盾構隧道下穿引起鐵路軌道沉降變形數值研究

張鵬輝，吳波,2 ，楊思

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室, 福建 福州 350118)

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盾構隧道下穿引起鐵路軌道沉降變形數值研究

張鵬輝1，吳波1,2，楊思1

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室, 福建 福州 350118)

摘要：結合福州某地鐵雙線盾構隧道下穿鐵路軌道的工程實例，采用有限元數值模擬與實測值相結合的方法，分析研究了盾構隧道在下穿的施工過程中對軌道沉降、軌道水平偏差以及軌向偏差影響的一般性規律，探討了不同盾構隧道埋深條件下的軌道沉降與變形規律。研究表明，軌道沉降主要發生在盾構掌子面到達前、盾構通過期間及盾尾通過后的3個階段；最大水平偏差一般出現在掌子面到達隧軌相交處位置；最大軌向偏差一般發生在掌子面到達軌道線路之前或通過軌道線路以后1倍的盾構隧道直徑左右的距離位置；同時表明，在不考慮地下水位的情況下，盾構隧道埋深越大，軌道線路沉降與變形越小，列車運行越平穩安全。

關鍵詞：盾構隧道； 數值模擬； 軌道沉降； 水平偏差； 軌向偏差

隧道的下穿施工會引起周圍土體及路基產生應力變化和沉降變形，從而導致鐵路軌道產生形變，使同條線路同股軌道的不同位置產生前后高差，致使軌道線路產生較大的沉降變形；或使同條線路的兩股軌道產生相對高差，導致水平偏差過大；或使軌道偏離原始設計位置發生水平位移，產生軌向偏差；亦或使軌道與路基相互脫離，產生空軌現象等[1]。由此帶來的軌道不平順是機動車車輛產生振動的主要原因，直接導致輪軌之間產生相互作用力，影響列車運行的平穩性、舒適性和安全性[2]。

目前國內外許多學者通過理論計算、現場經驗和數值模擬等辦法對盾構隧道下穿鐵路軌道施工引起的路基不均勻沉降進行了一系列研究[3～5]，研究表明，通過注漿加固以及施工參數優化等辦法可很好控制路基的不均勻沉降，從而控制鐵路的沉降變形，且都取得了一定的效果。然而，由于路基與軌道結構的不同，直接通過路基的沉降代替軌道沉降的辦法雖有可取之處，但并不全面。本文通過數值模擬的辦法結合Midas有限元軟件，對盾構隧道下穿施工引起的鐵路軌道變形情況進行三維數值模擬[6～7]。重點研究了盾構隧道下穿施工引起的軌道結構沉降與變形規律，探討了不同盾構隧道埋深對軌道結構沉降變形的影響。為盾構隧道下穿鐵路軌道的施工提供了科學依據。

1　工程概況

福州地鐵軌道交通1號線下穿有砟鐵路軌道段該工程為雙線盾構隧道。盾構穿越區間位于福州火車北站-羅漢山站之間，下穿軌道的里程為：XK4+020～XK4+049、SK4+010～SK4+062，盾構隧道管片內徑5.5 m，外徑6.2 m，厚度0.35 m，管片環寬1.2 m，兩隧道最小凈距10.16 m，典型斷面隧道埋深14.3 m。沿規劃西路向南下穿福州火車站軌道線路密集區，其中車站正線14股道，線間距11～14.65 m，軌道線路平面與隧道線路約成60°。區間隧軌平面位置關系如圖1。

圖1　隧道與鐵路平面關系圖Fig.1　The plan relation ship between tunnel and rail way

2　數值模型分析

2.1建立有限元模型

數值模型的選取主要考慮邊界效應和計算效率，并參考《鐵路路基設計規范》[8]和《鐵路隧道設計規范》[9]。模型區域沿隧道線路方向取長60 m。根據福州地區及國內盾構法施工的相關經驗，盾構隧道施工引起的地表沉降槽寬度基本位于10～20 m，因此隧道結構左、右兩側取3倍的洞徑18 m。為便于后文研究不同埋深條件下的軌道結構變形規律，下邊界取32 m，隧道埋深15 m。模型單元尺寸為1 m，單元劃分采用自動混合六面體，最大尺寸為2.5 m，最小尺寸為0.5 m。模型前、后、左、右及下表面均施加法向約束，地表采用自由約束，軌道施加繞線路的轉動約束。且軌道結構為線彈性材料，采用植入式梁單元模擬。整體結構網格劃分如圖2所示。

