土壓平衡盾構下穿鐵路沉降影響分析

葛 安 祥

(青島市市政工程管理處，山東 青島 266022)

1 概述

隧道下穿鐵路引起的鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道結構和道床的破壞，對鐵路運營安全也會產生嚴重影響。國內對隧道在粘土、砂土、軟土等地層中盾構下穿鐵路引起的地表位移及控制技術已經研究很多[1-4]，然而盾構在軟巖地層中下穿鐵路的研究和工程實例較少。本文結合理論分析和數值模擬，初步得出該類工程施工引起鐵路線路沉降規律，為后續類似工程的設計、施工提供參考。

2 工程概況

膠濟鐵路東起青島西止濟南，于1904年建成通車，2006年電氣化改造后，膠濟鐵路全線共設各類車站35個站，線路全長約393 km，為客貨共線，是山東境內聯結沿海與內陸的主要鐵路干線之一。

青島地鐵8號線盾構區間在里程左DK9+494.606～左DK9+499.688，右DK9+497.099～右DK9+502.142處下穿膠濟鐵路。盾構下穿膠濟鐵路施工為一級風險源。

3 盾構下穿膠濟鐵路的數值模擬

3.1 模型的建立

為預測在嚴格控制盾構掘進參數的情況下，盾構掘進對鐵路的影響，采用三維數值計算的方法對盾構掘進過程進行了模擬分析。使用MIDAS GTSNX(版本號270)建立的整體模型如圖1所示，盡量消除邊界效應的影響。計算模型沿鐵路線路方向40 m，垂直線路方向65 m，模型高35 m。雙線隧道頂部距離鐵路路基頂約16 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側施加水平位移約束，模型表面為自由邊界。土體采用硬土模型模擬。

3.2 計算結果分析

計算中按照盾構設計推進參數，先進行左線掘進、后進行右線掘進。數值計算中盾構掘進設計參數模擬刀盤開挖，管片拼裝等完整施工過程。盾構掘進對鐵路路基變形的影響如下。

根據計算結果，左線下穿段施工完成后，鐵路路基最大沉降發生在左線正上方位置，最大沉降量為1.95 mm，如圖2所示。

右線下穿完成后，鐵路路基沉降量繼續增大，最大沉降量發生在左、右線中間位置，軌道最大沉降量2.80 mm，如圖3所示。

根據計算結果，盾構下穿會引起鐵路路基沉降，對鐵路運營存在一定風險，但如果合理控制盾構掘進參數，保證盾構連續施工的前提下可基本滿足鐵路軌道變形要求。

4 Peck法沉降估算

工程中普遍采用的經驗公式基本是以Peck于1969年提出的盾構隧道施工階段地面沉降估算公式為基礎的。它適用于埋深大、半徑小的隧道開挖。Peck認為，在不排水情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，假定地層損失在整個隧道長度不均勻分布，同時假定沉降槽的形狀為正態分布曲線，如圖4所示。隧道施工所產生的地表沉降分布的預計公式如下：

(1)

(2)

其中，S(x)為距離隧道中心x處地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降量；Vl為施工引起的單位長度地層損失；i為地表沉降槽的寬度系數，即自隧道中心至沉降槽曲線反彎點的距離，m。

沉降槽寬度系數i，可用以下經驗公式求得：

(3)

其中，Z為地面至隧道中心深度，m；φ為隧道周圍地層內摩擦角。

按盾構隧道正常施工時0.2%的地層損失率進行計算，左線隧道先行掘進施工，最大地面沉降位于左線隧道中心正上方，其值為1.62 mm，左線隧道施工完成，右線隧道施工對地面的影響累積后，其地面最大沉降出現在兩盾構隧道施工的中間位置，最大沉降為2.92 mm。該計算結果與上述數值模擬計算結果接近，見圖5。

5 結語

結合數值模擬分析和理論計算，得出了以下結論：

1)采用Peck法進行沉降估算，當地層損失率按照0.2%進行計算時得出的沉降結果與數值模擬分析結果接近；

2)理論分析和數值模擬，可初步得出盾構施工引起鐵路線路沉降規律，為后續工程的設計、施工提供參考。