新建盾構隧道施工對既有鐵路路基的影響研究

阮 雷,孫雪兵,申興柱,王士民

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

武漢作為國家四大鐵路樞紐城市之一，在城市化進程的不斷推動下，為緩解地面交通擁擠問題，其軌道交通建設正在大規模興起。由于武漢地鐵線路密度大，且市區范圍內既有鐵路線路密布，因此在建設過程中會不可避免地出現大量新建地鐵線路下穿既有鐵路工程。盾構隧道的掘進勢必會對周圍土體產生影響，進而影響既有路基結構的安全和鐵路線路的正常運營[1]。

盾構隧道下穿鐵路線路對既有結構的影響研究近年來已取得了一定的成果[2-7]，并指導了相關工程的順利實施。許有俊[2]針對新建地鐵隧道下穿高速鐵路路基，采用FLAC3D軟件模擬盾構施工全過程，對路基頂面沉降槽的形態進行了研究；王鳴濤[3]在Peck公式的基礎上，對盾構隧道下穿鐵路路基沉降槽寬度系數的公式進行推導，并借助福州地鐵1號線的現場監測數據進行驗證；任建喜[4]以黃土地區地鐵盾構施工下穿隴海鐵路工程為依托，對盾構下穿既有鐵路的變形進行了研究；蔡向輝[5]通過建立軌道-路基-地基有限元模型，研究了盾構下穿施工對列車運行及結構的影響；楊林和鄭明新[6]依托具體工程對隧道采取周邊加固措施后下穿施工過程中的線路沉降規律進行了研究。

可以看出，上述研究主要針對盾構施工對鐵路路基沉降的影響，但并未涉及到盾構隧道在不同埋深下對路基結構影響程度的評價。為此，以武漢地鐵下穿某鐵路路基為工程依托，采用數值模擬分析的方法，綜合研究隧道埋深、地層加固及盾構下穿施工對既有鐵路路基的影響規律。同時結合現場監測數據，驗證采取地層加固措施對控制土體及結構沉降的可行性。

1 概況

以武漢城市軌道交通3號線盾構隧道下穿合武線有砟軌道路基為工程依托，盾構隧道管片襯砌外徑6 m，內徑5.4 m，壁厚0.3 m，幅寬1.5 m，采用鋼筋混凝土管片襯砌結構。新建隧道下穿合武鐵路路基時，盾構隧道左線以76.12°、右線79.89°斜穿既有路基結構。

2 建立計算模型

2.1 數值模型

計算模型中，地層、鐵路路基、鋼軌、管片及注漿層均采用Solid45單元模擬[14]。其中，土體采用彈塑性本構模型，管片、路基等均視為彈性材料。考慮到邊界效應對計算結果的影響，數值模型寬度為80 m，縱向長度90 m，高度為55 m，如圖1(a)所示，鋼軌按60 kg/m鐵軌進行建模，如圖1(b)所示。模型底部施加豎向位移約束，前后邊界(隧道軸線方向)施加Z向約束，在左右邊界施加水平位移約束。

圖1 數值計算模型

2.2 計算參數選取

綜合考慮接頭對管片襯砌環結構剛度的削弱作用，管片橫向抗彎剛度折減0.15，縱向等效剛度折減系數為0.01[15]。根據巖土工程勘察報告及設計資料，考慮到盾構隧道與鐵路路基之間的位置關系，地層、管片襯砌及路基等結構的物理力學參數如表1所示。

表1 地層土體及結構參數

2.3 施工過程模擬

由于考慮到城市范圍內巖土體較為松散、隧道埋深普遍不深，構造應力一般較小，故將自重應力場作為初始應力場，在ANSYS軟件中采用“單元生死”的方法模擬盾構隧道開挖、管片拼裝及注漿過程。

根據相關規范，列車豎向靜活載應采用ZK活載，并采用換算土柱的方法。將列車及軌道荷載按照靜荷載考慮，同時根據軌道和列車荷載換算土柱高度及分布寬度的規定，路基上施加的列車、軌道分布寬度定為3.4 m，等效荷載為60 kPa。

計算過程中盾構采用雙線分步施工，每個開挖步長度為3 m，左右線分別開挖30步。由于隧道開挖過程中引起的地層損失具有顯著的時間效應和空間效應，因此將隧道開挖的過程視為應力分步釋放的過程，即隧道開挖至管片尚未拼裝之前應力釋放20%，當管片拼裝完成后釋放剩余部分的應力。同時，在尚未達到初凝狀態的注漿層區域施加注漿壓力，當漿液初凝后撤消此壓力。考慮到注漿層的形態及分布情況對地層位移影響[16]，計算中采用更換注漿層參數的方法來模擬漿液的凝結過程。

