天津盾構隧道下穿鐵路對股道沉降的影響及控制技術

高 鵬

（中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855）

1 引言

隨著我國城市軌道交通的發展，地鐵下穿既有火車股道工程日益增多。盾構下穿施工不僅會影響到既有火車周邊附屬建筑物安全，還會引起既有城際鐵路股道的差異沉降；當下穿股道的不均勻沉降或左右軌差異沉降過大時，將對列車行車及乘客生命安全造成嚴重威脅?，F有盾構下穿既有城際鐵路股道的研究大多基于現場監測資料實時分析股道變形規律，在不超過預警值的前提下，制定對盾構下穿工程的相應控制措施[1-2]。研究方法一般可分為理論公式和模型試驗法，理論公式法對現場情況進行較大程度的簡化，往往與實際復雜工況出入較大，尚存局限性；模型試驗法由于其尺寸效應的存在及相關消耗巨大，應用研究較少。

隨著計算機技術的發展，反觀有限元數值模擬不僅能夠考慮實際各類地層性質的影響，且可對盾構掘進過程進行精細化模擬，較為全面地反映地層變形特征與沉降規律；基于此，已有學者得到很多有價值的研究成果[3-4]。馬相峰等[4]基于FLAC3D（美國ITASCA公司開發的仿真計算軟件）分析砂卵石地層注漿加固對雙線盾構下穿鐵路沉降控制的有效性，齊勇等[6]等通過SAP2000研究便梁與注漿加固方案對地鐵盾構機下穿既有城際鐵路的沉降控制效果。

現在，有關地鐵盾構機穿越既有城際鐵路股道的精細化數值模擬仍較少，且往往采用摩爾庫倫本構。本研究以天津地鐵某盾構區間在某既有城際鐵路股道下部穿越作為研究背景，通過Plaxis3D有限元分析軟件精細化建模，采用反映土體掘進卸荷作用的HSS本構模型，研究盾構隧道下穿施工對火車股道的影響，并針對采取樁筏和非樁筏的不同加固舉措對盾構隧道下穿既有城際鐵路股道的不同作用，為類似地鐵下穿既有城際鐵路項目施工提供經驗借鑒。

2 工程概況

天津地鐵某盾構區間隧道呈東西走向，區間隧道呈長條形，沿線不僅具有很多年代久遠的建筑物，而且地下電纜、燃氣等各種管線十分龐雜。盾構區間底板設計標高范圍在3.9～6.4 m之間。區間隧道施工擬選用土壓式平衡盾構，盾構管片材質為鋼筋混凝土預制結構；管片內徑5.4 m，外徑6.0 m，厚度0.3 m。盾構隧道區間最大埋深10.1 m，所處地層為圓礫層。地鐵區間隧道和城際鐵路股道示意圖如圖 1所示。

圖1 區間隧道下穿既有城際鐵路股道平面示意圖

3 數值分析模型的參數設置

3.1 土層分布及材料參數

借助Plaxis 3D對地鐵盾構機從既有城際鐵路鐵軌股道下方穿越情況展開數值模擬分析，通過構建三維有限元數值計算模型，對比分析有無樁筏加固措施對盾構隧道下穿火車股道的影響，在計算時考慮的主要因素如下。

對隧道區間周圍土體構建的三維有限元數值計算模型為硬化本構模型（HSS），具有小應變特性[7]。借助HSS模型能夠比較精準地對盾構隧道下穿引起的沉降進行有效預測，從而對盾構掘進引起的火車股道沉降進行精細化分析。因此，該研究借助HSS模型，利用初始小應變剪切模量G0ref和閾值剪應變γ0.7等關鍵參數，較為具體地反映土體小應變特性[8-10]。土體物理力學參數、小應變參數取值如表 1所示，其他材料參數如表 2所示（注：Embedded Beam為減去土體后有效重度，盾體重度為結構設備等效重度）。

表1 土體物理力學參數

表2 材料參數

本文地下水埋深設置為-5 m，模型土層共計6層，土層序號由上到下①～⑥分別是素填土、粉質黏土、沙土、圓礫等，土層分布及模型縱截面如圖 2所示。為便于分析，3條股道的編號從左至右依次記為1號、2號、3號股道。

