地鐵隧道下穿既有鐵路箱涵影響分析

張曉濤

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

隨著城市軌道交通的發展，地鐵隧道施工穿越鐵路構筑物的工程實例越來越多，下穿的構筑物條件環境越來越復雜，危險也隨之增大。綜合分析國內各成功案例可發現幾類工程：①盾構隧道下穿鐵路線路路基，多以預注漿加固路基、鋼結構架空加固鐵道降低影響；②盾構隧道下穿大跨徑鐵路橋梁，隧道距離鐵路橋樁臺較遠；③暗挖法施工隧道近距離下穿鐵路橋梁。而關于盾構隧道近距離下穿鐵路橋涵的成功案例較少。本文結合洛陽地鐵工程實例，利用有限元數值模擬的方法分析盾構隧道下穿既有鐵路箱涵的影響規律。

1 工程概況

洛陽市軌道交通1號線啟明南路站～塔灣站區間隧道設計為兩分離盾構法隧道，區間于CK20+600.00附近下穿焦柳鐵路，與鐵路線路的夾角約83°。其中焦柳鐵路框構橋處區間結構以上覆土約5.1m，水位深約12m。盾構區間與鐵路軌面豎向凈距約19.7m，與焦柳鐵路框構橋工程樁水平凈距最近約為4.06m，豎向凈距約5.1m。區間穿越的地層主要有黃土狀粉質黏土、細砂、卵石地層等。地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于卵石層中，埋深為9.2～13.1m。

2 模型設置

2.1 模型計算基本假定

（1）假設土體已經進行降水處理，不考慮滲流對開挖的影響，管片、注漿層和土體接觸緊密，無縫隙[1]。

（2）假設同種材料、同一土層均視為各向同性且質量均勻，且假設土為彈塑性關系材料，管片襯砌以及注漿層為彈性關系材料。

（3）土體模型采用DP屈服準則。

（4）初始應力分析階段只考慮土體自重對隧道開挖的影響，不考慮雙線隧道在開挖過程中施工對土體工程性能的影響[2]。

2.2 計算模型及邊界條件

根據區間隧道與鐵路相互關系建立數值計算模型，模型邊界尺寸橫向x為100m，豎向y為50.7m，縱向z為60m。模型中盾構管片及注漿參數以實際工程數據為準，管片外徑6.2m，內徑5.5m，厚度0.35 m，環寬1.5m，注漿層0.2m，隧道埋深6.2m。

模型邊界條件：對隧道軸線方向，模型前后兩面邊界施加縱向水平約束；對隧道橫向方向，模型左右兩面邊界施加橫向水平約束；對模型底面邊界施加豎向約束[3]。

2.3 地層、材料參數

根據啟塔區間土體的地質特點，建模過程中將其分為五個均勻土層[4]。在計算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性關系材料[5]，參數參見《洛陽市軌道交通1號線啟明南路站～塔灣站區間詳細勘察階段巖土參數建議值表》進行分析確定，取值見表1。

表1 土層及結構物理力學參數

2.4 開挖過程模擬

利用開挖面與盾尾之間的注漿層單元模擬盾構機盾殼，模擬過程中盾構機每一步推進兩個管片環寬[6]。具體實現方法為：

（1）開挖一個管片寬長度的隧道土體；

（2）賦予盾殼力學參數，模擬盾構機對周圍土體的支撐作用；

（3）給開挖面施加土倉壓力保持開挖面的穩定平衡，盾構機推進，直到盾體全部進入隧道。

用開挖步循環模擬盾構隧道開挖過程，計算每一步內土體、注漿層、管片系統的應力、應變，最后得到土層、管片的位移、應力等重要數據分析邊界條件的影響。同時，開挖方向上設定一環襯砌長度為1.5m，每襯砌2環為一個計算開挖步。

2.5 選取計算分析斷面

為了準確得到洛陽市軌道交通1號線啟明南路站～塔灣站區間隧道的地表沉降特性以及施工對既有1號線的影響，選取4個典型觀測斷面，其中橫、縱分析斷面的具體分布位置如圖1所示。

