軟土地區(qū)盾構(gòu)下穿既有鐵路安全性分析

王 海 振

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

軟土地區(qū)盾構(gòu)下穿既有鐵路安全性分析

王 海 振

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

以杭州地區(qū)某盾構(gòu)隧道區(qū)間下穿既有鐵路為工程背景，通過(guò)三維有限元模擬，對(duì)盾構(gòu)施工造成的鐵路路基沉降進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)土層采取合理加固，可以大幅度控制地層變形，保證既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全不受影響。

盾構(gòu)隧道，鐵路，路基沉降，計(jì)算模型

近年來(lái)，我國(guó)軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展，軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的工程同時(shí)大量出現(xiàn)。盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中破壞了隧道周?chē)型馏w應(yīng)力場(chǎng)，造成土層的擾動(dòng)，進(jìn)而引起路基的隆沉變形，加大了軌道不平順，影響既有鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

杭州地區(qū)新建地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路處(見(jiàn)圖1)，周?chē)h(huán)境比較空曠，覆土厚度約為16.6 m，盾構(gòu)隧道所處土層為③3淤泥質(zhì)粘土，隧道左右線間距為14 m，坡度為9‰的單面坡，在平面上為直線段，盾構(gòu)隧道與既有鐵路相交角約為89°。盾構(gòu)管片采用C50鋼筋混凝土，管片外徑6.6 m，內(nèi)徑5.9 m，環(huán)寬1.2 m，厚度0.35 m，管片采用錯(cuò)縫拼裝形式。

既有鐵路為國(guó)家干線鐵路，2008年完成電氣化改造，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h，線間距為5.1 m，路基寬度為30 m，鐵路采用有砟軌道結(jié)構(gòu)形式。施工過(guò)程分兩次從南向北下穿既有鐵路。

1.2 工程地質(zhì)概況

本段區(qū)間處于浙江東北部，地貌類(lèi)型屬于沖海積平原，根據(jù)勘察資料，盾構(gòu)下穿既有鐵路路基地層自上而下依次為：①2素填土、②2粘質(zhì)粉土、③1淤泥質(zhì)粘土、③3淤泥質(zhì)粘土和⑥2粘土，見(jiàn)表1。

2 本工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)建議值

表1 土層參數(shù)表

本次穿越，盾構(gòu)機(jī)從既有鐵路路基底部通過(guò)，盾構(gòu)頂部與鐵路路基豎向凈距約為16.6 m，穿越距離約30 m。參考《鐵路線路修理規(guī)則》和國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，保證國(guó)鐵軌面沉降滿足臨時(shí)補(bǔ)修要求，建議沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為：日沉降量不超過(guò)3 mm，最終累計(jì)沉降量控制在+10 mm～-10 mm以?xún)?nèi)，并以限值的70%作為報(bào)警值。

3 盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路引起的地面沉降分析

盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，不可避免對(duì)土體擾動(dòng)，破壞了原有土體的平衡狀態(tài)，被擾動(dòng)的土體在外力消失后又逐步建立新的平衡狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的地層損失和固結(jié)沉降造成了地層的位移，從而導(dǎo)致依附于地表的軌道產(chǎn)生沉降或隆起，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS軟件中Hardening-Soil模型模擬分析新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有鐵路路基的影響。

3.1 計(jì)算假定

1)計(jì)算中考慮管片接頭影響以及錯(cuò)縫拼裝方式對(duì)襯砌整體剛度的折減作用(參考相關(guān)資料，取厚度及剛度折減系數(shù)為0.8)。

2)各土層采用硬化彈塑性材料模型，管片襯砌采用彈性材料模型。

3)盾構(gòu)機(jī)推力由殼體外周摩擦阻力、胸板所受的土壓與水壓、后續(xù)設(shè)備的牽引力、管片與盾尾密封的摩擦阻力等組成。此處數(shù)值模擬僅考慮胸板所受土壓與水壓，按靜止側(cè)向土壓力計(jì)算。

4)結(jié)合北京、上海、南京、廣州、武漢、天津、深圳等地區(qū)盾構(gòu)施工引起的土體損失率實(shí)測(cè)值，95.77%的數(shù)據(jù)分布在0.20%～2.0%之間,其中43.66%的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集中在0.5%～1.0%，而且隨著隧道軸線埋深的增大，土體損失率基本呈減小趨勢(shì)。此工程隧道埋深約18.7 m，取土層損失率0.6%進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.2 計(jì)算模型

左右線盾構(gòu)隧道中心間距為14 m，埋深18.6 m，路基高度按6 m考慮，區(qū)間穿越路基長(zhǎng)度為30 m，因此，取計(jì)算模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=90 m×30 m×43.5 m。土體采用實(shí)體單元模擬，邊界為四周法向約束，底部XYZ全約束。參照相關(guān)規(guī)范，有砟軌道路基上的軌道及列車(chē)荷載換算土柱高度為2.7 m(取土的重度為20 kN/m3)，20×2.7=54 kPa，為安全起見(jiàn)，取地面列車(chē)活荷載為60 kPa面壓力。

計(jì)算模型如圖2所示。

3.3 施工過(guò)程模擬

本工程的每個(gè)斷面計(jì)算中用兩步來(lái)模擬施工過(guò)程，一步為盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)對(duì)土體的擾動(dòng)和土體擠入盾尾空隙的模擬；另一步為土體與襯砌的相互作用模擬，采用土體與管片結(jié)構(gòu)(板單元)來(lái)模擬。

