盾构隧道下穿既有普铁路基施工影响数值模拟分析

(湖南尚上建设开发有限公司， 湖南 长沙 410016)

0 引言

随着我国经济的快速增长，基础建设投资的速度也在不断地加快。其中，地铁建设作为基础建设之一，也获得了快速发展[1]。在城市地铁的建设过程中，难免会遇到新建隧道与既有铁路线路在空间上出现交叉的情况[2-4]。工程项目的开挖施工是通过土压平衡盾构机进行的，使用盾构机施工会改变隧道周围的土体应力场，路基、地层、桥梁桩基会受到压迫而变形。部分铁路对于轨道平顺性有着较高要求，为保障既有铁路线路能够安全运营，必须要把由于盾构隧道施工而产生的路基与底层变形控制在标准范围内。因此，本文以某地铁盾构区间隧道下穿既有普铁路基为研究对象。

1 工程概况

处于新构建盾构隧道范围内的右线隧道长度为2 457 m，并且在里程SDK45+250.146～SDK45+295.146这一范围内下穿既有铁路路基。普铁设有有砟轨道，运行时速可以达到160 km/h，属于国家一级电气化铁路，其中铁路路基包括表层和底层，厚度分别为4 m和2 m。铁路轨道面到区间隧道结构的净距离大概是26 m，比隧道直径大了1倍。左右线隧道的埋深有22 m，两者的中心线距离为28 m。进行隧道施工时，优先选择左线隧道，待左线隧道施工完成并停机后，再进行掘进右线隧道。

2 有限元模型构建

由于铁路轨道、路基及桥梁的结构会相互影响，从而产生变形，本文在构建模型时会尽量实现轨道结构的简洁性，并将侧重点放在铁路路基、桩基及桥墩上，不再对轨道与其附属结构进行考虑。列车荷载根据《铁路路基设计规范》附录A中轨道和列车荷载换算土桩高度和分布宽度表，可得等效荷载为60 kPa；而根据列车轴重(取80 kN)换算得到的等效荷载约为30 kPa。

2.1 模型基本假定

1)假定土体的材料是各向同性，并且是理想弹塑体。

2)不考虑岩土体的构造应力影响，令岩土体在自重条件下时的状态是平衡的，对盾构隧道进行开挖施工模拟的前提是岩土体要达到稳定状态。

3)假定既有铁路路基、轨道结构、桥梁桩基是密不可分，变形一致。

4)假定不同地层材料之间不会出现相对滑移现象。

5)假定施工之前各土层和既有结构物的工作状态都较为良好。

6)假定桩基的弹性体呈现连续性，并且桩基的截面形状不会变化。

7)路基整体沉降规范设定在10 mm之内。

2.2 模型参数

模型参数如表1和表2所示。

表1 模型土层材料参数土层厚度/m弹性模量/MPa粘聚力C/kPa摩擦角ϕ/(°)泊松比μ重度/(kN·m-3)土层厚度/m弹性模量/MPa粘聚力C/kPa摩擦角ϕ/(°)泊松比μ重度/(kN·m-3)杂填土3.56.51280.4519卵石5.5500430.2322.5粘土11.91532120.3020.3砂土16.1280380.2820.1砂卵石13.7390400.2621.65砾岩14.6800500.2121.5

表2 模型结构材料参数名称重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比μ路基表层191200.28路基底层19.5 800.3盾壳76.92.06×1050.3注浆层221500.3

2.3 模型建立

本文采用底层-结构-实体三维模型(图1)，岩土体选用摩尔-库伦本构。由于路基结构和隧道之间的位置关系是相对的，将模型(图1)的尺寸设置为:x×y×z=100 m×100 m×65 m，x、y、z分别是平行盾构掘进方向、垂直盾构掘进方向、地层竖向。桩界面参数中，法向刚度模量、剪切刚度模量、最终剪力的取值分别是250 000 kN/m3、25 000 kN/m3、150 kN/m2。

左右隧道中心线之间相距28 m，隧道埋深22 m。优先对左线隧道施工，施工完成停机后再对右线隧道进行掘进。盾构隧道的内外径分别是5.5、6.2 m，注浆层的厚度为0.33 m，利用二维板壳单元来对盾壳与管片进行模拟。另外，盾构管片每环是1.5 m，千斤顶力为100 kN/m2，掘进压力与注浆压力分别是120、150 kN/m2。

图1 数值计算整体模型图

3 计算结果分析

利用盾构机进行掘进施工时会给隧道周围的土体应力场造成影响，导致地层产生沉降变形。当土层变形时，会通过土体传递到路基周围，导致路基出现沉降变形现象[5]。然而路基产生沉降变形会影响到铁路线路的安全运行，列车甚至会产生脱轨现象。因此，需要对盾构隧道下穿施工所造成的路基沉降进行严格的控制。

3.1 施工过程路基整体沉降分析

表3为路基整体分别为左线隧道(施工1～5步)以及右线隧道(施工6～10步)在不同施工步下的最大沉降值。

表3 路基整体在不同施工步下的最大沉降值步骤最大沉降值/mm步骤最大沉降值/mm10.8266.2623.2376.9234.0487.4344.9499.0355.85109.79

