盾構隧道下穿鐵路箱涵結構變形特征分析

崔 濤

盾構隧道下穿鐵路箱涵結構變形特征分析

崔 濤

摘 要：文章應用三維有限元法，分析盾構隧道下穿引起的既有鐵路路基及箱涵結構變形，結果表明，鐵路路基沉降規律大致符合Peck曲線，但由于箱涵結構的存在，沉降曲線左右不對稱；箱涵最大豎向變形2.4 mm，路基最大豎向沉降3.95 mm。

關鍵詞：盾構隧道；下穿既有鐵路；箱涵結構；變形分析

崔 濤：中土建設集團有限公司，高級工程師，遼寧大連 110043

新建盾構隧道穿越既有鐵路會導致不同程度的土體沉降，引起上部既有鐵路路基變形。目前，國內通常采用Peck經驗公式或其修正公式來預測盾構開挖引起的鐵路路基變形，并應用到了諸多實際工程中。但是當鐵路下方存在箱涵結構時，由于箱涵的整體剛度大、變形小，結構外壁與土體間容易產生相對滑動，導致土體位移場變化不同于均質地層或成層地層，鐵路路基變形特征亦會與Peck曲線存在偏差，因此，對于該類工程，既有的預測方法不再適用。本文以合肥市軌道交通2號線下穿既有鐵路工程為背景，采用三維有限元法研究分析盾構隧道開挖引起的鐵路路基和箱涵結構變形特征。

1　工程概況

合肥地鐵2號線科學大道站—懷寧路站區間需下穿既有鐵路線路群，地鐵隧道采用盾構法施工，區間隧道與鐵路在平面上交角約75°。隧道管片內徑5.4 m，外徑6.0 m，線間距為9.5～10.3 m，埋深11.4 m，路基頂至隧道頂部的豎向凈距約為17.6 m。既有鐵路線路跨長江西路鋼筋混凝土箱涵，底板至隧道頂部的凈距約7.4 m，線路與箱涵水平凈距約為1 m，垂直凈距為7.5 m。鐵路箱涵橫斷面為13 m+23 m+13 m三跨連續結構，箱涵縱向為7.3 m+12.3 m+10.3 m三跨分離式結構，結構與結構之間設有伸縮縫。箱涵主體采用的是C35鋼筋混凝土結構，結構頂板厚度為1.1 m，側墻和中隔板厚度為1.0 m，底板厚度為1.3 m，上部覆土厚度約為1.3 m。隧道所處土層為<10-3>層中等風化泥質砂巖層（圖1）。

圖1　隧道下穿鐵路箱涵示意圖 （單位：m）

2　三維有限元模型建立

本文應用Plaxis3D有限元軟件，分析盾構下穿引起的鐵路路基及箱涵結構變形特征。計算模型總寬度取260 m，縱向延伸210 m，高度為60 m，以消除邊界效應對計算結果的影響。在模型底部施加完全固定約束，在四周施加水平約束，模型表面為自由邊界。土體采用HS土體硬化模型。箱涵和管片都采用板單元模擬，板單元與土體之間設置了接觸單元（界面）用于模擬板單元與土體間的錯動。三維有限元模型見圖2，土層參數見表1。

根據TB10002.1-2005《鐵路橋涵設計基本規范》，采用中-活載（ZK/ZH）作為計算模型中的鐵路列車荷載。計算鐵路路基沉降時，選擇集中荷載作用于隧道正上方布置形式，在計算箱涵的變形時以集中荷載作用于箱涵正上方布置形式。

表1　下穿土層物理力學指標

圖2　三維有限元網格圖

圖3　隧道應力釋放計算示意圖

3　有限元計算分析

本工程中盾構隧道全斷面穿越<10-3>中等風化泥質砂巖，地層彈性模量為1 000 MPa，工程性質較好，故采用應力釋放的方法模擬計算盾構下穿鐵路造成的影響。

根據文獻[4]的研究成果，隧道開挖周邊的應力釋放系數可按式（1）計算：

式(1)中，β為應力釋放系數；σr0為開挖前的徑向應力；σθ為開挖周邊環向應力；φ為土體內摩擦角。

式(2)、(3)中，μ為土體泊松比； p為隧道頂部的豎向應力。

根據本隧道中心埋深h=11.4m，計算得應力釋放系數β=0.5，故在數值模擬時采用應力釋放系數β 為0.5。

考慮到隧道左線、右線開挖階段的影響，模擬分析中考慮4個階段：階段1，左線開挖至路基正下方；階段2，左線隧道貫通；階段3，右線開挖至路基正下方；階段4，右線隧道貫通。