下穿盾構(gòu)隧道在穿越段(30 m)范圍內(nèi)，上下行線開(kāi)挖各分6步，共12步，每次開(kāi)挖5 m，計(jì)算過(guò)程參照先開(kāi)挖后加襯砌的施工步驟。

1)施加重力及外部荷載，計(jì)算形成初始應(yīng)力場(chǎng)；

2)初始位移歸零后，盾構(gòu)首次掘進(jìn)5 m，激活盾構(gòu)管片，同時(shí)將該范圍內(nèi)土體轉(zhuǎn)變?yōu)楦深?lèi)組，重新生成孔隙水壓力；

3)開(kāi)挖土體，設(shè)置體積損失率為0.6%，掌子面施加頂進(jìn)壓力0.40 MPa，對(duì)應(yīng)的頂進(jìn)力為1 370 t；

4)繼續(xù)向前掘進(jìn)至10 m，激活盾構(gòu)管片，同時(shí)將該范圍內(nèi)土體轉(zhuǎn)變?yōu)楦深?lèi)組，重新生成孔隙水壓力；

5)開(kāi)挖土體，設(shè)置體積損失率為0.6%，掌子面施加頂進(jìn)壓力0.40 MPa，對(duì)應(yīng)的頂進(jìn)力為1370 t。

依次類(lèi)推直至左線盾構(gòu)下穿路基完成后，再進(jìn)行右線盾構(gòu)區(qū)間的施工，直至雙線貫通。

左、右線各需掘進(jìn)6次，共25個(gè)施工步。

3.4 結(jié)果分析

本計(jì)算分析按未考慮加固和加固兩種工況，計(jì)算分析如下：

1)未考慮地層加固工況。僅右線貫通后，地層變形如圖3所示，沉降沿右線中心線對(duì)稱(chēng)分布，路基最大沉降量為11.3 mm，隧道的頂部沉降量為13.9 mm。雙線隧道貫通后，地層變形如圖4所示，路基沉降槽曲線如圖5所示，兩條隧道頂部沉降量為15.8 mm，而路基最大沉降點(diǎn)由右線正上方移到2條隧道的中心的正上方，沉降值為12.1 mm，超過(guò)10 mm，對(duì)鐵路運(yùn)行安全造成影響。

2)考慮地層加固工況。為改善地基承載能力，減少地鐵施工和運(yùn)營(yíng)的土體流失，保證既有鐵路運(yùn)營(yíng)不受影響。對(duì)盾構(gòu)隧道穿越鐵路區(qū)域采用加固措施，地基加固采用分塊加固方案，分為主加固區(qū)、旋噴樁加固區(qū)和次加固區(qū)。豎向加固范圍為現(xiàn)狀地面至

隧道底面不小于5.0 m。旋噴樁加固區(qū)采用φ800@600雙重管旋噴樁，主加固區(qū)采用劈裂注漿加固，次加固區(qū)采用壓密注漿加固。地層加固剖面圖見(jiàn)圖6。

圖7和圖8分別表示采用地層加固后，右線貫通和雙線貫通以后地層的變形，圖9為地層加固后，雙線貫通沉降槽曲線。可以看出，地層變形與未加固模型相似，僅右線貫通，路基最大沉降值為5.8 mm；雙線貫通后，路基沉降最大位置同樣出現(xiàn)在兩隧道中部，但是最大沉降值為6.2 mm，僅為未加固模型沉降值(12.1 mm)的51%，滿足控制要求。由此可見(jiàn)，加固措施可有效減少盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)路基沉降的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在軟土地區(qū)三維有限元對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的分析，得到如下結(jié)論：

1)本計(jì)算的地層損失率是按0.6%考慮，當(dāng)盾構(gòu)施工時(shí)，必須嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，避免盾構(gòu)機(jī)的超挖和欠挖，同時(shí)及時(shí)同步注漿，降低施工造成的土體損失，對(duì)周?chē)h(huán)境的影響控制在可靠的范圍內(nèi)。

2)在軟土地區(qū)，盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路時(shí)，造成的沉降較大，危及鐵路運(yùn)營(yíng)安全，而采取合理的地層加固措施，可以有效的控制既有鐵路路基的沉降，保證地層變形在控制范圍以?xún)?nèi)。按照現(xiàn)有的施工方案，可以保證既有鐵路的運(yùn)營(yíng)不受影響。

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Safety evaluation of the shield tunneling underneath the existing railway in soft soil area

Wang Haizhen

(TheThirdSurvey&DesignGroupCo.,Ltd,MinistryofRailway,Tianjin300251,China)

Taking the underneath pass existing railway of a shield tunnel interval in Hangzhou area as an engineering background. Three-dimensional finite element method is put forward to study the settlement of the railway roadbed caused by the construction of the shield tunnel. The calculation results show that reasonable reinforcement of the soil layer can control formation deformation to ensure the safe operation of the existing railway which will not be affected.

shield tunnel, railway, roadbed settlement, calculation model

1009-6825(2017)01-0182-03

2016-10-23

王海振(1988- )，男，助理工程師

U449.52

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