圖2　數值網格模型Fig.2　Numerical grid model

2.2選取材料參數

(1)土體參數

盾構隧道經過該地段原狀土多為淤泥質軟土層，掘進地層從上至下依次主要為：雜填土、淤泥質粘土、粉質粘土，局部全風化及散體狀裝強風化花崗巖。道砟層及路基體部分等效為一層路基結構。各土層及路基的詳細參數見表1。

表1　各土層及路基結構參數表Tab.1　The structure parameters of soil layers and subgrade

(2)軌道參數

參考《鐵路軌道設計規范》[9]軌道結構采用標準鋼軌，軌道重60 kg/m，軌距1.435 m，容重78 kN/m3，彈性模量2.01×105MPa，泊松比0.3。

(3)盾構隧道結構參數

為了更加真實地模擬盾構的掘進過程，得到最接近于實際情況的路基及軌道沉降變形結果，特別建立3層不同厚度的環形實體單元[6]，來模擬盾構隧道支護體管片襯砌結構、管片后注漿層及超挖產生的超空隙層。盾構機的殼體結構(簡稱盾殼)采用改變注漿層所在土層屬性的方法來模擬。盾構模擬分層如圖3；模型計算參數如表2。

圖3　盾構模擬分層圖Fig.3　Simulation stratum of shield tunnelling

表2　模型計算參數Tab.2　Model calculation parameters

2.3模擬施工步驟

根據福州地鐵盾構隧道的施工辦法，先進行右側隧道的開挖，待右側隧道開挖完畢后，進行左側隧道的施工。在此過程中，采用激活與鈍化的方法來模擬盾構機的開挖與掘進，單元被鈍化(殺死)以后，該區域的應力為零，且沒有體力作用。通過激活相應區域的支撐來模擬開挖后的支護效果。盾構法隧道施工模擬的具體實現步驟如下：

1)令模型在自重和列車荷載(按等效靜荷載考慮，取列車速度為80 km/h時的等效靜荷載為49 kPa[10])作用下平衡并生成初始應力場，節點荷載清零；

2)給開挖的掌子面施加土艙壓力(220 kPa)，保持開挖面的穩定平衡；

3)開挖一環管片長度(1.2 m)的隧道土體，包括預先定義的隧道土體、管片、注漿層及超空隙層；

4)通過改變屬性的方法將注漿層所在土體屬性改變成盾殼；用同樣的方法模擬由于超挖造成的盾構周圍的超空隙層；

5)通過屬性的改變將管片所在土體賦予管片的屬性，盾殼賦予注漿的屬性；

6)設置注漿壓力(200 kPa)和千斤頂推力(813 kPa)。

依此過程實現盾構機的每一步推進，直至整個隧道開挖完畢。

3　鐵路軌道沉降變形規律

3.1下穿施工對軌道沉降的影響

為了便于研究盾構隧道下穿的施工過程中鐵路軌道的沉降變形規律，選取3個監測點進行分析，分別為右隧道中心線與軌道中線交點A(簡稱隧軌交點A，下同)，左隧道中心線與軌道中線交點B及兩隧道中線與軌道中線交點C。數值模型俯視圖如圖4。

圖4　數值模型俯視監測圖Fig.4　The monitoring planform of numerical model

在盾構隧道下穿的施工過程中，選取開挖掌子面與隧軌交點A(B)的距離L=-D、L=0和L=D時的3個典型斷面進行對比分析。將右線和左線盾構隧道開挖至該3個典型斷面時的1號軌道線沉降曲線分別繪制于圖5中。

圖5　盾構下穿到不同位置引起的軌道沉降　　Fig.5　The track settlement caused by shieldtunnelling into different positions

由圖5盾構下穿至不同位置時的軌道沉降曲線可知：①右、左線盾構隧道施工完畢時的軌道最大沉降值分別為-9.26、-16.12 mm，右線隧道施工所產生的軌道沉降量占總沉降量的57.4%，表明，軌道的沉降量主要發生在上行線隧道的施工中。②右側隧道施工過程中，盾構開挖掌子面在距隧軌A交點1倍的隧道直徑、位于A點正下方處以及超出A點1倍的隧道直徑時的軌道最大沉降值分別為-2.37、-5.84和-8.06 mm。因此，掌子面在L=-D到L=0施工段產生的沉降量占單線施工總沉降量37.5%；在L=0至L=D施工段產生的沉降量占單線施工總沉降量的24.0%，可見，盾構隧道下穿鐵路軌道的施工引起的軌道沉降量主要發生在盾構到達前，盾構通過期間及盾尾通過后3個階段，且盾構到達前的沉降量尤為顯著。③由軌道沉降曲線的變化規律可以看出，沉降中心隨著施工的向前推進逐漸向左側偏移，這主要是由于軌道線路與隧道沿線方向為斜交，致使開挖掌子面在影響到正前方軌道線路之前，先影響到距掌子面斜前方的軌道線路。因此在實際施工中，尤其應注意距掌子面更近的軌道位置的沉降變化情況。