3 計算結果分析

3.1 盾構施工對鐵路路基的影響

在隧道埋深為15 m的情況下，按照上述模擬方法研究盾構掘進對既有路基的影響規律，圖2為雙線貫通后的路基沉降云圖。

圖2 路基沉降云圖

盾構隧道掘進施工過程中勢必會對隧道周圍土體產生擾動，進而引起地層損失，使得開挖范圍內地表及路基等出現不同程度的沉降變形。結合表2可以看出，先行隧道(右線)盾構施工時，隧道中心線上方處的路基產生了較為明顯的影響，且隨著開挖面的鄰近，沉降變形值逐漸增大，當右線貫通時路基的最大沉降點在隧道中心線正上方，量值為7.506 mm。此后在左線隧道施工時，鐵路路基逐漸受開挖過程中的二次擾動，使得路基橫向范圍的擾動區域逐漸增大，且路基最大沉降值點逐漸偏移。當全線貫通后，路基沉降最大值點位于兩隧道中心線上方。盾構掘進過程中路基沉降峰值如表2所示。

表2 路基變形分析結果匯總

盡管在右線隧道開挖過程中，開挖面距路基中心線有7 m的間距，但路基已經出現較為明顯的沉降變形，特別是隧道軸線斷面上的路基沉降尤為明顯；當盾構開挖至路基下方時，路基沉降值急劇增大，從第2.907 mm突增至4.058 mm，但在盾構繼續推進過程中，該位置管片已經拼裝，并且施加了注漿壓力，在管片以及注漿壓力作用下路基沉降相對降低；漿液凝結后，與注漿前類似，路基繼續發生較大沉降，當左線隧道貫通后，路基最大沉降值達到7.506 mm。從表2可以看出，在盾構開挖過程中，既有路基累計最大變形量為10.096 mm，發生在兩隧道中心軸處。當雙線全線貫通后，鐵路路基的累計變形值為9.97 mm，已經超過了路基沉降限定值6 mm的規定。

圖3為鋼軌在盾構掘進過程中的沉降變化曲線。從圖3可知，由于路基在開挖面距線路中心線較遠時已出現不同程度的變形，從而引起鋼軌沿隧道斷面也出現橫向沉降，其中開挖面正上方相比其他區域沉降較大，可以看出，沉降曲線符合高斯曲線分布特征。當右線貫通時最大沉降量為7.428 mm。隨著隧道右線與左線先后貫通，鋼軌沉降最大值逐漸向隧道中間偏移，且在左線掌子面距鋼軌水平距離為1.5 m時，鋼軌沉降發生較大突變，最大值由右線中軸線附近的7.350 mm突變至8.736 mm，最終在隧道中心線附近穩定，最大沉降量為9.737 mm，與左右線貫通后路基最大沉降位置與沉降量基本一致。

圖3 盾構掘進過程中鋼軌沉降曲線

不同開挖步下的鋼軌水平高差曲線如圖4所示。先行(右線)隧道掘進過程中，在開挖面距后方路基中心線8 m時，隧道正上方的鋼軌水平高差出現的最大值為0.51 mm；左線開挖過程中的鋼軌水平高差最大值在開挖面離開路基中心線4.5 m時顯現，其幅值為0.509 mm，可以看出，在盾構離開路基一定距離后鋼軌水平高差出現峰值。由于兩條鋼軌沿著開挖方向的位置不同，使得鋼軌下層土體發生擾動的先后順序不同，從而引起鋼軌出現不均勻沉降，這將導致了軌道水平不平順；與此同時平行隧道的先后開挖，也將導致路基附近臨近開挖面土體再次先后發生擾動，兩根鋼軌也再次產生不均勻沉降。

圖4 不同開挖步下的鋼軌水平高差變化曲線

3.2 隧道埋深的影響

隧道在下穿既有鐵路路基時，埋深是影響既有結構沉降的控制性因素。為了分析下穿隧道埋深對鐵路路基的影響規律，在保持其他條件不變的情況下，分析盾構隧道在不同埋深條件下路基在盾構隧道施工過程的時空效應，以及軌道的沉降和水平高差變化規律。隧道埋深12 m時，右線開挖完成、雙線開挖完成后的路基沉降云圖如圖5所示。

圖5 路基豎向位移云圖(放大500倍)

可以看出，當右線隧道開挖完成之后，路基受影響范圍為右線隧道正上方區域，路基沉降最大值位于右線隧道中心線正上方位置；當左線隧道開挖結束后，路基受隧道開挖影響區域增大，沉降顯著點從左線隧道軸線位置處逐漸轉移至兩隧道中間位置。圖6分別給出了盾構左、右線開挖完成后路基中心線的沉降變化規律。

圖6 路基橫向沉降曲線

從圖6可以看出，隧道埋深的增大，將引起路基沉降曲率、沉降峰值的減小，但與此同時路基沉降槽的寬度卻隨之增大。因此，相對淺埋隧道而言，隧道在較大埋深時，盾構掘進對路基沉降影響較小。同時，從圖6可以看出，僅在右線貫通時路基沉降呈“單谷曲線”的形態，最大沉降位于貫通隧道正上方位置；而在全線貫通時，當埋深為6～9 m時，路基沉降由“單谷曲線”變為“雙谷曲線”，最大沉降出現在隧道中心軸線正上方，但隨著埋深的持續增大，路基沉降重新表現為“單谷曲線”的規律。表3為各埋深下路基中心沉降值統計。

