雙線盾構順序下穿鐵路箱涵的實例研究

李 濤，劉 波，朱連華，竇海洋，陳慧嫻，王昕鵬

（中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083）

在城市地下鐵路建設中，盾構法具有施工速度快、環境擾動小、掘進不受地形限制、適用地層土質范圍廣等優點，因而得到廣泛應用。目前，由于盾構施工自身特點及施工技術水平，地層沉降尚無法避免，只能控制。當地層位移過大，勢必會影響地表建筑物及地下其他設施的安全及使用，特別是在各種建筑物、地下管線、市政道路等密集地段修建地鐵，潛在危險性更大，據此地鐵施工誘發的地層沉降引起了專家學者的高度重視［1］。針對地鐵隧道施工引起地層位移變形問題，國內外研究人員做了大量工作，歸納起來大致有 Peck法［2］、隨機介質法［3－4］、數值模擬法［6－10］、現場監測［9－10］等。其中，數值模擬和現場監測可以結合施工情況對具體問題進行具體分析，并可根據監測結果進行反分析，從而確保工程施工的安全。因而，數值模擬和現場監測相結合的方法是一種較為適用的方法。

筆者以北京地鐵6號線某區間雙線盾構隧道順序下穿既有鐵路箱涵的工程為背景，采用數值仿真分析和現場實測的方法，對雙線盾構推進過程中周圍土體的兩次擾動影響問題，以及雙線盾構施工對既有鐵路箱涵的影響問題進行了研究，并實例分析了鐵路箱涵加固措施的科學性、有效性，具有一定的實用價值。

1 工程概況

本工程為北京地鐵6號線盾構隧道下穿既有鐵路箱涵，如圖1所示。

圖1 盾構隧道和鐵路箱涵相互關系圖

雙線隧道采用先后盾構的方式進行，先施工右線，后施工左線，兩條線路都從西向東進行掘進。既有的鐵路位于箱涵之上，箱涵分東西兩部分箱體，兩箱涵間距離為3．77m，為鋼筋混凝土結構，采用預制頂進行施工，外包尺寸43．15m×7．8m×31．06m，箱涵底板厚1．05m，側墻厚1．05m，頂板厚1．0m。兩箱涵間距離為3．77m，箱涵的南北兩側局部設置護坡樁，樁長為14m，樁上設置了29m長的錨索。上面現有5條南北向鐵路線，鐵軌軌距為1．415m，軌枕間距55cm。隧道中心埋置深度23．5m，盾構外徑為6 150mm，最大推進速度10cm／min，最大推力為38 500kN，最大扭矩為5 620kN·m。區域水文地質勘測資料表明，本段線路賦存三層地下水，分別為上層滯水、潛水及層間水。近3～5年最高水位標高31．00m，為上層滯水。

2 數值計算

2．1 計算模型

圖2 計算網格單元

采用有限差分軟件FLAC3D進行分析，模型尺寸可基本消除邊界效應帶來的影響。FLAC3D計算網格單元如圖2所示。巖土體模型采用彈塑性理論，符合摩爾－庫侖準則；盾構隧道的管片，鐵路箱涵，采用彈性體三維實體單元，力學行為符合胡克定律［11］；護坡樁體采用pile結構單元。在盾構過程中，襯砌管片所受到的注漿壓力比較復雜，漿液滲入土體，與土壓力相互平衡后，一起對襯砌產生作用，在此過程中，漿液要經過由液態到固態的過程。由于漿液由液態逐漸硬化成固態的過程較難模擬，因此，通過向上一步中盾尾處的1環單元的外圍土體單元施加等效均布的徑向壓力，模擬盾尾同步注漿過程［12］。具體的模擬過程為：

a．重力荷載作用下的內力平衡；

b．施加鐵路箱涵的荷載，并再一次進行內力平衡，并使位移清0；c．分步開挖右線隧道，管片拼裝并進行壁后注漿；d．分步開挖左線隧道，管片拼裝并進行壁后注漿。

2．2 邊界條件

模型側面為水平位移邊界，模型底部為固定邊界，約束其水平移動和垂直移動，模型上邊界為地表，為自由邊界。

2．3 模型參數

區間隧道穿過地層自上而下為：粉質黏土層、粉土層、粉細砂層、圓礫層、中粗砂層、粉質黏土層、黏土層、粉土層。在鐵路箱涵范圍隧道穿越地層上半部為圓礫卵石層，下半部為粉質黏土層。計算模型的物理力學參數見表1，管片、建筑物基礎的力學參數見表2。