3.2下穿施工對軌道水平偏差的影響

圖6　右線隧道施工引起的軌道沉降　　Fig.6　The track settlement caused byconstruction of right line tunnel

圖7　右線隧道施工引起的軌道水平偏差Fig.7　The track horizontal deviation caused by construction of right line tunnel

圖8　左線隧道施工引起的軌道沉降Fig.8　The track settlement caused by construction of left line tunnel

圖9　左線隧道施工引起的軌道水平偏差Fig.9　The track horizontal deviation caused by left line construction of left line tunnel

圖6、7、8和9分別給出了右、左線盾構隧道施工過程中的軌道沉降曲線及水平偏差變化規律曲線。由圖可知：①當盾構開挖掌子面距隧軌交點較遠時，軌道的沉降相對較小，水平偏差也較小；隨著掌子面的逐漸靠近，軌道沉降量集聚增大，對應的水平偏差也迅速增大，當開挖掌子面位于隧軌交點處正下方時，水平偏差達到最大值。隨著掌子面的逐漸遠離，沉降雖仍有增大，但增大速度相對減慢，水平偏差也因此減小，隨著掌子面的進一步遠離，水平偏差也逐漸減小趨近于0。可見，水平偏差與軌道沉降增長速度有著密切的關系，軌道沉降增長速度越大，則水平偏差越大。②對比右、左線盾構隧道下穿施工引起的軌道水平偏差可以發現，右線施工引起水平偏差(最大值1.41 mm)大于左線施工引起的水平偏差(最大值0.98 mm)；同時也可以看出，右線隧道施工過程中，掌子面在下穿隧軌交點處時引起的軌道沉降增長速度明顯較左線隧道下穿時大，因此同樣可以得到，水平偏差隨軌道沉降速度而增長的結論。③雙線盾構隧道下穿鐵路軌道的施工過程中，會導致軌道線路產生一定量的水平偏差，但均小于《鐵路安全運營管理規則》中規定的4 mm。

3.3下穿施工對軌道軌向偏差的影響

圖10為右線盾構隧道掘進過程中A點處兩軌道間軌向偏差的變化規律曲線，從圖中可以看出，最大軌向偏差位于盾構到達隧軌交點之前或通過以后1倍的隧道直徑的距離位置。

圖10　右線隧道掘進A點處軌向偏差變化曲線Fig.10　The curve of track direction deviation of point A during right line tunnel construction

因此，取掌子面距隧軌交點的距離分別為L=-D、L=0和L=D時的軌道軌向偏差進行對比分析，如圖11所示。由圖可知：①在A點附近和A點右側軌道位置的軌向偏差相對較大，A點左側軌道位置的軌向偏差相對較小，這主要是由于掌子面距隧軌交點右側部分的軌道距離較近，致使隧軌交點及右側處軌道受到施工的持續影響時間較長，影響量也就越大的緣故。②整個隧道施工過程中的最大軌向偏差為0.28 mm(位于左線隧道掘進過程中)，可見盾構隧道施工對軌道的軌向變形影響甚微。

圖11　右線掘進到不同位置的軌向偏差Fig.11　The track direction deviation caused by right line shield tunnelling into different positions

4　數值分析與實測對比

圖12給出了雙線貫通后的1號軌道沉降模擬值與實測值對比曲線。由圖可知，采用數值模擬的方法與實測結果十分接近，軌道沉降槽寬度系數與實測結果基本相同，沉降幅值相差不到2 mm(約為軌道沉降值的10%)。證明了數值模擬的正確性。

圖12　雙線貫通后的軌道沉降模擬與實測對比曲線Fig.12　The simulated and measured contrast curves of track settlement after dual lines completion

圖13、14分別為右線隧道施工引起的軌道水平偏差和A點的軌向偏差數值模擬與實測對比曲線。由圖可知；①水平偏差和軌向偏差的實測值與模擬值均基本吻合，再次驗證了數值模擬的準確性。②實測與模擬規律均顯示，水平偏差在盾構開挖掌子面達到隧軌交點時最大；軌向偏差在掌子面距隧軌交點1倍的隧道直徑的距離位置時最大。

圖13　右線施工水平偏差模擬與實測對比曲線Fig.13　The simulated and measured contrast curves of track horizontal deviation during right line tunnel construction

