盾構隧道施工對既有鐵路軌道與排洪涵管影響的數值分析

黃生文，施成華，彭立敏，丁祖德，謝順意

(中南大學，長沙 410075)

0 引言

隨著城市的發展，地鐵網絡逐步形成，地下鐵道幾乎覆蓋了大城市的大部分主干道及繁華地段。其他地下市政工程與地鐵相遇、相鄰、相交的概率大大增加，帶來了大量相互影響問題。特別是盾構隧道的施工，情況越來越復雜，致使施工的相互影響問題日益突出。因此，開展盾構隧道施工變形特征及對影響因素研究，以確保類似隧道施工安全意義重大。

國內外很多學者對盾構隧道施工技術和作用機制進行了大量的研究，如:臧延偉等［1］以上海市軌道交通工程為例，利用有限元模擬旋噴壓力等施工參數來嚴格控制變形，優化了方法，有效地控制了鐵路干線的變形;呂培林等［2］對隧道下穿鐵路的施工期及其后續階段的線路沉降進行觀測，并根據觀測數據，從沉降發展的時間歷程、施工各階段沉降量所占比例和地面沉降槽的特征等進行了分析研究。且相關研究［3-6］發現:隧道下穿鐵路引起的鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道結構和基床的破壞，對鐵路運營安全也會產生嚴重影響。總體而言，隧道施工對既有隧道及其管線影響相關的規律性研究還較少。本文以福州地鐵l號線地質資料為背景，考慮到可能出現的多種因素，利用三維有限元程序MIDAS對近距離雙線平行隧道盾構施工進行動態模擬，分析盾構隧道施工對地表鐵路軌道的影響，總結地表鐵路軌道和排洪涵管受列車荷載、地層損失率、注漿率等因素的影響關系。

1 工程概況

羅漢山站—福州火車站區間為全地下盾構區間，線路出羅漢山站后沿羅漢山站西側山腰經規劃的西園路、站西路并下穿鐵路咽喉區到達福州火車站。本區間段共計有4段平面曲線，線間距為11．7～16．8m，縱斷面為V型坡，最大縱坡25‰，最小縱坡4‰，區間隧道覆土最大厚46．6 m，最小厚13．6 m。

本段盾構區間沿著規劃站西路，向南下穿福州火車站咽喉區(車站正線14股股道)，平面與其約成60°，線間距11．0 ～14．65 m。管片環寬1．2 m，外徑6．2 m，壁厚0．35 m。對咽喉區鐵路進行了改造，廢除了原有鐵路，替換以新建的股道，物探揭示下方布置有2座涵洞。盾構隧道與鐵道平面關系見圖1。

圖1 盾構隧道與鐵路平面關系圖Fig．1 Plan layout showing relationship between shield-bored tunnel and railway

表1 土層參數Table 1 Ground parameters

2 隧道開挖有限元模型

參考地質縱斷面圖，同時兼顧計算效率，按最不利情況取隧道埋深為15．6 m。整體計算模型取橫向寬80 m，高45 m，縱向長200 m。地層采用實體單元，Mohr-Coulomb材料模擬，管片采用shell單元，用彈性材料模擬，模型四周邊界采用滾軸約束，下表面采用固定約束，上表面采用自由約束。

圖2給出了基于MIDAS/GTS的整體計算模型網格，圖3為列車軌道、盾構隧道與涵洞相對位置示意圖。

圖2 整體計算模型網格Fig．2 Mesh of integral calculation model

圖3 局部模型示意圖Fig．3 Local model

3 隧道開挖模擬方法

根據計算要求，針對列車荷載、地層損失和盾尾注漿條件，對不同工況下地表沉降特征進行模擬分析。

1)列車荷載模擬。對應的列車荷載，每股荷載按照3．4 m范圍內作用54 kPa均布荷載來考慮。

2)開挖過程模擬。在有限元軟件中對土方開挖的模擬以及隧道襯砌的支護是通過“殺死”或“激活”對應的土體以及襯砌單元實現的，即所謂“生死單元”。

3)地層損失模擬。盾構掘進的過程即是地層損失發生并對周圍環境產生影響的過程，本次計算中，結合軟件對地層損失的模擬方法，計算并設置了相對應的盾構隧道體積收縮量［6］。

