城軌礦山法近接對高鐵盾構隧道變形影響研究

曲 強，睢忠強，王 婷，王 楊，彭 斌，魏 盼，劉建友

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055；2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

目前我國高速鐵路網絡不斷擴展，相應的隧道數量不斷累積，高速鐵路隧道和其他建(構)筑物互相穿越的情況也越來越多，在工程的建設過程中，面臨著一系列的技術問題，如高速鐵路變形隧道控制標準.鄰近高速鐵路工程的風險管理.鄰近高速鐵路隧道變形預測.變形監測方法.鄰近高速鐵路隧道變形控制技術等難題。

已有不少學者[1-7]聚焦盾構隧道近接其他鐵路或公路等工程的變形研究。而在城區的高速鐵路，為了減少對地面空間的占用，高速鐵路多以隧道的形式進入市區，如莞蕙城際鐵路東莞市區的松山湖隧道主要位于城區內，全長38 km；運營開通的京張高鐵北京五環路段內也采用隧道方式進城，而城區城市軌道交通路網密集，近接施工不可避免。城軌工程鄰近高速鐵路大直徑盾構隧道沉降變形規律是目前研究的熱點問題之一，現在鮮有報道的工程案例[8-10]，對近接工程影響高速鐵路大直徑盾構隧道的規律缺乏足夠認識。因此，研究城軌近接施工對高速鐵路大直徑盾構隧道的影響，保障高速鐵路隧道的安全，意義重大。

常規對于盾構隧道的模擬多視為均質圓筒，忽略實際中管片存在的各種接縫，使得實際得到的結果偏于保守[11]，帶來了潛在的安全隱患或過度設計；軌道精細化建模已發展到一定程度[12-16]，而盾構隧道內軌道的精細化建模鮮有研究[17-18]，尤其是涉及到三維近接盾構隧道施工的非線性靜力分析。建立城軌區間穿越盾構隧道時既有軌道的三維精細化模型，研究在超前大管棚和深孔注漿加固措施下的高鐵盾構隧道管片.軌下預制仰拱結構及無砟軌道的變形響應。

1 工程概況

1.1 工程背景

北京地鐵12號線下穿清華園盾構隧道段采用礦山法施工。地鐵結構拱頂距盾構管片最近約1.6 m，既有盾構隧道尚在沉降期范圍內，地鐵穿越施工風險極大，穿越工程相對位置關系如圖1所示。

圖1 北京地鐵12號線與京張高鐵盾構隧道位置關系(單位：m)

大鐘寺站站—薊門橋站區間與清華園盾構隧道夾角84°，線路為東西走向，區間埋深25.4～32.6 m。考慮地鐵結構與盾構隧道距離較近，在既有盾構隧道前.后10 m范圍內施作管棚加固，新建區間結構拱頂90°范圍采用φ180 mm大管棚(厚度Δt=12 mm)，管棚外插角α=1°～3°，環向間距300 mm，管棚總長L=32.5 m[19]。采用雙液漿對隧道輪廓線外2.5 m范圍內全斷面進行深孔注漿加固，加固范圍為京張高鐵隧道前后17 m。

1.2 地質概況

穿越段地層從上到下依次為①1雜填土.④1黏土.④3粉細砂.⑥2粉土.⑦卵石-圓礫，礦山法區間隧道洞身位于⑦卵石-圓礫等粗顆粒地層，地層情況描述見表1。

表1 地層情況描述

2 數值計算模型

2.1 模型參數

計算采用ABAQUS有限元計算軟件，建立三維實體模型，模擬地鐵礦山法隧道下穿施工對既有京張高鐵清華園盾構隧道結構的影響。數值模型如圖2.圖3所示。

圖2 數值分析模型(單位：m)

圖3 礦山法區間與清華園隧道相對位置關系

模型的尺寸為沿新建隧道方向長90 m，垂直隧道方向寬64 m，高60 m，離散單元數238 370個，節點數367 372。采用實體單元(C3D8R)模擬各土層.12號線注漿加固層.初期支護結構及清華園盾構管片，管棚采用桁架單元(Truss)。各土層.結構材料參數見表2.表3。

