盾構隧道下穿多股鐵路影響分析*

鄧海鵬,丁祖德,李興龍

(1.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650500; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,山東 濟南 610031)

0 引言

盾構隧道施工時常遇到下穿既有鐵路干線的情況[1],一定程度會對隧道周圍地層造成擾動,進而引起上部路基、鐵軌以及地層的位移變化,影響列車行車安全。結合此類情況,很多國內外學者對盾構隧道施工問題進行了一系列相關研究。唐志輝[2]依托南寧地鐵4號線那歷村站—那洪立交站區間隧道下穿既有槎路隧道工程,提出基于強度折減系數法的地鐵盾構隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優化設計方法,并通過監測數據驗證該方法的有效性。何永洪等[3]對客運專線隧道采取針對性的預加固措施以及通過試驗段優化盾構掘進參數等措施來保證工程質量及盾構施工與客運專線安全。孫連勇等[4]以濟南軌道交通R3線某區間隧道為背景,運用Abaqus軟件建立數值模型,模擬在不主動加固和加固兩種工況下,盾構隧道近距離下穿膠濟鐵路線橋梁與路基引起的變形情況。朱小龍[5]對盾構施工時鐵路地表沉降監測數據進行詳細分析,得出了地表沉降規律,用數值模擬的方法對盾構下穿施工過程進行了有限元計算。鄭余朝等[6]依托多條鐵路項目,使用經驗公式預測及數值模擬相結合,研究路基沉降與軌道高低偏差之間的規律。馬相峰等[7]研究在砂卵石地層下,以盾構下穿鐵路路基工程為背景,通過數值模擬與實地監測數據相結合進行分析。楊林[8]針對盾構下穿既有鐵路,通過加固方案和安全控制措施,來保障盾構在掘進過程中列車的行車安全。杜虎[9]將有限元分析和現場實踐相結合,分析了不良地層中盾構下穿施工引起的既有鐵路變形。郭現釗[10]對盾構近距離下穿廣深鐵路的影響分析及防護措施進行了研究。仇文革等[11]研究砂卵石地層中盾構下穿敏感區域時地表的沉降規律及控制措施。

本文以某地鐵盾構區間工程為背景,對盾構隧道施工近接既有上部鐵軌的安全性進行了模擬仿真運算,分析盾構隧道施工引發的土層位移與地表沉降對上部鐵軌的變形影響。通過數值模擬分析盾構施工引起的鐵軌變形,為類似鄰近工程提供借鑒。

1 工程概況

青島市軌道交通2號線某區間盾構隧道長867.8m,線路于里程K15+160.0—K15+240.0段下穿膠濟線,盾構隧道與膠濟鐵路位置關系如圖1所示。隧址區由西向東依次下穿有沙嶺莊牽引線(3條)、電廠專用線、膠濟單線、膠濟聯絡線、膠濟客專上行線、膠濟客專下行線、四機牽引線(2條)等10條線路,共計20股軌道,均為有砟軌道。隧址區地層由上到下分別為Ⅳ級中風化花崗斑巖和Ⅴ級微風化花崗斑巖。區間隧道擬采用盾構法施工,隧道斷面為圓形結構,內徑5.5m,外徑6.2m,管片寬度為1.2m,厚度為0.35m。盾構區間與鐵路交角為65° ～ 92°,隧道頂部與路基頂面的最小凈距約12.4m。

圖1 盾構隧道下穿鐵路段示意

2 三維數值模型

2.1 計算模型及參數

盾構隧道下穿多股道鐵路路基的施工過程模擬三維數值模型如圖2所示。模型沿x,y,z三個方向的尺寸分別為160,90,50m,其中y方向為順鐵路方向,x方向為垂直鐵路方向,z方向為豎向。模型底部施加固定約束,模型側面施加水平向約束,模型表面為自由邊界。計算模型中,地層巖體采用莫爾-庫倫模型、實體單元模擬,盾構隧道管片采用線彈性模型、板單元模擬,盾構機機殼采用板單元模擬,鐵路路基采用實體單元模擬,結合本工程地質勘察報告,圍巖及結構物理力學參數取值如表1和表2所示。

表2 材料物理力學參數

圖2 隧道-路基整體有限元模型

參照TB 10001—2016《鐵路路基設計規范》,計算荷載采用普通鐵路路基上部列車和軌道荷載,取69.04kPa均布荷載,分布寬度為3.2m,如表3所示。鐵路路基面荷載分布如圖3所示。