地層損失率

式中:V1為地層損失量;V為竣工隧道體積。

4)管片接縫、注漿、刀盤推力、盾體摩擦的模擬。參考修正慣用計算法對管片剛度進行折減，折減系數取0．8;通過調整荷載釋放率來模擬盾構施工時的不同注漿效果;不考慮盾體摩擦，認為可以通過盾構的泡沫系統將此項因素減少到可忽略的程度。可用注漿率來確定注漿質量和效果。

注漿率

式中:Q1飽和注漿量;Q2為實際注漿量。

4 計算結果分析

1)列車荷載的影響。由圖4—6可知:地表沉降和軌道板沿線沉降隨列車股數的增加而增大，無列車荷載作用時，地表沉降槽沿兩隧道中心呈對稱分布，隧道施工完成時，其最大沉降量為2．9 mm，位于兩隧道中線處;5股列車荷載作用下，最大沉降量為3．2 mm，位于兩隧道中線處。相比0股列車，5股列車時的地表沉降增加了約0．3 mm。對于軌道地表情況，由于軌道與隧道中線呈斜交，地表沉降槽稍向左洞傾斜。不同列車荷載作用下，各涵洞沿線沉降隨著列車荷載的增加而增大，隧道施工完成后，無列車時，排洪涵洞最大沉降量為2．9mm;5股列車荷載作用下，排洪涵洞最大沉降量為3．2 mm。

圖6 不同股數列車荷載下排洪涵洞沉降分布曲線Fig．6 Distribution of drainage culvert settlement trough under different quantities of train’s load

2)地層損失的影響。由圖7—9可看出，地表沉降和軌道板沿線沉降隨著地層損失率的增大而增大。不同地層損失率下，地表沉降槽均沿兩隧道中心呈對稱分布。無地層損失時，隧道施工結束時地表的最大沉降量為3．2 mm，位于兩隧道中線上方;當地層損失率為0．25%時，最大沉降量為5．1mm;當地層損失率為0．5%時，最大沉降量6．4 mm;當地層損失率為1．0%時，最大沉降量為8．5 mm。相比無地層損失時，地表沉降分別增大了1．9 mm、3．2 mm 和5．3 mm。同樣，地表的鐵路軌道沿線沉降隨著地層損失率的增大而增大，變化規律與地表沉降類似。同時，從圖中可明顯看出，隨著地層損失率的增大，地表及軌道沿線沉降槽變深、變陡，軌道沿線差異沉降增大，這說明施工時要盡量減少對地層的擾動，降低地層損失率。不同地層損失率作用下，各涵洞沿線沉降隨著損失率的增加而增加，隧道施工完成后，地層無損失時排洪涵洞最大沉降量為3．2mm;地層損失率為1%時，排洪涵洞最大沉降量為 8．3 mm。

圖7 不同地層損失率下地表沉降槽分布曲線Fig．7 Distribution of ground surface settlement trough under different ground loss ratios

3)盾尾注漿效果的影響。由圖10—12可看出，地表沉降和軌道板沿線沉降隨著注漿效果的提高而減小。不同注漿效果下，地表沉降槽均沿兩隧道中心呈對稱分布。無注漿效果時，隧道施工結束時地表的最大沉降量為3．2 mm，位于兩隧道中線上方;當注漿效果為20%時，最大沉降量為2．8 mm;當注漿效果為40%時，最大沉降量為2．0 mm;當注漿效果為60%時，最大沉降量為1．2 mm。相比無注漿時，地表沉降分別減小了 0．4 mm、1．2 mm 和2．0 mm。同樣，地表的鐵路軌道沿線沉降隨著注漿效果的增大而減小，變化規律與地表沉降類似。無注漿效果時，軌道地表沉降最大位于兩隧道中線上方，為3．1 mm;當注漿效果為20%時，最大值減小到1．7mm;當注漿效果為40%時，最大沉降減小到1．2 mm;當注漿效果為60%時，最大沉降減少為0．7 mm。可見，盾構施工時，注漿是關鍵，提高注漿效果能有效控制地表沉降。不同注漿效果下，各涵洞沿線沉降隨著注漿效果的增加而減小，隧道施工完成時，無注漿時排洪涵洞最大沉降量為3．2 mm;注漿效果為60%作用下，排洪涵洞最大沉降量為1．2mm。

