盾構下穿城際客運專線引起變形的數值分析

徐會杰 彭 華 徐希磊 劉寒遷

(1.北京交通大學土木建筑工程學院 北京 100044;2.北京京投軌道交通資產經營管理有限公司 北京 100101)

盾構下穿城際客運專線引起變形的數值分析

徐會杰1彭 華1徐希磊1劉寒遷2

(1.北京交通大學土木建筑工程學院 北京 100044;2.北京京投軌道交通資產經營管理有限公司 北京 100101)

天津市地鐵3號線解放橋站——天津站站盾構區間穿越京津城際客運專線，為我國首例已實施的盾構穿越高速鐵路路基段工程，通過使用ANSYS軟件，建立地層—結構三維實體模型，模擬盾構穿越客運專線的過程，分析盾構穿越期間軌道沉降及橫移變形規律，將數值分析與實際測試結果進行對比分析，表明在無軌道加固、車輛限速措施的條件下，采用嚴格控制施工參數的措施可以保證高速鐵路的正常運營。

軌道交通;客運專線;盾構;軌道;沉降;數值模擬

鐵路天津站包含有18股鐵路股道，自北向南依次為京津城際車場，4臺7線;津秦高速車場，3臺6線;普速車場，3臺5線。京津城際客運專線是我國第一條全線采用無砟軌道的線路，設計時速為350 km(見圖1)。為保證列車能安全高速地運行，除了采取高標準施工外，對路基的沉降控制也非常嚴格，要求在設計、施工和管理中，以“工后零沉降”為目標。天津站京津城際車場作為客運專線線路，其對沉降的要求極為嚴格。盾構下穿施工作為一項不確定因素綜合作用的工程，在施工過程中將會引起線路變形，從而會加劇軌道不平順，導致輪軌作用力加大，如變形過大則會對運營安全產生嚴重影響。為了保證高速列車的運營安全，要求軌道路基的日變形速率控制在2 mm之內。

天津市地鐵3號線解放橋站—天津站站區間(以下簡稱“解—天區間”)在穿越京津客運專線時，鑒于軌道結構特點和運營組織的要求，在不采取軌道加固及車輛限速措施的前提下下穿，為確保線路安全可靠，此時在施工過程中采取的諸如注漿加固、控制盾構推進時施工參數的措施等成為了確保安全的關鍵。

圖1 京津城際專線平面位置

1 工程概況

1.1 解—天區間工程概況

天津地鐵3號線解—天區間在里程DK14+378～DK14+413范圍以半徑r=1 500 m下穿京津城際客運專線，車場所處的軟土地基施工時采用CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)加固，樁徑0.4 m，樁間距1.5 m，樁長 8.5 ～10 m。使用兩臺土壓平衡盾構機，盾構管片外徑6.20 m，厚度0.35 m，區間線間距由13.0 m逐漸調整加寬至19.0 m，隧道底板埋深28.4 ～35.1 m，頂板埋深 22.0 ～28.7 m，隧道軸線與線路交角約為100°。

1.2 工程地質概況

隧道上部地層為雜填土、粉質黏土、粉土、淤泥質粉質黏土。隧道范圍內地層為粉質黏土、粉砂，隧道底部為粉質黏土。

本場地內表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存與第Ⅱ陸相層以下粉砂及粉砂土中的地下水具有微承壓水性，為微承壓水。

2 數值模擬預測

2.1 模型概述

根據既有客運專線與新建地鐵區間相對位置關系及地鐵區間施工范圍，計算模型總體尺寸為150 m×135 m×80 m。模型頂面(Y=0)為自由邊界，其他5個面均取法向約束。計算采用三維有限元數值模擬方法［1］，土體、注漿層、管片和客運專線路基采用Solid 45模擬。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

2.2 計算假定

1)土體采用彈塑性理論計算，為M-C模型，地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布;路基、注漿層及管片為理想線彈性材料。