根据表3可以看出，盾构隧道的施工会给路基整体的沉降值造成影响，随着施工的不断进行，沉降值逐渐增大。

左线隧道在开挖施工第1步到第5步的过程中，即从距离路基20 m到左线贯通这一过程中，沉降槽逐渐靠近路基右侧，左线贯通时最大沉降槽的位置在左线隧道中心线正上方。

右线隧道在开挖的第6步到第10步过程中，路基整体沉降槽逐渐从左线隧道中心线位置向右方向靠拢，当达到第10步，即右线隧道贯通时，沉降槽位置处于左右隧道中心线位置的正上方。路基整体沉降值在规定的10 mm之内。

3.2 路基横向变形分析

以实际施工步骤为基础，模拟盾构隧道下穿路基，对盾构隧道下穿施工给路基造成影响所产生的沉降变形规律进行分析，沉降结果如图2和图3所示。

图2 路基测线1沉降时程曲线图

图3 路基测线2沉降时程曲线图

路基测线1和路基测线2处于各个施工步骤下的最大竖向沉降值分别如表4、表5所示。

根据图2、图3可知：

1) 盾构隧道在施工过程中，由于施工步骤不同，给路基造成的沉降影响也会有所不同。隧道左右线从开挖施工到贯通这一过程中，路基测线1、2所表现出的沉降规律相似。盾构隧道施工第2步时的路基沉降到达了路基测线1，第4步时的路基沉降达到了路基测线2，在这个过程中沉降大幅度增加，这是由于盾构隧道开挖施工，导致盾壳脱离盾尾，并且隧道周围地层损失，从而出现了较大的建筑空隙。

表4 路基测线1不同施工步骤下最大竖向沉降值步骤最大沉降值/mm步骤最大沉降值/mm10.3165.0621.7675.8832.7586.4744.3897.7854.87108.11

表5 路基测线2不同施工步下最大竖向沉降值步骤最大沉降值/mm步骤最大沉降值/mm10.2965.1621.6875.9532.6786.5344.4497.8354.97108.29

2) 左线隧道施工第1步至第5步过程中路基测线1与路基测线2累计最大沉降分别是4.87 mm和4.97 mm，这2条测线最大沉降槽的位置都处于左线隧道中心线正上方，大致呈对称分布。在右线隧道施工的第6步至第10步这一过程中，测线1、2的沉降槽曲线都在向右侧移动。路基测线1和路基测线2的最大竖向位移分别是8.11 mm和8.29 mm,最大沉降槽位置在两左右隧道中心线的正上方，并且符合Peck曲线规律以对称形式分布。2条测线在贯通时的最大沉降值都在路基10 mm的控制要求范围内，所以不需要对路基部分进行加固。

3.3 路基纵向变形分析

根据以上分析结果可以发现，2条测线在贯通时的最大竖向沉降值之间相差0.18 mm，说明路基竖向位移受到盾构隧道下穿施工影响所产生的差异沉降较小。为对路基差异沉降的规律与特点进行分析，通过路基测线1、测线2与左线、右线隧道中心线及两隧道中心线a、b、c、d、e、f等交点来对路基在不同开挖步下的差异沉降进行分析。开挖左线及右线时a、b、c、d、e、f各点沿盾构掘进方向的沉降曲线如图4、图5所示。

图4 路基测点a、c、e在依次开挖过程中的沉降曲线图

图5 路基测点b、d、f在依次开挖过程中的沉降曲线图

1) 在左线隧道开挖过程中各交点的沉降都随着开挖步骤的进行而有所增加，开挖右线隧道时各交点的沉降规律和左线隧道的沉降规律相似。其原因是路基上的测点会受到盾构隧道开挖掌子面位置与盾构掘进方向上竖向沉降值的影响，测点处沉降值会随着盾构隧道开挖掌子面离测点距离的增加而有所降低。相反，当隧道开挖步骤不断前进时，掌子面离路基测点的距离会减少，路基测点的沉降值也会随之增大。

2) 根据各交点的时程沉降曲线可知，双线贯通后a点与b点的最大沉降值分别是7.70 mm和7.53 mm，两点最大沉降值之间相差0.17 mm，位于左右线隧道中心线位置上的c点最大沉降值与d点的沉降值分别是8.29 mm和8.11 mm，两点之间相差0.18 mm，e点和f点的最大沉降值分别是7.79 mm和7.62 mm，两点之间相差0.17 mm。以上数据说明开挖隧道时路基产生的沉降值之间相差较小，并处在规定范围内。

3) 因为盾构隧道施工时的持续性沉降是土体塑性变形所导致的，并且一般情况下发生在盾尾通过后的较长时间内，所以开挖的沉降曲线一般情况下有着较为持久的沉降稳定期。由于左线隧道开挖到贯通后又开始右线的开挖施工，模型的相对时间与距离都较短，图4和图5中各点的长期延续沉降阶段延续曲线都相对较短。

4 结论

本文以某地铁盾构区间隧道下穿既有普铁路基的工程实际背景为基础，为确保既有铁路线路的正常使用与安全运营，通过数值模拟分析来对盾构隧道下穿施工引起的既有路基结构产生的变形影响进行研究与仿真，为后续施工期间采取科学合理的安全措施提供指导。

1) 路基测线1与路基测线2的最大沉降值分布是8.11 mm和8.29 mm，沉降值均在规定的10mm控制要求范围内。

2) 路基沉降在第2步至第4步施工过程中的沉降有着显著增大，原因是盾构隧道开挖施工对隧道周围底层造成影响，地层产生损失，并且盾壳脱离盾尾，出现有较大的建筑空隙。