表2 土層材料參數

表3 結構材料參數

2.2 接觸設置

忽略螺栓，軌道與預制仰拱現澆，兩者不發生相對位移，預制仰拱和盾構管片螺栓連接，相對位置視為穩定。管片與圍巖之間設為硬接觸，摩擦系數為0.4；管片之間及預制仰拱之間為硬接觸，切向摩擦系數為0.1[20]，軌道與預制仰拱及軌道部分之間設為綁定約束。

2.3 計算工況

考慮地鐵開挖一次進尺2 m，施工工況共28步，主要工序為：工況10.工況13.工況22和工況28，各工況模擬情況見表4。

表4 計算工況

3 結果分析

3.1 初始狀態模擬

模型中第1階段為隧道施工的初始階段，計算出土體及結構在自重作用下的位移場和應力場，運算結束后，反復多次提交計算，減小開挖卸載后的上浮，并形成初始應力場[21]，如圖4所示。

圖4 模型初始狀態云圖

3.2 地鐵區間施工對既有盾構隧道豎向位移影響

3.2.1 盾構隧道豎向變形

從圖5(云圖采用特征線顯示，下同)可以看出，工況10，地鐵開挖對盾構隧道的影響尚未波及，具有較好的整體性，未發生錯臺，由于軌道及其自重作用下，整體豎向位移增大，拱頂處管片出現了一定的沉降，中部最大值為0.248 mm；工況13，管片底沉降最大達1.456 mm；緊接著工況22，沉降范圍較上階段增大，有向地鐵雙線隧道中部移動的趨勢，沉降值增至2.011 mm，幅度變化了38.1%；工況28，地鐵左線上方的盾構管片底沉降1.901 mm，同時右線上方對應位置沉降值減小到了1.884 mm。

圖5 盾構隧道典型階段豎向位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段盾構隧道底部節點豎向位移隨隧道中心距離繪制點線圖，如圖6所示，其中從數值看具有以下規律：工況10(-0.185 mm)<工況13(-1.032 mm)<工況28(-1.896 mm)<工況22(-1.998 mm)。

圖6 盾構隧道典型階段豎向位移曲線

從峰值出現的位置看：工況10盾構隧道產生的豎向位移與其他階段相比數值較小，近似為一條水平線。工況13，峰值位于右線隧道上方，呈現單峰；工況22，峰值位置保持不變數值增大為1.998 mm，在左線正上方位置出現了一個小的峰值：高鐵-1.498 mm。工況28在左右隧道的相應位置正上方盾構隧道拱底處出現了2個峰值，其中最大值位于左線一側，為1.896 mm。

3.2.2 預制仰拱豎向變形

如圖7所示，工況10，由于軌道及預制仰拱自重作用下，整體豎向沉降增大，中部預制仰拱結構出現了一定的沉降，最大值為0.629 mm；工況13，對應位置附近的右側預制仰拱沉降數值達到1.544 mm；工況22，沉降范圍擴展到地鐵左線上方的預制仰拱，沉降值也增到了2.429 mm，幅度變化了57.3%；工況28，地鐵左線上方的預制中仰拱的上部也對稱出現了2.297 mm的沉降，同時右線上方對應位置的豎向變形減小到-2.284 mm，減幅為6.0%。

圖7 預制仰拱典型階段豎向位移云圖(單位：m)

3.2.3 軌道豎向變形

如圖8所示，工況10，由于軌道自重作用下，整體豎向位移增大，無砟軌道結構中部出現了一定的沉降，最大值為0.418 mm；工況13，右線軌道開挖位置附近的無砟軌道沉降達到1.642 mm，此時左線還未受到影響；工況22，沉降范圍較上階段增大，沉降值也增至2.188 mm，幅度變化了33.3%，左線鋼軌部分位置出現明顯沉降；工況28，地鐵左線上方軌道也對稱出現了2.086 mm的沉降，同時右線上方對應位置的豎向變形減小到2.058 mm，減幅為5.9%。