表3 普速鐵路路基軌道和列車均布荷載

圖3 鐵路路基面荷載分布

2.2 盾構掘進過程模擬

利用MIDAS/GTS NX提供的施工過程分析功能,模擬地鐵隧道動態施工過程,本文分析盾構隧道開挖對上部鐵路的影響。上部軌道線路較多,按照隧道掘進方向自西向東依次進行編號,分別選取邊界處路基和中間區域的路基進行分析,即A股軌道線路——沙嶺莊牽出線西線和E股軌道線路——膠濟單線西線。

結合工程實際,具體開挖過程如下:先施工右線區間盾構隧道再施工左線區間盾構隧道,每次掘進2.4m,每3次算1個循環(進尺7.2m),管片滯后開挖一步(與掌子面距離2.4m)進行,待右線開挖完后再依次進行左線開挖,開挖進尺以及支護過程與右線保持一致。計算步驟為:初始地應力平衡,通過MIDAS/GTS軟件對網格的激活以及鈍化來模擬實現隧道的開挖及襯砌。通過軟件設置的應力釋放系數來模擬圍巖和結構受力,整個施工模擬過程共有138個施工步驟。

3 計算結果分析

3.1 下穿鐵路變形控制標準

本次盾構隧道下穿鐵路所影響的范圍約160m,結合TB10314—2021《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》,確定盾構隧道下穿鐵路段的路基和軌道變形控制標準如表4所示。

表4 鐵路路基及軌道變形監測預警值、報警值和控制值

3.2 鐵路路基沉降影響分析

由于本工程路基數量較多,為了分析盾構隧道開挖對上部路基的沉降分布及形態差異,分別選取模型東側以及中間位置區域的特征部位進行沉降分析,對于整個路基施工階段的沉降分析,選取左右兩隧道與路基的交叉區域分別取其中間交點,以及左右兩隧道與鐵路路基交叉部位的路基中點。結果表明:隨著盾構不斷向前推進,由路基西側(距離路基中間位置約12m)到路基中間位置其沉降量呈現出逐漸增大的趨勢,當盾構隧道開挖遠離路基時沉降量呈現出逐漸減小的趨勢。隨著左右兩線逐漸貫通,路基最大沉降位置由右隧道向左隧道偏移,典型鐵路路基的沉降分布曲線如圖4所示、典型鐵路路基整個施工階段的沉降分布曲線如圖5所示。

圖4 典型鐵路路基的沉降分布曲線

圖5 典型鐵路路基整個施工階段的沉降分布曲線

由圖4a可知,由右線推進至A線中點再到右隧道貫通,其最大沉降量由0.75mm增加至3.30mm,增量為2.55mm,由左線推進至A線中點到隧道左線貫通,其最大沉降量由3.00mm增加至3.15mm,增量為0.15mm;由圖4b可知,由右線推進至E中點再到右隧道貫通,其最大沉降量由1.05mm到3.30mm,增量為2.25mm,由左線推進至E中點到隧道左線貫通,其最大沉降量由3.15mm增加至3.30mm,增量為0.15mm。由圖5可知,隨著隧道開挖的不斷掘進,路基出現明顯的沉降趨勢,且隨著左右隧道貫通,沉降越明顯。由此可知,由右線推進路基西側至路基線中點時,路基出現明顯沉降,當隧道繼續向前掘進至路基東側時,路基沉降仍然出現較大的增大趨勢,當右隧道貫通時,其上部路基沉降繼續增大,但增量較小。當左隧道施工時沉降量仍然增大,但增幅較小,且最大沉降位置向左隧道偏移,說明后施工的隧道引起的沉降較小,其原因是先施工的隧道已對周圍土體形成了一定的加固區域有關,并且施工參數的變化也有一定的影響。

3.3 軌道平順性的影響分析

3.3.1軌面的高低不平順

軌面的高低不平順是指軌道沿軌道長度方向在垂向方向的凹凸不平,以軌面的豎向位移為研究對象,分別選取8 種典型特征施工步驟下的軌道高低不平順的分布曲線,典型鐵路軌面的高低不平順分布曲線如圖6所示、典型鐵路軌面整個施工階段的高低不平順分布曲線如圖7所示。