圖1 監測斷面布置示意圖

3 啟塔區間施工擾動特性分析

3.1 啟塔區間施工全過程地表監測沉降分析

為了進一步研究啟塔區間雙線隧道開挖地表縱橫向沉降特性，整理各監測斷面在關鍵掘進距離下的沉降值，繪制監測斷面在不同掘進距離下的變化曲線，圖2和圖3分別是左線、右線隧道中心線監測斷面在不同掘進距離下的沉降變化曲線。

圖2 左線隧道中心線豎向沉降曲線

圖3 右線隧道中心線豎向沉降曲線

由圖2可知，隨著左線掘進距離的推進，位于左線正上方的隧道中心線監測斷面上各監測點沉降值出現差異，但整體變化趨勢相似。在左線開挖過程中，隨著掘進距離的推進，位于掘進已完成的隧道正上方監測點均出現大量沉降，位于未開挖完成的隧道上端監測點則出現一定程度的隆起，隆起量在1.5mm以內。如圖中左線隧道開挖30m時，在Z坐標30m～-5m范圍內均表現出沉降，在-5m～-15m范圍內則出現了1mm左右的隆起，在-15m～-30m幾乎沒有豎向沉降，可以視為對其影響較小。同時，待左線貫通時該監測斷面的監測點沉降值達到最大，最大沉降值出現在該監測斷面中部位置的監測點，為9.671mm。在此之后，隨著右線隧道的開挖，由于地層上隆的疊加，左線中心線監測斷面的各監測點沉降逐漸減小，減小的量值隨著右線開挖的部位不同而有所差異，該監測斷面的最大沉降量仍然位于左線隧道中間部位的正上方，待雙線貫通后，該監測斷面的最大沉降值為7.173mm。由此可知，啟塔區間右線的開挖使得縱向監測點上隆了2.498mm，占雙線隧道開挖影響的25.83%，因此，左線的開挖對該監測斷面的影響十分明顯，但也不能忽略右線開挖的影響，在隧道施工過程中應加強對該段左線隧道中心線的監測。

由圖3可知，右線隧道監測點的變化歷程與左線隧道監測點類似，整個過程的變化規律也有相同之處。在隧道左線開挖過程中，位于右線隧道上方的監測斷面產生較小上隆，隨著掘進距離的推進，監測段上隆量值逐漸增大，隨著開挖部位的不同而出現監測點的不均勻上隆。當左線開挖至18m時，監測斷面x=15m～5m的變化率逐漸減小，表明在左線開挖18m處對區域15m～5m的影響最大。在左線貫通后，該監測斷面的上隆量最大，達到2.262mm。隨著右線開挖的進行，右線隧道中心線各監測點變化與左線監測點變化類似，其中位于掘進已完成的隧道正上方監測點均出現大量沉降，位于未開挖完成的隧道上端監測點則出現一定程度的隆起。雙線隧道貫通后，各監測點的沉降趨于穩定，最大沉降值出現在監測斷面中間部位，量值達到7.173mm。由此可知，啟塔區間右線開挖使得右線監測點的最大沉降增加了9.435mm，占雙線隧道開挖影響的76.02%，因此，右線監測斷面受右線隧道開挖影響較大，在新建隧道的施工過程中，要加強左右中心線監測斷面的監測。

圖4、圖5為橫向監測斷面1和橫向監測斷面2在不同掘進距離下的沉降變化曲線。

圖4 橫向監測斷面1豎向沉降曲線

圖5 橫向監測斷面2豎向沉降曲線

從圖4可知，隨著開挖面的前移，出現顯著的時空效應，地表土體豎向沉降最大值逐漸增加。盾構開挖面到達橫向監測斷面1，該處地表產生沉降，隨著盾構開挖面推進，沉降趨于穩定，沉降區域為左線隧道上方地表處，左線開挖時地表沉降分布形態呈“U”型，地表最大沉降9.250mm，位于左線隧道中心的正上方。盾尾脫出測線所在橫斷面后，地表以左線隧道中心線為軸線產生對稱分布的沉降槽，隨著盾構不斷推進，沉降槽逐步加寬加深，并在盾構完全穿越路基后趨于穩定[7]。