表3 各埋深下路基中心線豎向位移統計

由表3可以看出，右線隧道施工引起的路基沉降值大于左線隧道產生的沉降值，但隨隧道埋深的增大，右線開挖引起的沉降量占雙線貫通后總沉降量的比例呈減小的趨勢。綜合不同埋深下路基沉降曲線、沉降量值及橫向影響范圍可以看出，不同埋深下盾構開挖均會引起隧道土體的擾動，從而使隧道上方土體、路基結構產生沉降。在隧道貫通后，路基沉降最大值出現在兩條隧道中心線上方。

路基最大沉降值隨隧道埋深的增大而減小，在埋深為6 m時，路基沉降值為13.391 mm，埋深為12 m時，減小到11.084 mm，當埋深增至18 m時，路基沉降降至8.136 mm，以上計算路基沉降均大于路基沉降限制6 mm的要求。右線隧道開挖過程中對路基沉降的影響較大，當隧道埋深為6～18 m時，右線開挖引起的路基沉降值占總沉降量的比例為93.98%～63.73%，隨著隧道埋深的增大，右線隧道開挖對路基最大沉降量的影響呈減小的趨勢。

3.3 地層加固的影響

當隧道埋深為15 m時，路基最大沉降值為9.398 mm，超過了列車運營過程中的沉降限值，即使進一步增大埋深也不能有效控制路基沉降。因此，需要采取相應的地層加固措施，增強地層的抗擾動能力，控制軌道路基沉降，保證既有鐵路線路的正常使用。此地層條件下，當隧道埋深為15 m時，隧道上覆地層為雜填土、第四系黏土及粉質黏土，均可進行注漿加固。路基下方地表以下15 m，縱向沿路基中線兩側各3 m，橫向加固至區間隧道輪廓外兩側5 m進行加固，表4為兩種工況下路基及地層位移統計。

表4 路基及地層位移統計

從表4數據并結合沉降云圖(圖7)可知，加固后盾構掘進引起的路基沉降最大值相比較加固前呈現減小的趨勢。當埋深為15 m時，在未對地層進行加固的情況下，雙線貫通后路基最大沉降值為9.97 mm，對地層采取注漿加固措施后，路基最大沉降值僅為4.091 mm。由此可以看出，對地層采取注漿加固措施在一定程度上可以降低盾構施工對路基沉降的影響程度，保證鐵路運行安全。

此地層條件且未采取加固措施時，在左線和右線開挖完成后，左線和右線隧道拱頂的最大沉降部位均出現在路基下方，最大豎向位移值為3.701 cm；當對隧道拱頂以上范圍土體進行加固后，隧道拱頂最大沉降值均出現在盾構開挖面附近區域，并未出現在路基下方，對路基沉降控制的效果最顯著。因此，在盾構隧道保持一定埋深的情況下，采用注漿的方式對地層進行加固，可有效地控制路基沉降及地層位移，保證鐵路路基和軌道的穩定。

圖7 隧道軸向縱剖面地層沉降云圖

3.4 現場加固效果分析

在盾構下穿施工期間，合武鐵路處于正常運行狀態，為實時監測鐵路線路沉降控制效果，對隧道頂部注漿加固區布設監測點。在隧道下穿過程中鐵路路基影響范圍內，沿隧道縱向3 m設置1個沉降觀測斷面，并在每個橫斷面上設置4個觀測點。現選取G+2截面作為典型截面，其沉降測點布置見圖8。

圖8 沉降監測點布置示意

圖9 G+2處監測點沉降隨時間變化曲線

隨著開挖面的推進，監測斷面鐵路路基沉降值逐漸增大，遠離開挖面的路基沉降要比鄰近開挖面的路基沉降小。從圖9可知，在盾構掘進逐漸靠近監測斷面時，掌子面位于G+2截面各監測點沉降值逐漸增大，其中隧道拱頂對應的路基累計沉降最大。當盾構掌子面到達監測斷面位置時，較高的土倉壓力使得此處地表出現短暫的隆起現象，在盾構通過后，地表沉降值繼續增大，但增幅明顯減小，各點沉降值均在可控范圍內。監測數據表明，該盾構隧道下穿鐵路過程中，鐵路處于安全運行狀態。

4 結論

針對武漢地鐵盾構隧道下穿既有鐵路路基，采用數值模擬方法對施工全過程力學特性進行了模擬，并且分析了不同埋深及地層加固對既有鐵路路基沉降、鋼軌變形等的影響規律，得出以下結論。

(1)盾構開挖面距路基中心線6 m時，既有路基結構就已產生明顯的沉降，隨盾構不斷掘進，路基沉降量值及受影響范圍不斷增大，其中先行隧道施工對路基產生的擾動更為顯著。

(2)路基沉降槽曲率及峰值隨隧道埋深的增大而減小，但沉降槽寬度卻呈增大趨勢；先行隧道掘進引起的路基沉降值占總沉降量的比例隨埋深增大而減小。

(3)通過對數值計算結果及沉降監測數據進行綜合分析，驗證了采取地層注漿加固措施可以有效減小盾構施工對土體及路基結構擾動的可行性；當路基下方土體加固至隧道拱頂，在隧道貫通后，路基及地層沉降值均大幅減小。

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