5 結論與討論

1)對于不同股數列車荷載作用，隧道施工結束時，最不利情況下的地表最大沉降為3．2 mm，軌道沿線最大沉降3．1mm，鋼軌差異沉降0．14mm，管涵最大沉降3．2 mm。根據《鐵路線路維修規則》，相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過6 mm。可見，在現有條件下進行盾構施工，能夠保證既有鐵路軌道的安全，排洪涵洞也不會因為下沉而造成裂縫。

2)進一步考慮到地層損失率的影響，當地層損失率超過0．5%時，地表沉降已接近相關規范限值(根據《鐵路線路維修規則》，軌面沉降值不得超過10 mm)。為安全起見，在盾構施工時，建議采取同步注漿等措施，減少地層損失率，將其控制在0．5%以內，而且，以現有的施工技術來看，將地層損失率控制在0．5%以內是完全可以做到的。

3)盾構隧道下穿排洪涵管時，在不同股數列車荷載下，能4夠滿足隧道施工安全及排洪涵管變形控制要求，這說明在臨近既有構筑物段隧道施工采用現有加固方案是可行的;進一步考慮到地層損失率的影響，將地層損失率控制在0．5%以內，排洪涵洞不會因為其下部的基樁下沉而造成裂縫。

4)注漿效果對抑制地表與涵洞沉降作用明顯，施工時應合理利用和控制。

5)在現有場地條件下，可不采取另外的加固措施，即可保證盾構穿越時地表鐵軌的安全。為確保施工安全，建議盾構施工時采用1．2倍靜止土壓力的頂推力，將地層損失率控制在0．5%以內，減少超挖并采取同步注漿等控制措施。

［1］ 臧延偉，張棟梁，羅酷．盾構下穿鐵路地基加固施工參數優化［J］．鐵道建筑，2006(5):70-75．

［2］ 呂培林，周順華．軟土地區盾構隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規律分析［J］．中國鐵道科學，2007，28(2):12-17．(LV Peilin，ZHOU Shunhua．Analysis on upper rail settlement in soft ground resulting from shield tunneling across main railway line［J］．China Railway Science，2007，28(2):12-17．(in Chinese))

［3］ 田海波，宋天田．軌道交通9號線下穿鐵路工程風險及對策研究［J］．地下空間與工程學報，2007，3(1):147-153．(TIAN Haibo，SONG Tiantian．Research of risks and countermeasures on project of Metro beneath the railway［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(1):147-153．(in Chinese))

［4］ 郭玉海．盾構穿越鐵路的沉降綜合控制技術［J］．市政技術，2003，21(4):204-207．(GUO Yuhai．A synthetic technique of settlement control for shield underrun the railroads［J］．Municipal Engineering Technology，2003，21(4):204-207．(in Chinese))

［5］ 郭慶昊，原文奎，張志勇．盾構法隧道下穿既有地鐵車站影響分析［J］．城市軌道交通研究，2008(11):50-55．(GUO Qinghao，YUAN Wenkui，ZHANG Zhiyong．Numerical analysis of the interaction between shield tunnel and the existing subway station［J］．Urban Mass Transit，2008(11):50-55．(in Chinese))

［6］ 魏綱．盾構隧道施工引起的土體損失率取值及分布研究［J］．巖土工程學報，2010(10):1354-1361．(WEI Gang．Selection and distribution of ground loss ratio induced by shield tunnel construction［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010(10):1354-1361．(in Chinese))