隨著右線盾構臨近分析斷面1，地表豎向位移表現為隆起的趨勢。隨著右線盾構穿越鐵路框架箱涵，最大沉降值點由左線隧道中心線逐漸移動到兩線中間線附近，且在左右線中間線附近匯聚形成更大更深的沉降槽。左線盾構隧道拱頂上方地表沉降值最大為6.241mm，小于地表沉降控制值30mm，滿足施工安全要求。

僅左線開挖時地表沉降呈“U”型分布，左右線開挖完成后地表沉降變為“W”型。從總體分析，雙線隧道開挖橫向監測斷面的主要沉降區域位于-30m～30m處，在施工過程中應作為主要監測區域。

由圖5可知，橫向監測斷面2與監測斷面1的變化歷程相同。

3.2 鐵路樁基及框架箱涵變形分析

3.2.1 鐵路框架箱涵變形分析

地鐵盾構區間隧道的施工過程對既有框架涵結構產生一定的附加變形，分析典型步序下框架涵結構的豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 典型開挖步序下框架涵豎向位移云圖

從圖6a）可以看出，左線隧道開挖過程中，框架涵受影響產生了豎向位移，當盾構開挖至30m時，框架箱涵已經產生了豎向沉降，其左側框架底部出現豎向位移，量值達到10.208mm。

隨著盾構掘進地層損失的疊加，開挖過程中框架涵的最大沉降不斷減小，左線貫通后隧道中心線上方箱涵底板處最大沉降9.872mm。右線盾構下穿框架箱涵時，最大豎向沉降變形值為9.503mm，隨盾構掘進地層損失的疊加，右線貫通后最終沉降值為7.349mm。最大變形部位位于左側框架的底板處，框架箱涵結構受盾構施工影響范圍增大[8]。

3.2.2 鐵路樁基變形分析

地鐵盾構區間隧道的施工過程對鐵路樁基產生一定的附加變形，分析典型步序下各樁基的豎向變形，樁基在典型開挖步序下的豎向位移云圖如圖7所示。

圖7 典型開挖步序下樁基豎向位移云圖

從圖7可以看出，在左線隧道開挖過程中，路基產生了豎向位移，當盾構左線掘進30m時，距離左線最近的樁基受到的影響最大，其最大上隆量為3.065mm，其余樁基隨距離增加影響減小。左線貫通后樁基的最大上隆量為3.470mm，最大上隆量位于最靠近左線的樁基底部，各樁基豎向位移的差異沉降為3.125mm。雙線貫通后樁基最大上隆量達到4.282mm，各樁基豎向位移的差異沉降為2.607mm。最大變形部位在最靠近兩隧道的樁基底部[9]。

4 結論與建議

（1）盾構掘進對地表沉降的影響范圍主要分布在雙線隧道中間位置兩側的一定范圍內，單線貫通路基沉降形態呈“單谷曲線”，雙線貫通后，路基沉降呈“雙谷曲線”；最大沉降位置均在隧道中心軸線正上方。路基沉降隨隧道埋深增大呈“單谷曲線”，最大沉降移至雙線中間位置[10]。

（2）盾構掘進對框架箱涵的影響主要在掘進隧道的中心線位置，隨著隧道掘進地層損失疊加，沉降值減小，雙線貫通后影響范圍將擴大。

（3）盾構掘進對樁基結構物的影響也隨著樁基與隧道距離的減小逐漸增大，隧道的埋深未超出樁基深度，盾構的掘進對樁底豎向位移、不均勻變形等方面存在較大影響。

建議在盾構掘進到鐵路箱涵時對相關構筑物及周邊地層進行加固，可對控制隧道開挖引起的地表沉降、上部橋梁等結構物變形產生重要作用。