结构沉降１．５０ ｉＴＩ ｉｎ，在换乘通 道上方，既有２号线结构在底部两 侧出现压应力集中区，最大值为 １．０ ＭＰ ａ；在既有２号线结构拱腰 两侧出现拉应力集中区，最大值为 ０．４２ ＭＰａ，中下开挖洞室的初衬结 构最大压应力为４．５３ ＭＰａ，最大拉 应力为０．６４ ＭＰａ （２）开挖中下洞室对既有２号 线结构影响，最大沉降增大为１．５０ ｍｍ，最大压应力为１．０ ＭＰａ，最大 拉应力为０．４２ ＭＰａ，相对应于上一 工序，变化不大。 （３）开挖洞室由于中洞土的开 挖卸载，导致初支的主压应力与主 拉应力急剧增大，最大值均出现在 中间临时初支上，最大主压应力值 道的最大沉降由７．１ ＩＴＩｍ增大到９．１ 时支护的最大压应力与最大拉应 ｍｍ。 力急剧增大，因此，中洞土开挖 （２）既有２号线隧道衬砌结构 应注意对中间临时支护的加强， 的最大压应力由１．０ ＭＰａ增大到１．２ 防止中间临时支护因过大应力发 ＭＰａ，最大拉应力由０．４２ ＭＰａ增大 生破坏。 到０．６７ ＭＰａ，压应力与拉应力区域 （４）换乘通道的二衬施工完毕 扩大。 后，在换乘通道衬砌的顶面与底面 （３）站台层换乘通道施工二次 中间位置将出现高的拉应力区，最 衬砌后，在衬砌结构的侧面、顶面 大值达到２．０ ＭＰａ，应在设计与施工 与底面的中间位置均出现了高压应 中加强此区域的配筋。 力值，最大值达到２．６ ＭＰａ，在二次 衬砌的顶面与底面内表面的中间位 参考文献 置出现高的拉应力区，最大值达到 ［１］王维．地铁车站混凝土结构开裂 ２．０５ ＭＰａ，超过了混凝土的抗拉极 有限元分析［Ｊ］．山西建筑，２ ０ｌ０， 限值。 ３（２）． ４结论 ［２］毕继红，江志峰，常斌．近距离地铁 施工的有限元数值模拟［Ｊ］．岩土 （１）站台层换乘通道的开挖对 力学，２００５（２）． 既有２号线隧道的影响，开挖换乘通 ［３】于宁，朱合华．盾构隧道施工地表 道将使开挖通道上方的既有２号线衬 变形分析与三维有限元模拟【Ｊ］． 砌结构的内表面两侧出现拉应力集 岩ｉ力学，２００４（８）． 中区域，应注意防止既有线２号线此 ［４］李志高，刘国彬，刘浩．地铁一号线 区域的混凝土开裂；在拆除初支， 徐家汇站穿越施工影响的数值分 施工二衬时沉降变化大，应注意加 析［Ｊ］．西部探矿工程，２００６（５）． 强既有线的沉降的监测，防止过大 ［５］陈先国，高波．地铁近距离平行隧 沉降发生。 道有限元数值模４ａ［Ｊ］．岩石力学 （２）换乘通道各工序的开挖对 与工程学报，２００２（９）． 既有２号线的沉降、压应力与拉应 力的影响，各洞室开挖时，在右上 收稿日期２０１１—０８—０３ 洞开挖工序、拆除初支和施工二衬 责任编辑朱开明 工序２个阶段，沉降变化较大；前３ 个步序对既有线的拉应力区影响较 项代垭市轫娼交厘５１２０１１ ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮ ＴＲＡＮＳＩＴ