地鐵盾構隧道下穿對高鐵路基股道群變形的影響研究

李鴻博

摘 要：以合肥軌道交通某線區間隧道下穿合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線為工程背景，采用Midas GTS建立三維模型模擬實際工況，在分析上下疊落式盾構隧道穿越時鐵軌變形規律的基礎上，對比研究地層未加固與預加固兩種方案。研究表明：在未加固方案下，鐵軌最大沉降和水平位移分別為6.03mm、1.25mm，在預加固方案下，鐵軌最大沉降和水平位移分別為3.35mm、0.70mm，即地層預加固可有效減小盾構下穿對鐵軌變形的影響。

關鍵詞：盾構隧道數值模擬注漿加固路基鐵軌變形

中圖分類號： U458.1 ? ?文獻標識碼：A

Study on Influence of Tracks Deformation Caused by Shield Tunnel Crossing under High-Speed Railway Subgrade

LI Hongbo

（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.， Wuhan，Hubei Province，430063 China）

Abstract：Taking one line of Hefei Rail Transit passing under railways of the Hefei-Wuhan Line、the Taodong Line and the Power Plant Special Lineas project background， Midas GTS was used to establish a three-dimensional numerical model to simulate actual working conditions. Based on the analysis of the rule of railway subgrade deformation caused by over-lapped shield tunnel crossing， a comparative study was made on the use or absence of stratum reinforcement. Studies have shown that： in the non-reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 6.03mm and 1.25mm; in the reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 3.35mm and 0.70mm. That is， the pre-reinforcement of the ground can effectively reduce the influence of the shield tunnel on the deformation of the rail.

Key Words： Shield tunnel; Numerical simulation; Grouting reinforcement; Subgrade; Rail deformation

如今軌道交通飛速發展，其線網輻射范圍及敷設密度日益增大，與既有高鐵路網相交難以避免，時常出現地鐵隧道下穿運營鐵路的情況，而在確保既有鐵路安全運營的前提下，完成地鐵隧道順利穿越通常是地鐵工程建設過程中的重難點及咽喉點。

張憶[1]以武漢兩湖隧道工程為背景，對15.5m大盾構直徑下穿6條鐵路線進行了三維數值模擬，對盾構隧道下穿過程中路基及接觸網立柱的沉降特點進行分析;李圍等[2]以深圳地鐵7號線為背景，根據實際監測數據，對重疊盾構隧道下穿26條高鐵股道群產生的地表沉降進行分析，驗證了軌道支撐、路基加固、隧道內支撐多重加固體系對軌道路基變形控制的可靠性和實用性;孫連勇等[3]采用Abaqus軟件對地鐵盾構隧道下穿兩條相互平行的膠濟鐵路路基段、膠濟鐵路客運專線橋梁段進行數值模擬，分析加固與不加固兩種工況下路基及橋墩的沉降變形，肯定了鉆孔灌注樁加固方案對控制變形的積極作用。

目前關于盾構隧道穿越鐵路已有大量文獻研究，但對上下疊落式地鐵隧道在不同穿越階段對鐵路路基鋼軌變形影響的規律性研究還較為欠缺。本文運用三維有限元軟件Midas GTS進行數值模擬，分析在盾構隧道不同工況、不同施工方案情況下鐵路軌道的變形規律。

1 ?工程概況

1.1 ?區間隧道與鐵路相互關系

區間采用盾構法施工，由北向南先后掘進右線、左線，隧道襯砌為外徑6.2m、內徑5.5m、厚度0.35m的C50鋼筋混凝土預制管片。

平面上，區間隧道依次下穿電廠專用線、合武上行線、桃東上行線、桃東下行線、合武下行線路基段。剖面上，區間隧道呈左線在上、右線在下疊落式分布，兩者豎向凈距約5.16～5.29m。下穿鐵路段：左、右線隧道縱坡分別為7.8‰、5.0‰，左、右線隧道覆蓋層厚度分別為18.01～18.35m、29.45～29.72m。

區間與鐵路的平、剖面位置關系見圖1、圖2。

1.2 ?工程地質條件

本區間所在地貌為二級階地，地形平緩開闊，自然坡度約3°～5°，絕對標高在23～32m之間。

擬建工程范圍內無地表水，地下水主要為上層滯水、微承壓水、基巖孔隙水、裂隙水。上層滯水主要賦存于人工填土中，水量微弱，分布不連續;承壓水主要賦存于粉土、粉砂;基巖孔隙水主要分布在全風化泥質砂巖中;基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中風化帶中。