表1 巖土材料的物理力學參數

表2 管片的計算參數

2．4 計算結果

2．4．1 地面沉降計算結果分析

圖3 地表橫向沉降曲線圖

圖3是隧道上方地表橫斷面沉降槽分布曲線。兩條隧道同時掘進的情況下，沉降曲線形狀基本符合Peck的正態分布曲線。但是，當兩條平行隧道掘進有一定的先后順序時，沉降曲線左右并不對稱。圖3表明，由于左線隧道后行，故地表最大沉降位置偏離雙線隧道中心線，朝左線隧道方向偏移3．0m左右，約為 D／2（D 為隧道直徑），其值為－14．1 mm。這除了與左右隧道所處的地質條件差異有關外，主要是由于先行隧道（右線隧道）對周圍土體產生了初次擾動，降低了土體的自身強度，使得土體在后行隧道盾構施工過程中產生了更大的位移。此外，可能與注漿量、注漿壓力以及刀盤旋轉方向也有一定的關系。因此，地表沉降量最大值往往不是在隧道中線上方，而是出現在雙線隧道中心線偏向后行隧道中線的某個位置。

2．4．2 鐵路箱涵沉降計算結果分析

從數值計算結果來看，鐵路箱涵位置點1，2，3，4（圖1）的沉降變化趨勢相似，故以位置點1的沉降值為例進行分析。圖4是雙線隧道先后盾構通過既有鐵路箱涵位置點1的沉降曲線圖。從圖中可以看出，右線隧道盾構面未達到監測點1時，地面有略微的隆起，當右線隧道盾構面到達鐵路箱涵監測點時，鐵路箱涵監測點1的沉降為－2．2mm，右線隧道盾構通過后，鐵路箱涵的沉降又增加了2．6mm，使得右線隧道完全通過的總沉降為－4．8mm，盾構通過后的地層沉降主要來源于盾尾建筑空隙，計算結果表明盾尾建筑空隙產生的沉降為總沉降的54．2%。左線隧道盾構面達到監測點1時，鐵路箱涵的沉降增加了4．0mm，完全通過后的增加量為3．8mm，說明左線隧道建筑空隙產生的沉降占左線隧道引起總沉降的48．7%，其主要原因是左線隧道盾構面到達監測斷面時的沉降值中包含了一部分由于右線隧道施工擾動土體的固結沉降，故使得盾尾建筑空隙引起沉降的比重下降?？傮w來講，雙線隧道先后通過鐵路箱涵時，盾尾建筑空隙引起的沉降占總沉降的50%左右。雙線隧道完全通過后，地表的總沉降為－12．6mm。

圖4 雙線隧道先后盾構通過既有鐵路箱涵的沉降曲線圖

3 地層位移的控制措施

基于以上地表沉降的數值計算分析結果，針對雙線隧道盾構順序下穿鐵路箱涵工程，主要進行了以下措施。

1）盾構機掘進參數設定。計算中的盾構推力通過施加應力實施的，為14 000kN，故確定掘進時總推力控制在12 000～17 000kN；根據土質、推力和土倉壓力等綜合確定，受土質影響最大，下穿鐵路時盾構推進速度適當放緩到10～20mm／min；數值計算是通過單元施加等效均布的徑向壓力，模擬盾尾同步注漿過程，結合工程經驗，使土壓力匹配且使漿液不會進入土倉和壓壞管片，并保證地面的隆陷值在允許范圍內，一般取0．3～0．5MPa；同步注漿充填率要求在管片與土體之間的空隙體積的基礎上，再結合地層情況按1．2～1．5倍擴大系數確定。