圖8 軌道典型階段豎向位移云圖(單位：m)

如圖9所示，從最值出現的位置看：工況10，最大值位于無砟軌道中部位置，這時軌道整體承受豎直向下的均布力，產生了類似梁的撓曲變形；工況13，最值位于右線隧道上方對應的無砟軌道處，呈現單峰，且右線軌道沉降大于左線；工況22，原有最值出現位置保持不變同時數值增大，在左線正上方位置出現了一個小的峰值：-1.553 mm。工況28最值位于地鐵左右線中心處。施工完成后在左右隧道的相應位置出現了2個峰值，即“W”形，最大沉降值為2.142 mm，較前一階段有小幅回落，這是由于兩條沉降曲線疊加的結果。

3.3 地鐵施工對既有線水平位移影響

3.3.1 盾構隧道水平變形

如圖10所示，工況10，管片水平變形較小；工況13，對應位置的管片向掌子面移動了0.284 mm，而上方管片發生向內收斂位移，數值為0.328 mm；工況22，對應位置的管片向掌子面移動了0.388 mm，上方管片發生向內收斂位移，而地鐵右線處管片向內收斂值為0.335 mm，增幅為0.21%；工況28，地鐵左右線中心軸線上方高鐵盾構管片均發生了收斂變形，最大值為0.266 mm。

圖10 盾構隧道典型階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段高鐵盾構隧道中部節點水平位移隨盾構隧道中心距離繪制如圖11所示的曲線，工況10，盾構隧道的整體變形較小，僅在兩個端部發生了向開挖面方向的位移。工況13，隧道拱頂正上方的盾構管片產生向外變形，高鐵盾構隧道其他部位則發生遠離開挖方向的位移，呈現弓字形；類似的，工況22和工況28，在地鐵左右線拱頂處的盾構隧道發生了向掌子面方向的位移，其他部分則相反。其中從數值看具有以下規律：工況10(-0.048 mm)<工況28(-0.258 mm)<工況13(-0.303 mm)<工況22(-0.317 mm)。

圖11 盾構隧道典型施工階段水平位移曲線

3.3.2 預制仰拱水平變形

如圖12所示，工況10，預制仰拱整體發生遠離開挖方向的水平位移。工況13，對應位置的預制仰拱向掌子面移動了0.338 mm。工況22，對應位置的預制仰拱向掌子面移動了0.368 mm。工況28，地鐵左右線中心軸線上方預制仰拱均發生了向掌子面方向的移動，最大值為0.473 mm。

圖12 預制仰拱典型階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段預制仰拱中部節點位移隨隧道中心距離繪制點線圖，如圖13所示，工況10，地鐵隧道尚未開挖至盾構隧道明顯影響區域，預制仰拱整體向背離開挖區域移動，工況13，預制仰拱向開挖區域移動，且達到峰值0.282 mm；工況22，預制仰拱向開挖區域移動，且達到峰值0.317 mm；工況28，預制仰拱向背離開挖方向移動，且仰拱中心處的位移達到最大值0.098 mm。

圖13 典型施工階段仰拱水平位移曲線

3.3.3 軌道水平變形

如圖14所示，工況10，高鐵軌道整體發生了遠離開挖方向的水平位移。工況13，對應位置的軌道左右線均向掌子面移動，且左線移動幅度較右線大，移動了0.368 mm。工況22，變形趨勢同工況13，軌道水平移動了0.400 mm。工況28，此時，地鐵左右線中心軸線上方高鐵軌道均發生了向掌子面方向的移動，且左線較明顯，數值最大值為0.210 mm。

圖14 軌道各階段水平位移云圖(單位：m)