圖2 土層分布及模型橫截面示意圖

3.2 模型參數設置

圖 3為三維有限元分析模型。模型按照四面體網格形式展開劃分，網格總計約為9萬個單元，初始應力場為重力場。在管片與土體、盾體和土體間對界面單元進行設置，模擬土體與管片盾體之間產生的相互影響。由于盾構掘進為軸對稱模型，為減少計算時間，取半邊對稱模型進行分析。盾構掘進直徑為6 m，因為地鐵盾構掘進時，通常影響范圍為6～10倍盾構掘進半徑。另外，為全面考慮地鐵盾構區間下穿既有城際鐵路股道全過程沉降變化并降低邊界條件的不良影響，三維有限元分析模型尺寸為23 000 mmh 85 000 mmh 35 000 mm（高h長h寬），模型上表面設置成位移自由形式，側面采取法向位移約束形式，底部對x，y，z三個不同方位的位移同時進行約束。

圖3 三維有限元分析模型

襯砌及盾構機采用板單元模擬，在分析樁筏基礎對盾構掘進引起火車股道沉降的影響時，在實際工況中，樁筏基礎在地面以下建立，筏板借助實體單元形式，x方向長48 m，y方向寬35 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；樁基采用Embedded Beam梁單元，樁長18 m，超隧道拱底6 m，共設置4排樁，每排樁數為6根，樁數共計24根；共取3條股道進行分析，間距為1.5 m。

城際鐵路動車的設計活載借助中國客車標準活載（ZK活載），添加ZK城際鐵路動車的豎向靜力活載。展開模型分析時，對ZK特種活載在路基上方均勻分布的情況進行全面分析，城際鐵路軌道荷載P= 45 kN/m，活載Q= 250/1.6= 156.25 kN/m，另外分布寬度d= 3.2 m；由此計算得到地面承壓大小為q= （P+Q）/d= 62.89 kPa，出于確保安全的考慮，地面施加荷載采取65 kPa的面壓力。

為預測盾構掘進分步施工帶來的股道沉降，對盾體設置面收縮以模擬實際盾體在縱向上的直徑變化，對隧道分步掘進進行模擬分析，每一步施工步距為2.4 m，共計22個掘進步，掘進長度為59 m。隧道掘進先后次序與實際工程次序完全一樣，掘進在時間上不能出現重疊，一直到完工為止。

4 結果與分析

4.1 無樁筏加固股道沉降分析

為消除邊界條件影響，左線盾構一次性掘進7環至始發點x，坐標為-1.25 m，再次掘進5環后位于1號股道正下方，掘進7環后位于2號股道正下方，掘進9環后位于3號股道正下方，終點坐標為34.75 m。為驗證模型，選取左側股道對應監測點位置的左右軌道沉降值，與實際監測值作對比，結果如圖4所示。

圖4 不同掘進面距離下1號股道沉降模擬值與監測值對比

由圖 4可知，股道最大沉降預警值為6 mm，模擬與監測值均未超過該值，且沿左右股道長度方向沉降值曲線走勢與監測值吻合較好；隨著盾構的掘進，模擬值與監測值吻合程度升高。因此，認為所建模型有效。1號股道沉降值隨著盾構推進逐漸增大，最大沉降約4.6 mm，左右軌沉降差最大為0.33 mm，均小于紅色預警值。

不同掘進面距離下2號股道左右軌沉降模擬值如圖 5所示，橫坐標為股道中心線距盾構掘進面距離，縱坐標為股道沉降值，灰色區域表示掘進面未到達股道，因此距離為負，2號股道沉降值隨著盾構的推進逐漸增大，最終穩定在4.8 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.35 mm，兩者均小于6 mm的紅色預警值。