2)初始地應力在模型計算時只考慮土體自重應力，忽略巖土體構造應力，使巖土體在自重作用下土體達到平衡，而后再進行盾構施工的開挖。

3)考慮CFG樁對基床土體的加固作用，取樁長為9m。

4)假定既有鐵路的路基及軌道結構變形一致。

2.3 計算參數

根據地勘資料，將土層分為6層，各參數選取如表1所示。

表1 模型材料參數

圖3 列車荷載(特種荷載模式)

模型中除考慮結構自重外，還考慮地面列車活載。針對京津城際客運專線，列車活載采用客運專線動車組特種活載模型(見圖 3)［2］。考慮安全因素，計算時地面壓力取55 kPa。

2.4 施工過程模擬

為真實模擬盾構開挖施工，根據實際的施工情況，先開挖地鐵右線，后開挖左線。每一步開挖分為兩個計算步，第一步:殺死開挖土體單元(包括核心土、管片層、注漿層)，在開挖面上施加法向力，模擬盾構機的推進，同時施加注漿壓力;第二步:考慮到盾構注漿及二次注漿的影響，改變相應單元及管片參數。

3 盾構施工沉降理論分析

3.1 計算結果及分析

圖4 隧道施工完成后地表沉降

盾構施工改變了原有地層的初始平衡條件，造成土體移動以及應力重分布而達到另一個新的平衡［3］。觀察變形云圖，右線隧道施工完成后，地表最大沉降約為1.07 mm，左、右線隧道施工完成后地表最大沉降為1.72 mm(見圖4)。

為研究盾構施工對軌道的影響，特沿路基縱向選取一條測線，分析盾構施工對軌道行車的安全性影響。選取盾構隧道左線中點、右線中點、工程穿越中點這3個點，分析其隨盾構開挖產生的沉降變化趨勢。

3.1.1 軌道橫向沉降

選取具有代表性的工程穿越中心測點的數據，觀察其沉降槽曲線。隨著盾構隧道的施工，沉降槽寬度逐漸加大，沉降槽中心逐漸從右線穿越中心向工程穿越中心偏移，并最終在工程穿越中心出現最大沉降(見圖5)。

圖5 軌道橫向沉降

3.1.2 軌道沉降時程曲線

為了解軌道上某一點隨盾構施工過程的變化情況，提取3個測點的時程曲線，由圖6可知，右線隧道施工完成后軌道最大沉降為1.07 mm，左線隧道施工完成后軌道最大沉降為1.72 mm。

圖6 軌道沉降時程曲線

當盾構隧道開挖面距離軌道15 m時，軌道沉降為0.18 mm，占總沉降量的10.5%;當盾構隧道開挖面過軌道25 m時，軌道沉降為1.03 mm，占總沉降量的60.0%。由此可以看出，盾構隧道在距離軌道15 m至過軌道25 m的范圍內，軌道沉降變形明顯，速率較快。開挖完成后土體應力重分布，固結、次固結逐漸完成，沉降趨于平穩。

3.2 橫向變形

軌道橫向變形大小關系到軌道幾何形位的好壞。隨著右線盾構隧道開挖面逐漸靠近軌道，軌道橫向變形偏向開挖一側，在與軌道距離為零時，最大變形值為0.184 mm;隨著盾構開挖面逐漸遠離軌道，軌道最大橫向變形逐漸向另一側偏離，最大值變小，右線隧道施工完畢后軌道呈S形扭曲［4］。在左線掘進再次逐步靠近軌道時，軌道呈M形扭曲，最大變形值為0.152 mm;穿越施工完成后再次呈現S形扭曲，最終的變形最大值為0.234 mm，鋼軌橫移較小，對行車影響較小，如圖7所示。

圖7 軌道橫向位移曲線

3.3 數值分析結果

1)經數值計算得到，盾構穿越股道施工期間的軌道變形主要為沉降變形，最大沉降為1.72 mm，小于沉降控制值。

2)在模擬過程中，沉降主要由右線引起，說明右線的先期注漿加固保證了左線隧道的施工;經數值計算得到右線沉降占總沉降量的62.2%。

3)數值模擬計算結果與實際監測數據基本吻合，驗證了模型的正確性和可靠性。數值分析結果表明，若控制好各項盾構參數，采取主動防護措施，加強監測，鐵路相關部門做好巡視工作，及時調整軌道幾何形位，在不采取任何軌道加固措施的情況下，能夠保證既有軌道的行車安全。

