| NEWS |
| CAE分析 |
随着我国城市化进程的飞速发展，地铁建设项目的数量、规模及对地下空间开发利用的需求不断加大，而受某些特定因素的限制，在同一区域内地铁隧道相互穿越的的情况逐渐增多。其中某些新建隧道与既有隧道交叉段距离较近，对既有隧道安全构成较大的威胁，同时也增加了新建隧道的施工难度。大量的地铁隧道工程实践表明，隧道施工势必会引起地层变形。对于交叉隧道来说，新建隧道的开挖是发生在既有隧道施工后的，等于对土体进行了二次扰动，引起复杂的应力重分布，这就对新建隧道提出了更高的设计和施工质量要求。
针对交叉隧道开挖对既有线隧道影响的问题，国内外学者开展的研究较少。之前开展的研究大多是针对平行隧道以及上下重叠隧道，取得了较大成果。本文运用Midas/GTS有限元分析软件，对天津地铁4号线隧道开挖对下部天津地铁3号线交叉区间隧道影响进行三维模拟，模拟隧道开挖过程，研究4号线隧道开挖施工过程中上部地表和下部3号线隧道的力学规律。
天津地铁4号线盾构区间在CK22+850.0处上穿既有3号线盾构区间结构，隧道顶部距离3号线区间结构竖向净距约1.2m，两地铁线交角约为87°。新老隧道的外径均为6.2m，管片厚度均为350 mm。新建4号线隧道左、右线净距10.8 m，交叉段4号线隧道埋深5.1m。既有地铁3号线隧道左右线净距8.8 m，交叉段3号线隧道埋深12.5m。交叉段上部地面为大沽北路。3号线与4号线隧道交叉段的位置关系见图。
采用岩土与隧道领域专用分析软件Midas/GTS，根据工程实际情况，建立有限元计算模型，根据其破裂面的影响范围，沿地铁4号线隧道方向取57 m，沿地铁3号线隧道方向取51m，上下高度取50m。模型共51785个单元。
土体选用Mohr-Coulomb屈服准则，该准则能反映土体的抗压强度不同的S-D效应（Strength Difference Effect）与对静水压力的敏感性，而且简单实用，土体参数c、准值可以通过各种不同的常规试验测定。因此，较其他准则具有较好的可比性，在工程实践中有着重要的作用和地位，得到了广泛的应用。隧道盾构管片采用板单元模拟。管片采用C50混凝土，其材料物理力学指标见表。
有限元计算模型见图。土体和隧道结构选用四节点三维实体单元，首先建立初始自重应力场，计算模型中第一阶段为开挖的初始阶段，计算出土体在自重的作用下的位移场和应力场，通过Midas/GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移并构造初始应力场。模型侧面和地面为位移边界，侧面限制水平位移，地面限制竖向位移，上表面取自由边界。
对计算模型进行隧道开挖模拟时，首先对左线隧道进行开挖，然后对右线隧道进行开挖，开挖每完成一步后施加一次隧道管片。土体开挖和管片施作通过钝化和激活单元实现。
通过对隧道开挖过程的有限元分析，研究地铁4号线隧道开挖施工过程中地表和地铁3号线隧道区间的变形及应力变化，评价地铁3号线的正常运营及结构安全。
左线和右线隧道开挖完成后，地表土体的位移见图5。从计算结果可以得出，在4号线隧道开挖过程中，地表沿隧道开挖方向发生沉降，形成一个沉降槽。右线开挖完成后的沉降值大于左线开挖完成后的沉降值。左线隧道开挖完成时，位移最大值出现在左线盾构区间大约40 m位置对应的地表部位，最大沉降量为3.18cm；右线隧道开挖完成时，位移最大值同样出现在右线盾构区间大约40m位置对应的地表部位，最大位移值为3.41 cm。
