盾構隧道工作井施工對既有鐵路影響分析

于旭東，呂媛媛，羅士瑾

（1.舟山市新城公路與運輸管理中心，浙江 舟山 316021；2.杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 310024；3.舟山市鐵路建設中心，浙江 舟山 316021）

伴隨我國軌道交通的快速發展，城市地下工程建設規模越來越大，工程地質條件與周邊環境也愈發復雜。由于復雜的地質條件，在城市軌道交通建設過程中必然會遇到工作井基坑開挖引起周邊既有鐵路沉降的問題，對于工程設計與施工技術提出了更高的挑戰[1-6]。

目前，已有大量國內外專家已深入研究工作井基坑開挖對鄰近隧道的影響。馮國輝等[7]通過有限元模擬與現場實測相結合，驗證了Kerr 地基模型的優越性并獲得隧道縱向變形的解析解。韋宗科等[8]基于小應變硬化模型，針對基坑寬度、隧道拱頂埋深等因素分析隧道隨基坑開挖的變形規律。唐汐[9]提出了一種預測基坑開挖對下臥隧道豎向變形的簡化算法，通過與Winkler、Vlasov 地基模型比較驗證了其準確性。陳仁朋等[10]針對基坑開挖旁側隧道結構橫向內力，提出一種考慮圍護結構的橫向受力理論計算方法，并通過離心機實驗驗證其理論的可靠性。

由于兩湖隧道斷面加寬難度大，三環線工作井的平面位置難以遠離鐵路向南繼續移動，實際工程中將工作井北端墻內壁設置于兩湖隧道銜接三環線地下互通匝道漸變加寬的起點處，為工程設計帶來一定的難度。故本文基于MIDAS 有限元軟件，建立三維精細化工作井－既有鐵路隧道－土體模型，針對基坑開挖引起的土體卸載對鄰近鐵軌的影響開展工作井施工過程數值分析。

1 工程概況

兩湖隧道涉鐵工程由盾構段和明挖段組成，下穿武黃、南環和大花嶺疏解線等鐵路段為盾構法隧道。三環線工作井位于武黃鐵路南側，作為盾構的始發井，起止里程為K14+885～K14+930，基坑長×寬×高分別為45m×29.2m×37.5m。鐵路限界寬約47m，本路線與鐵路交角約61°，工作井靠近鐵軌側的土層依次為黏土夾碎土層、碎塊石夾土層和泥巖層。工作井開挖深度37.5m，與既有軌道距離最近約37m。工作井與既有鐵路平面位置關系見圖1。

圖1 工作井與鐵路平面圖

工作井基坑圍護結構采用1.2m 厚地連墻，底部落入基巖不小于1m，最深處地連墻長70m。由于地連墻落入基巖，施工期采用坑內疏干降水。基坑分10 層開挖，共9 道鋼筋混凝土內支撐。

2 工作井有限元計算

2.1 模型建立

三環線工作井基坑設計深度37.5m，選用《國家行業標準—建筑基坑支護技術規程》進行設計計算。計算斷面為近鐵軌側最長斜撐斷面。

土體采用3D 單元模擬，本構模型采用修正摩爾－庫倫模型。圍護結構地連墻采用SHELL 單元模擬，截面厚度為1.2m；冠梁、內支撐等采用BEAM 單元模擬，采用1m×1m 矩形截面。工作井各構件均為采用C40 混凝土，本構模型為線彈性本構。模型網格劃分及基坑支撐體系如圖2 所示。模型邊界的約束為：對模型四周加法向位移約束，底部水平邊界施加無轉動約束。

圖2 有限元模型

2.2 材料參數

根據 LH4X-ZK135 號與LH4X-ZK148 號鉆孔可得場地各地層物理力學性質指標，土層分層統計結果見表1 所示。

表1 工作井與巖土力學參數建議值

2.3 工作井施工過程模擬

由于MIDAS 軟件內置的“激活”與“鈍化”及“改變屬性”等特殊功能，本文通過設置分步驟激活單元、鈍化單元及改變同一單元在不同分析步下材料屬性來模擬基坑圍護結構的施工以及基坑開挖的過程。數值模擬分析中的施工過程嚴格遵照實際工程的開挖施工步驟進行，具體施工步驟如下：①施作地連墻，激活地連墻板單元；②鈍化上層土體至內支撐標高以下0.5 米，施作冠梁及第一道混凝土支撐；③分步鈍化下層土體、激活對應的圍檁及砼支撐，隨挖隨撐；④開挖至基坑底部，為最不利工況。

3 計算結果分析

3.1 既有路基整體位移分析

路基整體沉降云圖如圖3 所示，從圖中可以看出，工作井開挖到底后，路基整體變形最大出現在距離工作井最近處，豎向最大沉降為1.37mm，水平位移沉降為0.85mm，路基變形呈現 “U”型分布。

圖3 既有軌道路基位移

3.2 工作井地連墻位移分析

提取工作井開挖至底部時地連墻位移云圖，觀察圖4 可知，當工作井開挖至坑底后，地連墻最大水平位移為16.7mm，方向為負，指向坑內；與明挖基坑相連側最大位移62.7mm，方向為正，指向坑內。最大水平位移均發生在地連墻接近地表處，在實際施工中需要對該位置著重加固。

圖4 地連墻Y 向水平位移

3.3 既有軌道位移分析

提取工作井開挖至底部時，既有軌道位移云圖如圖5 所示。觀察上圖可以發現，由于受三環線工作井基坑開挖卸載影響，當工作井開挖到底后，距離基坑最近的牽出線軌道發生了最大位移，其中最大豎向位移為0.85mm，道岔處最大沉降0.15mm。既有軌道牽出線最大水平位移為0.53mm，道岔處最大水平位移為0.13mm。既有軌道變形規律呈從工作井最近處往兩側位移不斷減小的“U”型分布。

圖5 既有軌道位移

3.4 接觸網柱位移分析

提取工作井開挖至底部時接觸網柱位移云圖如圖6所示，受三環線工作井基坑開挖卸載影響，工作井開挖到底后，距離基坑最近的72#接觸網柱位移值最大，最大豎向位移為0.57mm，Y 向最大水平位移為0.39mm，沿線路方向最大水平位移為0.07mm。接觸網柱整體向工作井側發生傾斜。

圖6 接觸網柱位移

4 結論

根據上述有限元計算結果，可得出以下結論：

（1）既有鐵路軌面沉降值最大值為0.852mm，道岔處最大沉降值為0.15mm，小于控制值5mm；

（2）工作井施工完成后，軌道的前后+高低差最大為0.752 mm，小于5mm 控制標準；接觸網立柱兩相鄰懸掛點等高相對差最大值0.39mm，小于控制值10mm；

（3）工作井開挖至坑底后，地連墻最大位移為16.7mm，滿足一級基坑支護結構水平位移30mm 的限值要求。