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第３ ０卷 第６期 ２ ０ １ １年１ ２月 兰州交通大学学报 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｌ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｊ ｉ ａ ｏ ｔ ｏ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ０Ｎ ｏ ． ６ Ｄ ｅ ｃ ． ２ ０ １ １ 文章编号１ ０ ０ １－４ ３ ７ ３（２ ０ １ １）０ ６－０ ０ ０ ９－０ ３ Ｔ ＢＭ下穿高速公路施工安全性分析＊ 靳 宝 成 （ 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ４ ３） 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Ｔ ＢＭ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Ｔ ＢＭ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 中图分类号 ＴＵ ９ ３ 文献标志码Ａ ０ 引言 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Ｔ ＢＭ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Ｔ ＢＭ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 Ｃ Ｋ ２ ８＋５ ４ ０～Ｃ Ｋ ２ ８＋ ６ １ ５段， 下穿渝合高速． 为了解 Ｔ ＢＭ 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２ ７ １． ９ ８ｍ， 隧道拱部结构外缘高程 为２ ７ ７． ０ ２ｍ， 隧道底部结构外缘高程为２ ７ ０． ６ ６ｍ， 高速路面高程为２ ９ ０． ０ ０ｍ， 隧道结构与路面净距为 １ ２． ９ ８ｍ．区间左右线先后开挖， 计算Ｔ ＢＭ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． １ 计算模型及参数选取 此处为Ⅳ级围岩区， 且上部覆土为中等风化砂 质泥岩， 厚约１ ３ｍ． 按照实际情况， 取１ ０ ９． ６ｍ ９ ５． ３ ５ｍ４ ５ｍ 建立模型， 如图１所示． 共４ ４ ４ ２ ８ 个单元， 计算单元采用了平面 ｍ ｅ ｓ ｈ ２ ０ ０单元与实体 ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ４ ５单元［ ５］． 图１ 有限元模型 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ 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． 表１ 计算参数 Ｔ ａ ｂ ． １ Ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｐ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ 材料 重度γ／ （ｋ Ｎｍ－ ３） 泊松比 ν 内摩擦角 黏聚力 ｃ／ｋ Ｐ ａ 弹性模量 ／ＭＰ ａ Ⅳ级围岩２ ２ ０． ３ ３ ３ ３． ６ ４ ５ ０ ３ ６ ０ ０ 初期支护Ｃ ２ ５ ２ ５ ０． ２ ６ ０ ３ ５ ０ ０ ２ ９ ０ ０ ０ 锚杆加固区 ２ ６ ０． ２ ５ ６ ０ １ ０ ０ ０ １ ３ ０ ０ ０ ２ 计算荷载 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 ＊收稿日期２ ０ １ １－１ ０－０ ８ 作者简介 靳宝成（ １ ９ ７ ６－） ， 男， 甘肃会宁人， 高级工程师． 兰州交通大学学报第３ ０卷 Ⅰ级车道荷载取值， 按２ ０ｋ Ｐ ａ计算， 加载范围按最 不利的双向８车道加载， 取３ ３ｍ． Ｔ ＢＭ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 Ｒ ｏ ｂ ｂ ｉ ｎ ｓ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１ ５ ０ ０ ０ｋ Ｎ 考虑， 换算 成均布荷载施加在掌子面上， 计算如下 σ＝ Ｆ Ｓ ＝ ４Ｆ πＲ ２＝４１ ５ ０ ０ ０ π ６． ３ ６ ２ ＝４ ７ ２． ４ｋ Ｐ ａ Ｔ ＢＭ 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１ ２ ０ 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． ５ ｍ， 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１ ０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１ ６ｍ施加． ３ 计算结果及分析 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． 图２ 初始竖向应力图（ 单位Ｐ ａ） Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ（ｕ ｎ ｉ ｔＰ ａ） 地层在开挖前， 在重力和车辆荷载作用下的初 始沉降量为２ １ｍｍ，Ｔ ＢＭ 施工引起地层变形， 随着 Ｔ ＢＭ 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． Ｔ ＢＭ 推进支 图３ 初始竖向位移图（ 单位ｍ） Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ａ ｌ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ（ｕ ｎ ｉ ｔｍ） 图４ 衬砌最终竖向应力图（ 单位Ｐ ａ） Ｆ ｉ ｇ ． ４ Ｕ ｌ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｅ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｌ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ（ｕ ｎ ｉ ｔＰ ａ） 图５ 最终竖向位移图（ 单位ｍ） Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｕ ｌ ｔ ｉ ｍ ａ ｔ ｅ ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ（ｕ ｎ ｉ ｔｍ） 护过程中， 引起地表变形在－０． ６ｍｍ（ 下沉） 至０． ７ ｍｍ（ 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 σｎ＝σｘｃ ｏ ｓ ２ θ＋σｙｓ ｉ ｎ ２ θ＋τ ｘ ｙ ｓ ｉ ｎ ２θ （ １） 式中 σｘ、σｙ、τ ｘ ｙ 分别为所论节点的应力分量； θ为所 论截面的外法线与σｘ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 ０１ 第６期靳宝成Ｔ ＢＭ下穿高速公路施工安全性分析 应力） σ１、σ２， 作用在所论截面上的弯矩Ｍ和轴力Ｎ 可按下式计算 Ｍ＝ｂ ｄ ２ １ ２（ σ１－σ２） Ｎ＝ｂ ｄ ２ （ σ１＋σ２ 烍 烌 烎 ） （ ２） 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 ｅ０＝Ｍ／Ｎ （ ３） ｅ０ ≤０． ２ ｄ（ 小偏心）时， 按抗压要求检算 Ｋ＝ Ｎ极限 Ｎ ＝φ α Ｒａｂ ｄ Ｎ （ ４） 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；Ｒａ为混凝土 极限抗压强度， 计算中取Ｒａ＝１ ９． ０ＭＰ ａ ． ｅ０＞０． ２ｄ（ 大偏心）时， 按抗裂要求检算． Ｋ＝ Ｎ极限 Ｎ ＝１． ７ ５ Ｒｌｂ ｄ／ （６ｅ０／ｄ－１） Ｎ （ ５） 式中 Ｒｌ为混凝土极限抗拉强度， 计算中取Ｒｌ＝２． ０ ＭＰ ａ； 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． 