選取典型施工階段各股鋼軌水平位移隨盾構隧道中心距離繪制如圖15所示的曲線，工況10，高鐵左右線鋼軌發生了相反方向的運動：左線向開挖方向移動，右線向背離開挖方向移動，且左線移動幅度較大，但數值均小于0.1 mm。工況13，高鐵雙線鋼軌均向開挖區域移動，且左線右股鋼軌達到峰值0.347 mm。工況22，其上方的高鐵軌道向開挖區域移動，且左線右股的水平位移達到峰值0.399 mm。工況28，高鐵雙線鋼軌整體向背離開挖面移動，具體表現不同：高鐵左線鋼軌在距盾構隧道中心左右各10 m附近，水平位移分別達到局部區域的極值，而中部位移相對上一階段保持不變0.142 mm，呈現雙峰形狀；高鐵右線鋼軌在距盾構隧道中心左右各20 m附近及盾構隧道中心處，水平位移分別達到局部區域的極值，且中部水平位移最大為0.143 mm，呈現三峰形狀。

圖15 典型施工階段鋼軌水平位移圖

3.4 模型驗證

3.4.1 清華園盾構隧道自動化監測布置

采用靜力水準傳感器對京張高鐵盾構隧道進行自動化第三方監測復核，分別選取5個斷面。如圖16(a)所示，所在管節編號分別為：環770.環776.環780.環785.環790。基準點布設在環755。

每個隧道斷面左右兩側拱腰處分別布設1個靜力水準傳感器，測點編號如圖16(b)(以環770為例)，電信號采用串聯形式連接。由于洞內無網絡，因此從監測區域內引信號線至2號豎井。因監測區域至洞口處距離為1.5 km，需從基準點引著隧道管節編號環450，布置1個中繼器增強信號，從環450至洞口處，布置1個采集箱，對隧道進行實時自動化監測。

圖16 監測斷面及自動化測點示意

3.4.2 監測數據和數值模擬計算結果對比

提取京張高鐵清華園盾構管片左側監測點數據并與數值模擬結果進行對比，如圖17.圖18所示，盾構管片左測點實際監測數據累計沉降最大值為2.25 mm，施工階段數值模擬最大沉降為2.011 mm，誤差為8.9%，模擬計算結果與監測值較為接近，此外，初始階段都表現出上浮現象，之后階段整體表現出沉降趨勢，證明通過有限元軟件模擬預測管片變形發展規律是可靠的。

圖17 現場監測管片變形曲線

圖18 數值模擬管片變形曲線

4 結論

以北京地鐵12號線大鐘寺站—薊門橋站礦山法隧道區間下穿京張高鐵清華園盾構隧道為背景，利用ABAQUS有限元軟件模擬區間施工過程對既有隧道影響，并結合現場監測數據，分析在超前大管棚和深孔注漿加固下的高鐵盾構隧道.預制仰拱及無砟軌道的變形響應，得到以下結論。

(1)從豎向位移看，工況10，盾構隧道.預制仰拱及軌道結構整體承受豎直向下的均布力，產生了類似梁的撓曲變形。工況13，最值位于右線隧道上方對應的盾構隧道處，呈現單峰，且右線軌道沉降大于左線；工況22，原有最值出現位置保持不變同時數值增大，在左線正上方位置出現了一個小的峰值。工況28，最值位于地鐵左右線中心處。施工完成后在左右隧道的相應位置出現了2個峰值，即“W”形，較前一階段有小幅回落，這是由于兩條沉降曲線疊加的結果。

(2)從水平位移看，預制仰拱中心處的水平位移在工況10.工況13形狀為“幾”字形；而盾構隧道水平直徑處的水平位移形狀表現出類似豎向位移的特點；高鐵右線鋼軌在距盾構隧道中心左右各20 m附近及盾構隧道中心處，水平位移分別達到局部區域的極值，整體呈現三峰形狀。

(3)數值模擬計算結果與監測數據相比誤差為8.9%，驗證了計算結果的相對準確性，可為同類工程提供參考。