3.1箱涵變形分析

圖4　各工況箱涵變形云圖

理論與實踐表明，集中荷載作用于箱涵正上方時對箱涵結構的影響最大，根據有限元計算結果，不同施工階段下箱涵的變形云圖如圖4所示，箱涵橫斷面最終變形如圖5所示。

圖5　箱涵橫截面最終變形矢量圖

圖6　合武下行線路基各階段沉降曲線

圖7　隧道開挖影響區域示意圖

計算結果顯示，箱涵的最大沉降量為2.4 mm，最大值發生在箱涵東南側，由于新建盾構隧道與箱涵結構南側邊墻的水平凈距只有1 m左右，使得箱涵南側呈現出整體下傾。對箱涵底部變形曲線做進一步計算，將箱涵右側中隔板與右側側墻長度l=13 m作為研究長度（即規范中的l），則箱涵傾斜度為δ/l=2.4 mm/13 m=0.184‰，小于規范要求的3‰限制條件。

3.2路基變形分析

圖6給出了合武下行線路基不同開挖階段下的沉降曲線，由圖6可見：

(1）路基最大沉降發生在右線隧道貫通階段，最大沉降值為3.95 mm：

(2）左線隧道開挖引起路基沉降呈單峰形態，沉降最大處位于左線隧道正上方；

(3）當右線隧道開挖完成之后，路基沉降量最大處位于左右線隧道中間線的正上方，且圖6中右半側曲線與Peck曲線相符；

(4）左線隧道開挖引起箱涵上方路基最大沉降量遠大于右線隧道開挖引起箱涵上方路基最大沉降量，這與Peck預測法存在著一定的差異。產生這種差異的原因在于，左線隧道開挖會對箱涵右下部土體（圖7中的A區域）產生擾動，減小了箱涵右下側土體的約束作用，使箱涵發生了局部變形，進而造成了路基頂面的沉降，而右線隧道開挖時，其影響區域僅延伸至B區域，與箱涵結構存在一定的間隔，故右線隧道開挖對箱涵及其上方路基的影響較小。

4　結論

(1）合肥地鐵2號線盾構隧道下穿既有鐵路時，引起的鐵路基沉降最大值為3.95 mm。

(2）盾構隧道下穿既有鐵路下部箱涵結構時，引起的箱涵最大沉降量為2.4 m m，最大橫向傾斜度為0.184‰，滿足規范3‰的要求。

(3）盾構下穿引起的鐵路路基沉降規律大致符合Peck曲線，但由于右線隧道與箱涵結構存在一定的間距，其開挖對箱涵及上方鐵路路基的影響較小，使得沉降槽曲線左右兩側不對稱。

參考文獻

[1] 呂培林, 周順華. 軟土地區盾構隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規律分析[J]. 中國鐵道科學, 2007, 28(2).

[2] 邊金, 陶連金, 郭軍. 盾構法隧道引起的地表變形分析[J]. 地下空間與工程學報, 2005, 1(2).

[3] 王國棟, 肖立, 張慶賀. 盾構在道路和鐵路下推進引起的沉降對比研究[J]. 鐵道建筑, 2010(10).

[4] 莊麗. 散粒體的加卸載與應力釋放特性[D]. 上海: 同濟大學, 2009.

[5] 徐冬健. 盾構隧道沉降數值模擬[D]. 北京: 北京交通大學土木建筑工程學院, 2009.

來稿日期 2014-05-05

責任編輯 朱開明

Deformation Analysis on Shield Tunneling Passing beneath Railway Box Culvert Structure

Cui Tao

Abstract:Using the three-dimensional fi nite element method, the paper makes analysis of the deformation of existing railway subgrade, culvert and box type structure induced by shield tunneling underpass. The results show that railway subgrade settlement generally conforms to the Peck curve. However due to the existence of box culvert structure, settlement curve shows left and right asymmetry. Box culvert has maximum 2.4 mm vertical deformation, and subgrade has maximum 3.95 mm vertical settlement.

Keywords:shield tunnel, passing beneath existing railway, box type culvert structure, deformation analysis

中圖分類號：U449.82