圖7 典型鐵路軌面整個施工階段的高低不平順分布曲線

由圖6a可知,當右線推進至A中點時,其軌道最大高低不平順的值由-0.010 5mm到+0.024 0mm,增量為0.034 5mm;當右隧道貫通時其最大高低不平順的值由-0.025 5mm到0.069 0mm,增量為0.094 5mm;當左線推進至A中點時,其最大高低不平順的值由-0.025 5mm到0.067 5mm,增量為0.093 0mm;左隧道貫通時其最大高低不平順的值由-0.028 5mm到0.049 5mm,增量為0.078 0mm。由圖6b可知,當右隧道開挖至E中點時,其軌道最大高低不平順的值由-0.012 0mm到0.028 5mm,增量為0.040 5mm;當右隧道貫通時其最大高低不平順的值由-0.027 0mm到0.070 5mm,增量為0.097 5mm;當左線推進至E中點時,其最大高低不平順的值由-0.028 5mm到0.051 0mm,增量為0.079 5mm;左隧道貫通時其最大高低不平順的值由0.030 0mm到-0.027 0mm,增量為0.057 0mm。由圖7可知,當隧道開挖至鐵路軌面區域時,軌面的高低不平順逐漸增大,到達正下方時出現極大值,遠離又逐漸出現減小的趨勢。

由此可知,隨著開挖進深越來越大,鐵軌沿長度方向出現凹凸不平的情況,由右線分別推進至路基西側、路基中點、路基東側直至右線隧道貫通、左線推進至路基西側時,其上部鐵軌的高低不平順更加顯著;當左線推進至路基中點、路基東側直至右線隧道貫通時,其上部鐵軌的高低不平順差值逐漸減小,且增量較小。

3.3.2軌面的水平不平順

軌面的水平不平順是指軌道同一橫斷面上左右兩軌面之間的高差。以軌面的橫向位移為研究對象,分別選取8 種典型特征施工步驟下的軌道水平不平順的分布曲線,典型鐵路軌面的水平不平順分布曲線如圖8所示、典型鐵路軌面整個施工階段的水平不平順分布曲線如圖9所示。

圖8 典型鐵路軌面的水平不平順分布曲線

圖9 典型鐵路軌面整個施工階段的水平不平順分布曲線

由圖8a可知,當右隧道推進至A中點時,其最大水平不平順的值由-0.825mm到0.345mm,增量為1.170mm;右隧道貫通時其最大水平不平順的值由-0.225mm到1.680mm,增量為1.905mm;當左隧道推進至A中點時,其最大水平不平順的值由-1.710mm到1.620mm,增量為3.330mm;左隧道貫通時其最大水平不平順的值由-1.890mm到1.665mm,增量為3.555mm;由圖8b可知,當右隧道推進至E中點時,其最大水平不平順的值由-0.825mm到0.480mm,增量為1.305mm;右隧道貫通時其最大水平不平順的值由-1.755mm到1.695mm,增量為3.450mm;當左隧道推進至E中點時,其最大水平不平順的值由-1.785mm到1.095mm,增量為2.880mm;左隧道貫通時其最大水平不平順的值由-1.965mm到1.650mm,增量為3.615mm;由圖9可知,軌面的水平不平順在隧道開挖至軌面最下方時出現逐漸增大的趨勢。

由此可知,隨著盾構隧道開挖進深越來越大,由右線分別推進至路基西側、路基中點、路基東側直至右線隧道貫通時,其上部軌面的水平不平順顯著增大,且當左線分別推進至路基西側、路基中點、路基東側直至右線隧道貫通時,其上部鐵軌的水平不平順差值仍然增大。但相對于右線開挖,增量較小。

4 結語

通過對盾構隧道下穿多股道鐵路施工展開數值模擬,分析路基的沉降變形、軌面的高低不平順以及水平不平順,盾構隧道開挖對鐵路的變形趨勢。

1)隨著盾構隧道開挖不斷推進,由路基西側到路基中間位置其沉降量呈現出逐漸增大的趨勢,當盾構隧道開挖遠離路基時沉降量呈現出逐漸減小的趨勢。隨著左右兩線逐漸貫通,路基最大沉降位置由右隧道向左隧道偏移。且最大沉降量為3.30mm,在沉降變形±10mm的范圍之內。

2)軌面的高低不平順呈現出明顯連續的凹凸狀,右隧道貫通時出現最大高低不平順的值由-0.025 5mm到0.069 0mm,增量為0.094 5mm,在控制變形-3～+8mm范圍之內。

3)軌面的水平不平順出現一凹一凸形,且有明顯的極值,左隧道貫通時其最大水平不平順的值由-1.890mm到1.665mm,增量為3.555mm;在控制變形-4.2～+4.2mm范圍之內。

4)盾構下穿鐵路之前,應提前進行試驗,根據實測的數據,優化各項盾構參數,控制盾構機的推進速度,減少盾構在穿越過程中引起的地層沉降。