圖14　右線施工A點軌向偏差模擬與實測對比曲線Fig.14　The simulated and measured contrast curves of track direction deviation of point A during right line tunnel construction

5　隧道埋深對軌道沉降變形的影響

圖15、16、17和18分別給出了不同盾構隧道埋深(7、15、25和40 m)對軌道最大沉降、軌道沉降槽寬度、軌道水平偏差和軌道軌向偏差的影響規律曲線。

圖15　不同埋深下的軌道最大沉降變化曲線Fig.15　The maximum settlement curve of track at different buried depths

圖16　不同埋深下的軌道沉降槽寬度變化曲線Fig.16　The changing curve of track settlement trough width at different buried depths

由圖15和16可知，盾構隧道埋深越小，施工中產生的擾動則越接近或包含既有鐵路軌道線路，產生的軌道沉降量就越大，對列車的安全運營影響也就越大；盾構隧道埋深越大，施工產生的擾動則越遠離既有鐵路軌道線路，盡管此時對鐵路軌道線路的影響范圍相對較大，但所產生的軌道沉降量卻越小，列車運行越平穩安全。

由圖17可知，埋深小時，軌道水平偏差明顯較大，列車在運行中容易出現上下顛簸，產生較大的振動，對列車的安全運行較為不利；當埋深大于15 m時，水平偏差迅速減小，此時對列車的運行較安全有利。不同的盾構隧道埋深對軌道的軌向偏差影響甚微(圖18)。

圖17　不同埋深下的軌道水平偏差變化曲線Fig.17　The curve of track horizontal deviation at different buried depths

圖18　不同埋深下的軌道軌向偏差變化曲線Fig.18　The curve of track direction deviation at different buried depths

6　結論

1)盾構下穿施工過程中產生的軌道沉降量主要發生在盾構到達軌道前、盾構通過期間和盾尾通過以后的3個階段，且盾構到達前的軌道沉降量尤為顯著。同時，在軌道線路與隧道沿線為斜交的實際工程施工中，應特別注意距開挖掌子面較近的軌道線路沉降變形。

2)盾構隧道下穿鐵路軌道施工會引起一定量的軌道水平偏差和軌向偏差。最大水平偏差一般出現在盾構掘進至隧軌交點處位置，且水平偏差隨軌道沉降速度的增大而增大；最大軌向偏差一般位于盾構到達隧軌交點之前或通過隧軌交點以后1倍的隧道直徑的距離位置。但均在《鐵路安全運營管理規則》規定的范圍內，只需做好相應階段的安全防護工作即可。

3)盾構隧道的埋深較小時，軌道的最大沉降值會集聚大，沉降槽寬度相對較窄，沉降變形相對陡峭，水平偏差也相對較大，軌向偏差幾乎保持不變。因此，在盾構隧道下穿既有鐵路線路的施工中，盾構隧道埋深越淺，對列車運行的平穩性、舒適性和安全性越不利；反之，埋深越大則越有利。

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(責任編輯： 陳雯)

Numerical study on settlement and deformation of railway tracks induced by shield tunnelling crossing under railway track

Zhang Penghui1，Wu Bo1,2，Yang Si1

(1.Collega of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou, Fujian 350118, China;2.Fujian Provincial Key Laboratory for Advanced Technology and Informationization of Civil Engineering, Fuzhou 350118, China)

Abstract：Combined with an engineering example of a double line shield tunnel crossing underneath railway track in Fuzhou, finite element numerical simulation and measurement data were utilized to analyse the regularity of the influences of shield tunnel crossing underneath railway track on the track settlement, the track horizontal deviation and the track direction deviation.The track settlement and deformation under the condition of different tunnel depths were discussed.The track settlement occurs mainly at three stages: before the arrival of the shield tunnel face, during the passing period of the shield, and after the pass of the shield tail.The maximum horizontal deviation usually occurs at the time when the tunnel face arrives at the intersection position of the shield tunnel and the railway track.The maximum track direction deviation usually occurs before tunnel face arrives at the track or approximately 1 times of the diameter of the shield tunnel after shield tunnel face passes the track.At the same time, when the underground water level is not considered, the greater the depth of the shield tunnel and the smaller the settlement and the deformation of the track line, the more stable the train operates.

Key words：shield tunnel; numerical simulation; track settlement; horizontal deviation; track direction deviation

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.005

收稿日期:2016-07-11

基金項目：國家自然科學基金項目(51478118)；福建省自然科學基金項目(2014J01170)

第一作者簡介：張鵬輝(1990-)，男，湖北潛江人，碩士研究生，主要從事巖土與地下工程科研工作。

中圖分類號：U45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0332-07