盾構隧道小角度斜交穿越鐵路路基變形影響規律分析

楊三資

（1、北京市基礎設施投資有限公司，北京 100101 2、紹興京越地鐵有限公司，浙江 紹興 312016）

近年來，我國的城市軌道交通建設發展迅速，盾構隧道工程已經十分普及，但也面臨著越來越復雜的施工環境。盾構隧道施工不可避免地對周邊地層產生擾動，當下穿鐵路碎石道床時，將使道床以及周圍地面產生沉降，甚至影響鐵路正常運營。

目前，針對盾構隧道穿越鐵路已經展開了一定程度的研究。馬健等[1]以杭州4 號線盾構下穿既有地鐵1 號線為依托，分析了盾構隧道掘進參數對既有隧道豎向變形的影響規律；曾鐵梅等[2]以武漢某地鐵盾構隧道為例，研究了地鐵盾構隧道對地表線路的影響；程巧建[3]通過對廈門地鐵二號線穿越工程仿真模擬以及監測數據分析，研究得出了盾構下穿高速鐵路路基以及軌道變形影響的時空分布規律；杜明芳等[4]通過有限元軟件分析不同角度穿越（18°，36°，54°，72°，90°）發現了穿越角度不同對路軌的影響有著巨大的影響。

目前，很多學者研究了盾構隧道與既有構筑物在不同相對位置大角度（下穿、上穿、平行、垂直）對既有構筑物變形的影響規律，但對盾構隧道小角度穿越既有地面線路研究較少。

在地鐵16 號線穿越工程中，盾構隧道共下穿5 條鐵路線路，兩條為過渡京滬鐵路，兩條為過渡永豐鐵路，一條為過渡材料線，5 條線路均為有砟道床，設計速度80km/h，下穿角度為11.5°～17.5°，下穿風險大，有必要對鐵路路基以及地面沉降進行嚴密監測。本文依托此工程，結合數值模擬與現場監測，重點研究小角度穿越時對鐵路路基以及地面的影響，為今后類似工程提供重要借鑒。

1 工程概況

新建盾構隧道與既有鐵路總平面位置關系如圖1 所示。

圖1 工程位置關系總平面圖

地鐵區間穿越深度為地面下約16m。本段區間采用盾構法施工，隧道外徑3.20m，隧道內徑2.90m，管片寬度1.2m，管片厚度0.3m，左右線間距約為18.2m～21.2m。工程剖面位置關系如圖2 所示。

圖2 工程位置關系剖面圖

2 工程地質與水文情況

2.1 場地地層分布

該地區涉及勘探鉆孔最大深度為54.00m。按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學性質對地層進行劃分，共劃分為4 個大層，地層力學性質如表1 所示。盾構施工處于細砂層與砂卵石層，大部分位于卵石層。鐵路路基下約有5m 的雜填土層，土質穩定性較差。

2.2 區間場地水位情況

根據勘察資料，豐益橋南站路～豐臺站區間施工階段水位位于北京高程22.2～25.5m（自東向西逐步升高）。

3 仿真模擬

為計算盾構施工對鐵路路基的沉降影響，采用Ansys 有限元軟件模擬小角度盾構隧道穿越后地表以及鐵路路基沉降。

3.1 有限元仿真模擬

本文采用Ansys 有限元軟件模擬盾構隧道穿越工程，為使模擬結果跟接近實際情況，建模范圍取垂直于線路方向結構外緣兩側各約5D（D 為隧道結構外徑）[5-6]，豎直方向結構覆土根據實際情況取值，結構底部以下大于5D，因此模型尺寸為600m×200m×50m，地應力場按自重應力場分析。鐵路路基軌道斷面采用標準斷面，隧道襯砌管片采用Ansys 中的Shell163 單元模擬，土體以及道床采用Solid45 單元模擬，符合Drucker-Prager 準則。模型中土層參數參見表1。

表1 地層物理力學參數

盾構機頂推力設置為300kN/m2，注漿壓力設置為200kN/m2。有限元三維模型以及結構位置如圖3 所示。盾構管片以及既有鐵路路基參數見表2。

圖3 有限元三維模型示意圖

表2 盾構管片、既有鐵路路基物理力學參數

3.2 工況分析

Ansys 對于盾構隧道施工過程的模擬，可以采用單元逐次“激活”與“鈍化”的方式進行，對盾構隧道開挖通過下列步驟進行[5]，第一步,鈍化第一部分盾構隧道單元，添加掘進壓力；第二步，鈍化第二部分盾構隧道單元，激活第一部分盾構隧道的管片和襯砌，并施加掘進壓力和注漿壓力；第三步，鈍化第三部分盾構隧道單元，激活第二部分盾構隧道的管片和襯砌，并施加掘金壓力和注漿壓力。左右盾構隧道都按照該步驟進行模擬開挖，先進行右線開挖模擬，開挖完成后進行左線開挖模擬。

4 仿真模擬結果

通過對Ansys 有限元軟件的仿真模擬，可以得到如圖4 的數值模擬結果。

圖4 有限元軟件沉降位移云圖

雙線穿越后軟件計算的地面累計最大變形量達到-2.38mm，軌道路基累計沉降變形量達到-2.27mm。且根據有限元計算結果可得盾構隧道穿越時軌道路基最大沉降位置為隧道與軌道路基交叉區域。