表２ 初期支护各位置处最小安全系数 Ｔ ａ ｂ ． ２ Ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｎ ｉ ｍ ｕ ｍ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ 部位 截面 编号 σ１／ Ｐ ａ σ２／ Ｐ ａ 弯矩 Ｍ／ （Ｎｍ） 轴力 Ｎ／Ｎ 偏心距 ｅ０ 偏心 状态 安全 系数Ｋ 左边墙 １ ７ ５ ４－１ ６ １ ５ ７ ２ ５． ８ ６－１ ２ ２ ５ ３ ５ ５． ２ ７－４ ８ ７ ９． ６ ３－３ ５ ５ １ ３． ５ １ ０． １ ４ 大 ２． ７ ９ 拱顶 １ ７ ４ ２－１ ２ １ １ ６ ４ ５． ４ ０－１ ８ ９ ７ ４ ０ ２． ８ １ ８ ５ ７ １． ９ ７－３ ８ ８ ６ ３． １ ０ ０． ２ ２ 大 １． ４ ７ 右边墙 １ ７ ４ ６－１ ５ ４ ７ ３ ２ ８． ３ ９－１ １ ４ ５ １ ３ ４． ７ ６－５ ０ ２ ７． ４ ２－３ ３ ６ ５ ５． ７ ９ ０． １ ５ 大 ２． ６ ７ 仰拱 １ ７ ５ ７－１ １ ２ ２ ４ １ ４． ２ ６－１ ６ ２ ３ ７ ６ ６． ５ ４ ６ ２ ６ ６． ９ ０－３ ４ ３ ２ ７． ２ ６ ０． １ ８ 大 ２． ０ ６ 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． ４ 结论 １）Ｔ ＢＭ 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． 参考文献 ［１］ Ｒ ｅ ｉ ｌ ｌ ｙ Ｊ ｏ ｈ ｎ，Ａ ｒ ｒ ｉ ｇ ｏ ｎ ｉ Ｇ ｉ ａ ｎ ｎ ｉ，Ｘ ｕ Ｓ ｈ ｕ ｌ ｉ ｎ，ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｔ ＢＭ及 其在中国的应用［Ｊ］．现代隧道技术， ２ ０ ０ ２，３ ９（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， １ ９ ９ ２． ［ ３］ 中华人民共和国铁道部． Ｔ Ｂ １ ０ ０ ０ ３２ ０ ０ １铁路隧道设 计规范［ Ｓ］．北京 中国铁道出版社，２ ０ ０ １． ［ 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， １ ９ ９ ５． ［ ５］ 王新敏． ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ工程结构数值分析［Ｍ］．北京 人民交 通出版社， ２ ０ ０ ７． Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ ｗ ａ ｙ Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ Ｔ ＢＭ Ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ Ｊ Ｉ Ｎ Ｂ ａ ｏ－ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ （Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ Ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ ＆ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ Ｃ ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ．，Ｘ ｉ’ａ ｎ ７ １ ０ ０ ４ ３，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔＢ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ－ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｐ ｒ ｏ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ Ｎ ｏ ． ６ｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙ ｌ ｉ ｎ ｅ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｏ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ，ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｓ ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｒ ｎ－ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｈ ｉ ｇ ｈ ｗ ａ ｙ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ａ ｓ ｓ ｅ ｄ ｂ ｙ ａ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ Ｔ ＢＭ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｉ ｔ ｓ ｅ ｌ ｆ ａ ｒ ｅ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｇ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｓ ｅ ｔ ｔ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｏ ｆ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗ ｈ ｅ ｎ Ｔ ＢＭ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ａ ｓ ｓ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｗ ａ ｙ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓｓ ｕ ｂ ｗ ａ ｙ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ；ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｐ ａ ｓ ｓ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ；ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ １１
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