盾構隧道下穿鐵路施工誘發地層變形特征分析

鄧曉飛 解冰冰

隨著城市軌道交通工程的快速發展，盾構隧道施工不可避免的需要穿越既有建筑物，降低盾構穿越施工引起的地層響應，對維持既有建筑物的穩定至關重要。本文依托合肥地鐵2號線盾構隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件，分析了盾構隧道下穿鐵路路基引起的地層變形特征，提出了相應的地表沉降控制方法，研究成果可為相關工程提供借鑒。

隨著我國城市建設水平的快速推進，城市軌道交通扮演著越來越重要的角色，而盾構法廣泛應用于相關隧道工程的修建。隨著地表建筑物數量日益增多，盾構隧道近距下穿既有建筑物的情況不可避免，而掘進施工誘發的地表沉降對既有結構影響顯著。因此，準確評估盾構下穿施工引起的地層變形規律，提出相應的控制措施，能夠有效降低施工擾動對既有結構的影響。

本研究以合肥地鐵2號線盾構隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程為依托，采用MIDAS-GTS軟件，建立三維有限元模型，分析盾構下穿鐵路施工引起的地層變形規律，并改進peck沉降計算公式，研究成果可為相關工程提供參考依據。

一、工程概況

1.下穿區間

合肥地鐵2號線東延線工程于三十埠站至護城路站區間隧道下穿三十埠跨淮南鐵路橋和淮南線與合寧繞行線鐵路路基。區間縱斷面整體呈V型坡，出三十埠站后設4段下坡，分別為28‰、5‰、20‰、5‰，到達線路最低點；之后設置3段上坡，分別為3.66‰、15‰、25‰，進入護城路站。穿越地層主要為不透水硬塑狀黏土層。

區間線路長1841.943m（右線），線間距10～28米，隧道埋深約9.6～28m。隧道整體采用盾構法施工。

2.隧道位置關系

區間盾構隧道下穿鐵路路基的位置關系如圖1所示，地鐵區間線路為東西走向，鐵路為西北-東南走向，區間隧道與鐵路法線夾角約43°。在下穿范圍內，地鐵左右線的線間距約為10m，隧道與路基豎向距離24.3m。

圖1 道岔與區間隧道相對位置圖

3.水文地質條件

盾構隧道主要穿越土層為少水硬塑狀黏土，層位穩定，連續，層厚較大，一般厚30～35m。

4.隧道結構尺寸

盾構圓形隧道限界為Φ5400mm，根據國內相似地鐵工程盾構隧道穿過軟弱地層已有的設計、施工及運營經驗，考慮綜合施工誤差為±100mm，后期沉降50mm，襯砌環內徑可采用Φ5500mm的襯砌環內徑。

二、數值模擬分析

1.假設條件

計算分析采用MIDAS GTS軟件構建數值模型，主要假設如下：

（1）假定開挖地層各向同性且連續均勻分布，土體采用修正Mohr-Coulomb模型。

（2）盾構、管片以及基坑圍護結構均采用板單元，用線彈性材料模擬。

（3）忽略地下水的滲流作用

（4）模型四周邊界采用單向鉸支約束，下表面采用三向鉸接約束，上表面為自由面。

（5）先進行開挖，再以原場應力20%的標準進行應力釋放，然后施加支護并釋放剩余應力，同時添加地面活荷載20kPa與軌道荷載70kPa。

2.計算參數

盾構下穿淮南線（合寧繞行線），綜合采取加強盾構外壁與土體之間間隙的注漿（特殊漿液）、控制掘進速度，同步注漿及其他措施，地層損失率可進一步降低，計算分析中采用5‰的地層損失率來計算，考察盾構隧道施工對鐵路普速路基及道岔區的變形影響。

本次計算分析結合合肥地層及施工經驗，選擇適用于合肥地層典型的地層損失率，對盾構施工的影響進行三維分析。應力釋放系數在開挖階段選取0.2，拼裝盾構管片完成階段選取0.8。主要的土體材料見表1。

表1 材料參數

3.模型尺寸

模型采用GTS NX模塊進行三維分析，分析部參照實際開挖步序。有限元模型如圖所示，模型長、寬、高分別為270m×1250m×60m。模擬過程按照先開挖左線隧道，后開挖右線隧道的順序展開，隧道模型整體穿越既有鐵路路基，其他相關風險源進行著重選取，模型詳見圖2。

圖2 區間隧道下穿淮南線與合寧繞行線三維模型

4.計算結果

（1）地層沉降分析

區間隧道施工后的地層變形及路基云圖如圖3、4、5所示：

圖3 水平位移云圖

圖4 垂直位移云圖

圖5 淮南線及合寧繞行線路基沉降云圖

經計算結果可知，淮南線與合寧繞行線路基最大豎向位移5.12mm，水平位移0.348mm；鐵路路基坡腳沉降值為3.5mm，滿足安全要求。北側道岔（8號道岔） 最大沉降0.923mm，南側道岔（4號道岔）最大沉降 0.428mm；接觸網立柱最大沉降為3.465mm，最大差異沉降為1.265mm，均滿足控制要求。

（2）地層變形分析

為了進一步分析盾構施工在一定范圍內對鐵路路基產生影響，結合樹脂分析結果繪制沉降曲線。通過路基沉降曲線可知，盾構開挖在距離路基40m左右的位置開始對鐵路路基產生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置影響幾乎為零。

三、工程技術措施與建議

1.嚴格控制地層損失

根據模擬結果可知，盾構區間隧道施工過程中地層損失率控制在0.4%～0.5%以內時能夠有效降低地層變形對既有鐵路線及相關建筑物的影響。

2.管片預留注漿孔

盾構隧道穿越段沿管片環向增設二次補償注漿孔，根據實際的監測結果按需求及時開展二次補充注漿。如果需要增強注漿效果，可通過在周邊地層預設注漿孔對周邊土體進行注漿加固，以此達到控制土體沉降與變形。

3.適當限速

列車限速60km/h，減速慢行。并根據鐵路線路監測數據實時變化情況及時調整列車通行速度。

4.加強線路養護

施工期間，防護人員加強養護措施，及時檢查線路狀況，出現異常時能夠立即采取控制措施。

5.施工監測

為了確保盾構推進的安全性，在盾構穿越既有鐵路線時必須進行實時監測。對于盾構施工中沉降量變化幅度較大部位，根據實際情況提高監測頻率，確保監測結果的準確性。

四、結語

本文依托合肥地鐵2號線盾構隧道下穿淮南線及合寧繞行線工程，采用數值模擬分析了盾構施工誘發的地層變形特征，提出了工程控制措施，主要結論如下：

（1）盾構隧道施工階段數值模擬采用5‰的地層損失率進行計算對鐵路路基及道岔區的變形影響，采用開挖荷載釋放0.2，拼裝盾構管片荷載釋放系數0.8，結果表明地表位移計算值與沉降值接近，參數擬合合理。

（2）運用GTS NX模擬隧道開挖，通過路基沉降曲線發現，距路基40m位置開始對路基產生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置幾乎無影響。

（3）通過采取一系列控制措施，使施工達到盾構穿越鐵路變形控制的要求，使沉降在安全范圍之內，在不影響周圍構筑物的前提下保證施工順利進行。