圖5 不同掘進面距離下2號股道左右軌沉降模擬值

不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值如圖 6所示，3號股道沉降值隨著盾構的推進逐漸增大，最終穩定在5.2 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.41 mm，兩者均小于6 mm的紅色預警值。最大沉降隨著股道離盾構掘進面距離的增大而增大，排列順序為3號＞2號＞1號，沉降出現累積增大趨勢。因此，離初始挖開面距離越遠的股道，越需要對其進行可靠的安全性評估，防范工程事故的發生。

圖6 不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值

綜上分析可知，3號股道沉降值最大?；诖?，探討最危險的3號股道在不同掘進面距離下的左右股道長度方向沉降值。其對比曲線如圖 7所示，橫坐標為股道長度方向坐標值，縱坐標為股道沉降值。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現在盾構刀盤正上方即對應股道長度方向x=0m處，約5.3mm。最大差異沉降隨著掘進面的推進先增大后減小，最大值出現在距掘進面0 m左右位置，為0.46 mm，距掘進面12 m后沉降差趨于穩定；出現此現象的原因可能是盾構刀盤正上方對應土體擾動最大。當盾構越過股道后，由于襯砌鋪裝及同步注漿，土體沉降開始減弱，直至趨于穩定。

圖7 不同掘進面距離下沿3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

4.2 有樁筏加固股道沉降分析

為對比盾構隧道下穿火車股道情況下樁伐基礎對股道的保護作用，本節分析在樁筏基礎加固的情況下，沉降最大的3號股道在距掘進面不同距離時的沉降分布規律及差異沉降曲線。除增加樁筏基礎保護外，其他條件均與無樁筏基礎工況一致。

圖 8為3號股道不同掘進面距離下監測點沉降分布，橫坐標為股道距掘進面距離，縱坐標為股道沉降值。左右軌沉降值均隨盾構掘進面的推進先增大后減小，最大沉降值不超過1.4 mm，左右軌最大沉降差為0.081 mm，出現在距掘進面約4.8 m處，該值遠小于未加樁筏基礎情況下的股道沉降值，最大沉降值約為未進行地基加固工況下的1/4左右。

圖8 不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值

圖 9為3號股道在不同掘進面距離下左右股道長度方向的沉降值對比曲線；橫坐標為股道長度方向坐標值，縱坐標為股道沉降值。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現在盾構刀盤正上方即對應股道長度方向x=0 m處，約1.1 mm，且左右軌最大沉降差值也出現在此處，約為0.085 mm，遠遠小于未加固方案。沉降值隨著掘進面的推進逐漸增大，沉降差隨著掘進面的推進先增大后減小，距掘進面12 m后沉降差趨于穩定。

圖9 不同掘進面距離下沿3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

5 結論

根據天津地鐵某區間下穿既有城際鐵路地質資料，選取區間隧道斷面，通過Plaxis 3D建立動態掘進模型，研究盾構隧道下穿既有城際鐵路股道掘進對火車股道的影響，同時分析不同掘進面處、有無樁筏基礎、股道與掘進面不同初始距離影響下股道及左右軌沉降規律，主要結論如下。

（1）股道沉降值隨著盾構掘進面的臨近逐漸增大，而后趨于穩定，同一股道左右軌沉降差值呈先增大后減小的趨勢；無樁筏基礎下最大沉降均值約5.2 mm，采用樁筏基礎后減小為1.4 mm，無樁筏基礎下最大沉降差均值約0.46 mm，采用樁筏基礎后縮小至0.085 mm；

（2）無樁筏基礎時，股道最大沉降隨股道離掘進面初始距離的增大而增大，呈現累積效應；采用樁筏基礎加固后，該值變化微小。由于股道最大沉降出現在隧道掘進面正上方，實際施工時應注意下穿隧道掘進面正上方對應區域股道沉降變化情況，做好相應監測工作。

（3）采用樁筏基礎對火車股道下方土體進行加固可有效減小下穿隧道掘進引起的股道沉降，最大沉降點沉降值可減小約73%，差異沉降可減小約82%。因此，對于土質較差或周邊環境復雜地區，為保證沉降在合理可控范圍內，確保對周邊環境影響最小，可考慮采用樁筏基礎對地基進行加固，從而實現下穿隧道的順利施工及上部股道的安全運營。