2）保證施工的連續性。做好各類保障措施，包括物質保障、設備保障等。配置足夠的維修保障配件和人員，避免和及時處理盾構設備故障。嚴格保證穿越過程勻速、連續性，確保在鐵路箱涵區域附近不停機，并嚴格控制出土量。

3）對隧道上方土體進行加固。為保證盾構掘進過程中，鐵路箱涵的穩定，數值計算時，通過提高隧道上方的土體力學參數值，達到該區域土體加固的效果。施工中，注漿加固了該區域土體。

4 現場監測結果分析

基于控制措施，為保證工程的順利實施，對該工程進行了現場監測。

圖5 箱涵位移

圖5為實測監測點沉降位移變化曲線。現場監測過程中，箱涵頂部共設置12個監測點，取其中4個監測點進行數據分析（圖1）。右線盾構到達鐵路箱涵時，各監測點略有隆起，最大隆起量為1．0mm，出現在4號測點的位置。在右線盾構穿越鐵路箱涵的過程中，鐵路箱涵的沉降值并不大，最大的沉降量也只有－1．6mm，其主要原因有兩方面：一是右線隧道上方的土體已經進行了有效的加固；二是穿越過程中，控制好了盾構姿態和掘進速度，并確保了同步注漿的效果。盾尾空隙和擾動土體固結沉降的影響，使得右線盾構穿越后，地層有一定的沉降量出現。左線隧道位于鐵路箱涵正下方，在穿越過程中，從盾構面到達箱涵，到離開箱涵，平均產生了－3．0mm的沉降。沉降穩定后，箱涵的最大沉降為－11．3mm，出現在2號監測點；最小沉降為－3．2mm，出現在4號監測點。在整個雙線隧道施工過程中，盾構機通過監測斷面后，各監測點均發生較為顯著的沉降，采取注漿措施后，位移有所上升并趨于穩定，由此可以看出，合理的壁后注漿，是控制地層變形的關鍵。

從圖5的實測結果可以看出，雙線隧道順序下穿鐵路箱涵時，鐵路箱涵的沉降大體有兩個較為明顯的沉降段和兩個較為明顯的穩定段，如圖5中的簡化曲線所示。圖5的簡化曲線與圖4的數值模擬曲線的變化形式、數值大小基本一樣，進而說明了模型的合理性和適用性。圖5中監測點1的最大沉降值為－10．7mm，沉降穩定值為－9．6mm，穩定值比最大沉降值略小是由施工中的二次注漿引起的。數值模擬值比實測值略大的原因也正是數值計算中無法考慮二次注漿量對地表沉降的影響。

5 結論

北京地鐵6號線盾構下穿既有鐵路箱涵工程難度大，風險高。本文對盾構穿越過程中橫向地表沉降數據以及鐵路箱涵縱向位移進行了分析，并對隧道盾構施工對既有鐵路箱涵的影響進行了評估。獲得了以下幾點結論：

1）順序掘進兩條平行隧道時，地表沉降量最大值出現在兩條隧道中心線偏向后行隧道約D／2（D為隧道直徑）的位置。

2）后掘進隧道建筑空隙產生的沉降比為48．7%，小于先行掘進隧道建筑空隙產生的沉降比54．2%，其主要原因是后掘進隧道盾構面到達監測斷面時的沉降值中包含了一部分由先行掘進隧道施工擾動土體的固結沉降值。

3）雙線隧道順序下穿鐵路箱涵使箱涵本身的沉降曲線出現兩次較為明顯的沉降段和穩定段。

4）數值計算的沉降規律和現場監測的沉降規律基本相符，說明了下穿鐵路箱涵段施工地表變位有效控制措施具有科學性和有效性，并最終確保了穿越時箱涵結構安全，對類似工程有一定的參考借鑒意義。

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