本文摘要：摘 要：以厦门地铁3号线小东山站安兜站区间隧道采用矿山法下穿既有鹰厦铁路为背景，采用有限元法研究不同施工工况下地表变形规律。研究结果表明，右线施工结束后，地表X向位移约为6.2 mm，Y向位移约为3 mm，地表Z向(最大沉降)约为7.5 mm;左线施工结束后，X向
摘 要：以厦门地铁3号线小东山站—安兜站区间隧道采用矿山法下穿既有鹰厦铁路为背景，采用有限元法研究不同施工工况下地表变形规律。研究结果表明，右线施工结束后，地表X向位移约为6.2 mm，Y向位移约为3 mm，地表Z向(最大沉降)约为7.5 mm;左线施工结束后，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的控制标准。为确保施工安全，提出保护控制措施。
关键词：地铁;铁路;矿山法隧道;施工影响
1 工程概况
厦门地铁3号线是连接厦门本岛与翔安东部副中心的西南—东北向骨干线，拟建小东山站—安兜站区间沿起讫里程为右AK9+357.263～右AK10+732.456，区间右线全长1 375.193 m，沿途经过火炬路、枋湖北二路。小东山站—安兜站区间隧道采用矿山法施工，该段区间在AK9+845.189～AK9+852.113段下穿鹰厦铁路，平面与鹰厦铁路相交夹角约85°，区间隧道上方覆土约17 m。鹰厦铁路是中国东南沿海重要的双线电气化铁路干线，允许速度70 km/h，与3号线交汇段为碎石道床、土路基(图1)。
本处地层主要为填土层、粉质黏土层及全强风化凝灰岩地层。隧道洞身主要穿越中风化凝灰熔岩，承载力高，属较硬岩但岩质不均匀，节理裂隙较发育，透水性中等，工程性能较好，下卧微风化地层。区间地表水不发育，地下水按成因划分，主要分为第四系孔隙水、风化岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水，地下水位埋深2.4～10.0 m。
2 施工方案及控制标准
本处隧道位于中风化地层，为Ⅳ级围岩，隧道开挖净宽7.2 m，单洞单线马蹄形断面，复合衬砌结构。矿山法隧道初期支护参数为250 mm厚C25喷混初支+ Φ8 mm单层钢筋网片+Φ22 mm格栅@1 m +边墙锚杆L = 3.0 m，二次衬砌采用300 mm厚钢筋混凝土模筑衬砌;隧道超前支护采用拱部90°设置Φ42 mm小导管@0.4 m，L = 3 m;隧道开挖采用台阶法施工，先开挖右线，再开挖左线，待初支变形稳定后下穿段提前施作二次衬砌。
根据相关行业规范和国内下穿铁路路基工程实例，矿山法下穿引起的铁路路基沉降按照10 mm控制。
3 施工对既有铁路影响模拟分析
3号线下穿鹰厦铁路施工过程中，会导致既有铁路下部地层损失，引起地表沉降或隆起，从而造成铁路路基和轨道的变形，危害列车的正常运行。因此，采用有限元分析软件建立三维仿真模型，分析不同施工工况下对鹰厦铁路的影响，为是否需要采取地面预加固措施、轨道防护或限速运行措施提供理论依据。
3.1 计算模型
3号线区间下穿鹰厦铁路数值分析模型按照实际尺寸建模，分别建立双线隧道及铁路路基模型。模型尺寸为：150 m (沿鹰厦铁路方向)×100 m (沿地铁3号线方向)×100 m (高)，水平与竖向边界均采用位移约束边界，模型网格划分采用混合网格。三维整体有限元模型如图2所示。
3.2 計算假定
(1)围岩材料为各向同性均质连续介质。
(2)计算中忽略构造应力，将初始应力场假定为自重应力场，同时将土体视为弹塑性连续体，施工中产生的变形连续。
(3)3号线与鹰厦铁路相交处，模型选取的宽度范围内忽略3号线纵断面4‰的坡度，平均埋深取3号线与鹰厦铁路纵向轴线交点处的埋深值。
3.3 计算荷载
(1)3号线施工期间，考虑土层、路基及隧道结构的自重荷载。
(2)地面超载按20 kPa考虑。
3.4 施工过程模拟
模型模拟的施工阶段为先开挖右线，后开挖左线。对一个隧道施工步序而言，先开挖矿山隧道内部的土体，然后喷初支，最后施工二次衬砌。隧道施工过程中土层应力释放通过控制应力释放因子来考虑。
3.5 计算结果分析
3.5.1 X 向位移
右线及左线施工完成时，土体X向水平位移云图如图3所示，可以看出如下特征。
(1)3号线施工对地层产生扰动，土体产生水平方向的位移，并由地表向开挖隧道拱腰位置沿某“滑裂面”移动。
(2)左、右线隧道施工完成后，隧道周边土体水平位移表现为向两隧道间移动，且具有对称性;由于隧道埋深较大，水土侧压力较大，两隧道间净距较小，周边土体向两隧道间挤压，反映在隧道变形上主要是隧道拱腰水平收敛。
(3)右线施工结束后地表X向位移约为6.2 mm，左线施工结束后地表X向位移增大至8.0 mm左右。
3.5.2 Y 向位移
右线及左线施工完成时，土体Y向水平位移云图如图4所示，可以看出如下特征。
(1)因隧道掌子面开挖造成土体应力释放，造成掌子面产生沿Y反方向水平位移，传递到地面，造成铁路路基沿Y方向的位移，此位移较小，且为双线施工叠加影响造成。
(2)右线施工结束后地表最大Y向位移约3 mm，左线施工结束后最大Y向位移约5.22 mm。
3.5.3 Z 向位移
右线及左线施工完成时，土体竖向位移(Z向)云图如图5所示，可以看出如下特征。
(1)采用矿山法施工过程中会引起一定的地层损失，从而导致土体产生竖向位移(Z向)。地层损失使得隧道顶部土体发生沉降，而底部土体由于隧道开挖卸荷产生隆起。
(2)右线施工结束后地表最大沉降值约为7.5 mm，随着施工的深入，左线施工结束后地表最大沉降增大至9.6 mm。
(3)两隧道地表最终沉降成W形，W形沉降2个最大沉降点分别出现在两隧道正上方，左线隧道正上方为9.6 mm，右线隧道正上方为9.1 mm
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