4 監測結果對比分析

站場內路基監測全部為自動化監測，采用靜力水準和智能型電子全站儀自動實時監測系統。軌道采用人工監測的方法，監測頻率如表2所示。盾構通過后，應持續觀測3個月(測點沉降變化量連續3周不超過1 mm/周即可停止監測工作)。

表2 監測頻率

選取模擬分析點處軌道監測數據，并對監測數據進行分析處理，得到軌道沉降監測曲線(見圖8)。

圖8 監測點時程曲線

由圖8可知，隨著右線盾構隧道逐漸靠近既有軌道，軌道沉降逐漸變大，沉降速率變快，右線盾構隧道通過軌道10 d后，沉降趨于平穩;在左線施工期間，沉降進一步增大，直至穿越后沉降平穩。監測數據出現的偶爾較大波動與二次注漿有關，軌道最大沉降約為1.64 mm(見圖9)。

圖9 沉降對比曲線

對比計算結果與監測數據，可以發現:

1)在右線隧道施工完成后，軌道最大沉降在1.04 mm左右波動，與計算結果1.07 mm較為吻合;最終的軌道最大沉降在1.64 mm左右，與計算結果1.72 mm較為吻合。

2)在工程施工期間，根據監測信息，及時對脫出盾尾的部分進行二次注漿，有效地控制了沉降。

3)CFG樁復合地基在京津城際車場的應用，有效抑制了軟土地基的變形，且高速列車的軸重遠比普速列車的軸重輕，因此在施工過程中，高速車場的沉降變形較普速車場5.76 mm的沉降監測值小很多。

4)據監測數據得出，盾構右線施工完畢后的沉降量占總沉降量的63.3%，對應的理論計算結果為62.2%，在實際施工過程中，右線施工導致軌道結構的沉降量大于左線施工導致的沉降量。

5 沉降控制的技術措施

天津市地鐵3號線解—天區間下穿京津城際客運專線施工，有效地控制了地表沉降，滿足了高速鐵路對沉降控制的要求。在施工過程中采取的主要沉降控制技術措施如下。

5.1 合理選取試驗段

在穿越高速鐵路施工之前，合理選取試驗段，通過先期盾構下穿普速鐵路車場施工，積累經驗，為盾構后期穿越高速鐵路施工提供了完整的技術依據。

為了達到試驗效果，將試驗段細分為三個階段:第一階段(約28環)，摸索土倉壓力、刀盤轉速、出土量、掘進速度、千斤頂推力，刀盤扭矩、注漿量和注漿壓力等參數;第二階段(約40環)，模擬盾構下穿鐵路，假定刀盤開始進入鐵路范圍內，通過徑向注漿和二次注漿控制日單次沉降、前期累計沉降、盾構機正上方沉降、盾構機后部沉降不超限;第三階段(10環)，進行功能性試驗，對刀盤伸縮功能、保壓系統進行試驗。

5.2 沉降控制要點

在施工過程中，依據沉降類型的不同，采取膨潤土徑向注入、同步注漿、二次注漿等措施有效控制沉降［5］，具體要點如表3 所示。

表3 沉降控制要點

1)為了保證在盾構通過期間鐵路的穩定，利用徑向注漿孔，借助盾構機內膨潤土保壓系統，采用優質膨潤土填補盾構機掘進時刀盤與盾體之間產生的間隙，減少土體的沉降。

2)考慮到盾尾空隙引起的沉降，需要提高注漿填充率，每環注漿量為5.7～6 m3，同時適當提高同步注漿壓力，但不宜超過0.45 MPa。

3)結合監測沉降情況，在管片脫出盾尾5～10環后進行二次注漿，注漿壓力控制在0.6 MPa內，以避免后續的沉降。

5.3 掘進模式的選擇

根據實地的工程地質條件，采用土壓平衡模式進行隧道掘進，在盾構掘進過程中勻速、連續、均衡施工，始終保證土倉壓力與作業面水土壓力、開挖土量與排土量的動態平衡，以保持正面土體穩定。