根據該地鐵區間地質勘察報告，地層相關物理力學參數見表1。

1.3 ?方案比選

地鐵穿越鐵路時為控制鐵軌變形，可采取的主動保護措施[4-6]有：地面注漿加固、D型便梁加固、管棚注漿加固、混凝土隔板+隔離樁等。

考慮到本區間左線隧道部分位于物理力學性質較差的粉土、粉砂層，不利于盾構穿越時的地面變形控制，易造成鐵軌產生較大變形，影響鐵路行車安全或速度。現對兩種施工方案進行比選：方案一，對局部地層范圍（左線隧道結構外各3m范圍）采取地面袖閥管注漿加固措施;方案二，不采取地層預加固措施。

2 ?三維數值模擬

2.1 ?模型建立

本文采用有限元軟件Midas GTS完成模型建立、網格劃分、計算分析的全過程。

根據圣維南原理，為減小邊界效應，隧道結構外左右兩側范圍宜大于5倍洞徑。設X軸為隧道橫向，Y軸為隧道縱向，Z軸為隧道深度方向，沿隧道橫向取66m，沿隧道縱向取100m，沿隧深度取60m，故巖土體的模型尺寸為：66m×100m×60m，三維數值模型共有單元數20145個，節點數28492個，詳見圖3。

2.2 ?參數選擇

建模時，地層采用實體單元，材料為摩爾庫倫本構，地層參數根據地勘報告取值;管片采用板單元，材料為彈性本構;鐵軌采用梁單元，材料為彈性本構。鋼軌及隧道支護結構參數取值見表2。

2.3 ?施工階段模擬

為分析盾構隧道掘進過程中既有高鐵軌道變形的影響規律，現模擬開挖過程中16個特征性工況，詳見表3。

3 ?計算結果分析

3.1 ?鐵軌豎向位移

在16個盾構掘進工況下，對地層加固與不加固兩種施工方案分別進行模擬，分析合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線5條鐵路股道群的豎向位移及豎向位移速率的變化規律，如圖4、圖5所示。

由圖4可知：在工況1～工況8，即右線隧道開始掘進至貫通，鐵軌沉降以較慢速率增長，有加固和未加固方案下鐵軌沉降量分別為0.76mm、0.93mm;在工況9～工況16，即左線隧道開始掘進至貫通，鐵軌沉降以較快速率增長，有加固和未加固方案下鐵軌最終沉降量分別為3.35mm、6.03mm。

由圖5可知：在工況1～工況8，各線鐵軌沉降速率較小，均小于0.20mm/d;在工況9～工況16，各線鐵軌沉降速率明顯增大，有加固和未加固方案下最大沉降速率分別為0.41～0.68mm/d、0.83～1.34mm/d，且均出現在左線隧道掘進至鐵軌正下方時。

3.2 ?鐵軌水平位移

在16個盾構掘進工況下，對地層加固與不加固兩種施工方案分別進行模擬，分析合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線5條鐵路股道群的水平位移及水平位移速率的變化規律，如圖6、圖7所示。

由圖6可知：在工況1～工況8，鐵軌水平位移波動幅度較小，有加固和未加固方案下鐵軌水平位移范圍相近，約為-0.04～0.22mm;在工況9～工況16，鐵軌水平位移波動幅度較大，有加固和未加固方案下鐵軌水平位移范圍分別約為-0.18～0.70mm，-0.39～1.25mm。

由圖7可知：在工況1～工況8，各線鐵軌水平位移變化速率較小，均小于0.06mm/d;在工況9～工況16，各線鐵軌水平位移變化速率明顯增大，有加固和未加固方案下水平位移變化速率在-0.26～0.20mm/d、-0.39～0.35mm/d范圍波動。

4結語

（1）在地層未加固方案下，右線隧道掘進后鐵軌產生的沉降增量為0.93mm，水平位移增量為0.22mm，約占總量的15.4%、17.6%;左線隧道掘進后鐵軌產生的沉降增量為5.10mm，水平位移增量為1.03mm，約占總量的84.6%、82.4%。

（2）在地層預加固方案下，右線隧道掘進后鐵軌產生的沉降增量為0.76mm，水平位移增量為0.21mm，約占總量的22.7%、30.0%;左線隧道掘進后產生的沉降增量為2.59mm，水平位移增量為0.49mm，約占總量的77.3%、70.0%。

（3）地層預加固可有效控制盾構隧道穿越對鐵軌變形的影響。未加固方案下，鐵軌的最大沉降、最大水平位移約為6.03mm、1.25mm;加固方案下，鐵軌的最大沉降、最大水平位移約為3.35mm、0.70mm，分別減少44.4%、44.0%。

（4）本工程案例中，位于中風化巖層的右線隧道掘進對鐵軌變形影響較小，位于粉土、粉砂層的左線隧道掘進對鐵軌變形影響較大;鐵軌沉降及水平位移的突變點基本都出現在隧道下穿該鐵軌正下方工況。

參考文獻

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