同時根據有限元計算結果，可以得到隨隧道推進時鐵路路基以及地面最大沉降變化趨勢，圖5 表示鐵路路基最大沉降隨隧道推進時的變化，左右線隧道推進各劃分為7 個階段。右線推進時路基以及地面沉降均大于左線推進時的沉降，且盾構右線或左線穿越時垂直下穿所造成的既有軌道沉降最大，垂直下穿沉降量占全部沉降量的29.4%。

圖5 鐵路路基以及地面最大沉降變化示意圖

5 監測方案

為了研究盾構隧道小角度穿越時對地面既有線路基沉降的影響，確定本次監測的主要內容為鐵路運營線路變形、周邊地表沉降監測以及監測。同時鑒于鐵路運營線路路基沉降的人工監測頻率較低，且容易受到行車影響，為了更好的反映出穿越期間的線路變化情況，增加對鐵路路基進行24 小時不間斷自動化監測。

監測項目主要包括以下四個方面：（1）影響范圍內地表沉降人工監測；（2）鐵路路基沉降人工監測；（3）鐵路路基沉降自動化監測；（4）接觸網桿沉降。

本項目采用基于液位測量的沉降變形自動監測系統。自動化監測點沿鐵路安全護欄敷設，采用底座及調節支架安裝固定，導線、聯通液管、通信線纜采用PVC 套管進行保護，該系統監測原理是根據連通管的差壓進行測量，在墩臺某一固定基準點處設置基準點傳感器和設備箱（含儲液罐、電池、采集設備、無線傳輸設備），各測量點傳感器固定于被測結構上且通過柔性連通管和數據線與基準點相連接；當結構發生沉降變形時，結構上的測量點傳感器自動測量、采集高程變化，將數據通過設備箱傳輸至數據中心。

該監測系統測試量程1～200mm，最大允許誤差（精度）±0.1mm，適用溫度范圍-30℃～+40℃。在監測范圍內,沿既有鐵路兩側及兩股線路中間,平行于軌道布設測線,測點布置在既有鐵路路基上,遠離盾構穿越位置處每8～10m 布置一個測點,盾構穿越處測點加密,每3～5m 布置一個測點。共布設30 個路基自動化沉降測點，自動化監測點布置圖如圖6 所示。

圖6 路基沉降自動化監測點布置示意圖

6 監測數據結果

穿越期間既有線路基沉降人工監測累計變形為-1.9mm，路基沉降自動化監測累計變形為-2.64mm，接觸網桿沉降累計變形為-1.2mm。盾構穿越施工引起既有結構整體趨勢呈沉降趨勢，其中自動化監測時程曲線如圖7 所示。穿越工程中由于盾構機頂推力的存在，路基以及地表皆存在盾構初期抬升上升的現象，抬升幅度最大為1.25mm，隨著時間推移，路基與地面開始沉降，地表人工監測顯示地表沉降自穿越開始10 天左右穩定，路基沉降人工監測以及路基自動化監測顯示路基沉降自穿越開始8 天左右穩定，由于有砟軌道的材料特性以及其采取了相應的抗沉降措施，路基的變形比地表先穩定。

圖7 路基沉降自動化監測曲線圖

將Ansys 計算結果與實際測量沉降值進行比較，發現有限元計算所得的沉降趨勢以及最大沉降量均與實測監測值相吻合，有限元計算結果符合實際，可以通過有限元模型以及實測數據相結合的方式來研究小角度穿越工程對路基的影響。

提取盾構下穿施工結束后路基沉降自動化監測點（ZDH1-1～ZDH1～10、ZDH2-1～ZDH2-10、ZDH3-1～ZDH3-10）的沉降值，如圖8 所示。內側路基也就是下行京滬線與下行永豐線之間的沉降最大，整體沉降的擬合曲線呈V 型，由散點圖可以發現雙盾構中心線處的沉降較其兩側的沉降略小。

圖8 下穿后路基沉降自動化監測變化示意圖

7 結論

結合有限元軟件以及相關的監測數據，分析了小角度穿越時對鐵路路基的影響規律，得到了以下的結論：

7.1 由有限元計算可以發現小角度雙線盾構隧道穿越時沉降會產生疊加效應，該工程中右線穿越時最大沉降為-1.86mm，之后盾構左線穿越時最大沉降達到-2.38mm，沉降出現了疊加現象。不管盾構右線還是左線穿越時，垂直下穿的沉降量最大。

7.2 由仿真模擬結果以及監測數據可以發現，雙線盾構隧道穿越時的影響范圍呈帶狀分布，并且越靠近盾構隧道中心線沉降值越大，但由于雙線隧道的相互影響，中心線處沉降值并非最大，隧道穿越時對既有線路基影響最大為內側路基（該工程中的永豐線上下行），路基監測要加強對該區域的監測，必要時可采取相應措施來減少路基沉降。

7.3 由于盾構頂推力的存在，盾構穿越初期會出現路基抬升的現象，對于鐵路路基而言，抬升也會影響線路的平順性，在穿越初期應加強對路基抬升的監測，必要時應該采取一定的措施來保證鐵路路基的平順性。

7.4 由路基沉降自動化監測數據可以發現，小角度構穿越時沉降最大區域位于路基以及盾構隧道交叉區域，由仿真模擬結果中也可以發現該區域的沉降最大，未來面對小角度穿越工程時應對該區域加強關注，在該區域采取必要的減小沉降的措施，來保證穿越工程的安全可靠。