在盾構施工過程中一旦有超挖現象，必須對該區段進行處理，包括二次補漿、地面注漿加固等措施。

5.4 采用合理的掘進參數

1)針對實地的工程地質情況，合理選取左、右線盾構施工的掘進參數(見表4)，減少對土體的擾動，保證盾構掘進的連續性，使盾構機掘進姿態與管片姿態基本相符，并使地面沉降穩定［6-9］。

表4 左、右線盾構施工的掘進參數

2)嚴格控制出土量，禁止盾構機做過大的糾偏動作，單環軸線糾偏幅度控制在±5 mm之內。

3)采用優質泡沫進行渣土改良，使渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩定開挖面，控制地表沉降。

4)同步注漿時必須要做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”，在同步注漿壓力和注漿量方面進行雙控，做到適時、足量，并保證適時的二次及多次補充注漿。

6 結論

天津市地鐵3號線解—天區間下穿京津城際客運專線施工，通過嚴格控制施工參數，加強同步注漿、二次及多次補漿等措施，有效地將既有高速鐵路軌道的沉降值控制在變形范圍內，在不采取軌道加固、車輛限速措施的條件下，保證了高速列車的運營安全，為盾構下穿高速鐵路施工的變形控制積累了豐富、寶貴的成功經驗，可為相關工程提供借鑒。

［1］李兆平，馬天文.地鐵南京站下穿南京鐵路站場施工過程的三維數值模擬及工程應用［J］.北京交通大學學報，2007，31(1):55-59.

［2］辛學忠，張玉玲，戴福忠，等.鐵路列車活載圖式［J］.中國鐵道科學，2006，27(2):31-36.

［3］施仲衡，張彌.地下鐵道設計與施工［M］.西安:陜西科學技術出版社，1997.

［4］肖立，張慶賀.盾構長距離下穿鐵路股道引起的地表沉降分析［J］.上海交通大學學報，2011，45(5):672-676.

［5］王彥臻，黃達，李峰.城市地鐵穿越既有線路的變形控制技術及效果［J］.都市快軌交通，2009，22(6):46-49.

［6］李鳳遠.盾構選型和關鍵參數選擇探討［J］.建筑機械化，2008，29(8):40-43.

［7］吳逢春.地鐵盾構施工對周邊結構影響的時間相關性研究［D］.南京:東京大學，2006.

［8］華科.地鐵盾構施工對鄰近結構物的影響預測與控制方法［D］.成都:西南交通大學，2008.

［9］雷升祥，張守同.隧道施工中的風險預測與安全技術［J］.鐵道建筑技術，2004(4):15-19.

Numerical Analysis of Ground Deformations Caused by Shield Tunneling Under-crossing Beijing-Tianjin Intercity Passenger Dedicated Railway

Xu Huijie1Peng Hua1Xu Xilei1Liu Hanqian2
(1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044;2.Beijing Jingtou Rail Transit Assets Operation ＆ Management Co.，Ltd.，Beijing 100101)

Abstract:Shield tunneling between Jiefangqiao station and Tianjin subway station of Tianjin subway Line 3 under－crossed a high－speed railway.Finite element software ANSYS was used to build the three－dimensional model of soil and structure to simulate the construction process of this project and then to analyse the regularity of track settlements and lateral deformations during construction.The results of numerical simulation were compared with the in－situ measured data which demonstrated that without track reinforcement measures and train deceleration measures，strict control of construction parameters could ensure the safe operation of the railway.

Key words:urban rail transit;passenger－dedicated railway line;shield;track;settlement;numerical simulation

U455.43

A

1672-6073(2013)06-0068-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.017

收稿日期:2013-03-18

2013-04-22

作者簡介:徐會杰，男，博士生，主要從事地鐵項目管理研究，tinnelxhj@sina.com

國家自然科學基金資助項目(51108025);中央高校基本科研業務費專項資金資助(2012JBZ011)

(編輯:郝京紅)