地鐵盾構(gòu)下穿施工引起的既有線路軌道變形分析

金瓊

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，陜西西安 710043)

地鐵盾構(gòu)下穿施工引起的既有線路軌道變形分析

金瓊

(中鐵十七局集團(tuán)有限公司第二工程有限公司，陜西西安 710043)

基于有限元軟件ABAQUS建立了盾構(gòu)隧道下穿施工—高速鐵路結(jié)構(gòu)間的相互作用模型，研究了盾構(gòu)開挖過(guò)程中軌道沉降規(guī)律，相關(guān)結(jié)論可為施工單位和工務(wù)養(yǎng)護(hù)部門提供參考。

盾構(gòu)，軌道變形，有限元，不均勻沉降，高速鐵路

0 引言

近年來(lái)，城市軌道交通因其快速、便捷、方便、舒適、占地少、載客量大以及運(yùn)營(yíng)安全等特點(diǎn)作為支撐城市正常運(yùn)行的大動(dòng)脈而在全國(guó)各大城市得到了迅速大規(guī)模的發(fā)展。與此同時(shí)，經(jīng)過(guò)高速鐵路建設(shè)和對(duì)既有鐵路的高速化改造，我國(guó)已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模以及最高運(yùn)營(yíng)速度的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路和城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然會(huì)使兩者的線路在特定的空間位置產(chǎn)生交叉，為了減小土地占用和對(duì)既有交通的影響，同時(shí)為了降低工程建設(shè)成本和對(duì)周圍環(huán)境的影響，新建城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有鐵路線路成為現(xiàn)在主要形式。

但是下穿施工對(duì)既有高速鐵路線路影響較大，尤其是高鐵要滿足高速、高平順性、高安全性等方面的要求，下穿施工不可避免的會(huì)對(duì)既有鐵路地基產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地層不同程度的沉降和路基下沉、軌道結(jié)構(gòu)變形，不僅對(duì)隧道和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，而且會(huì)影響既有線路的正常運(yùn)營(yíng)，嚴(yán)重的會(huì)造成既有鐵路破壞，引起無(wú)法預(yù)測(cè)的安全事故，造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此，結(jié)合工程案例，基于線下基礎(chǔ)和線上軌道結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系，建立有限元模型分析盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中軌道結(jié)構(gòu)的變形沉降規(guī)律，為高速鐵路的安全運(yùn)行提供參考具有重要意義。

1 下穿施工有限元模型

1.1 模型假設(shè)

本文建立下穿施工模型時(shí)，參考某城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有高速鐵路路基地段案例，并對(duì)此進(jìn)行以下簡(jiǎn)化:

1)土體為呈水平分布的各向同性彈塑性材料，并忽略自重應(yīng)力;

2)不考慮盾構(gòu)下穿施工的時(shí)間效應(yīng)，認(rèn)為土體的沉降、軌道結(jié)構(gòu)的變形只和開挖步有關(guān)，忽略土體的固結(jié)和蠕變作用;

3)開挖中，對(duì)于被挖土體單元的處理，模型采用“生死單元”的方法，被殺死的單元視為“空氣單元”，彈性模量降為很低。

1.2 無(wú)砟軌道——路基

無(wú)砟軌道采用的是CRTSⅡ型板式結(jié)構(gòu)，模型自上而下主要包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、底座板(見(jiàn)圖1)。路基上底座板寬2.95m，高0.3m;CA砂漿層寬2.55m，高0.03m;軌道板寬2.55 m，高0.29 m，除扣件采用線彈簧模擬外，其余各部件均采用實(shí)體單元(見(jiàn)表1)。

表1 無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)參數(shù)

路基分為基床表層和基床底層兩部分，其中基床表層高0.4m，由級(jí)配碎石材料組成，基床底層高2.3m，由改良土組成。

圖1 無(wú)砟軌道模型

1.3 地基土體及襯砌

隧道左右兩側(cè)范圍內(nèi)的土體，選取范圍不小于5倍洞徑，取為130m，左右兩個(gè)隧道凈距5 m，土體深度35 m，盾構(gòu)隧道管片長(zhǎng)度為1.2 m，隧道開挖長(zhǎng)度取管片環(huán)的30倍，即36 m。模型尺寸為x×y×z=130 m×35 m×36 m。路基以及無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道正交。地基土體自上而下分為4層，即雜填土、粉細(xì)砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土，采用 Drucker-Prager本構(gòu)模型，具體參數(shù)如表 2所示。

管片采用C40混凝土材料，密度為2 500 kg/m3，彈性模量為3.45×107MPa，泊松比0.167，寬1.2m，厚0.2m。

2 開挖過(guò)程中變形分析

2.1 左線隧道施工

本文擬雙線隧道埋深10 m，開挖直徑6.2m，左右兩隧道凈間距5m。整個(gè)過(guò)程分為13個(gè)開挖步，每個(gè)開挖步向前開挖6m，其中1～6為左線隧道施工、7～12為右線隧道施工，第13分析步為沉降最終穩(wěn)定。

圖2 左隧道施工中無(wú)砟道床垂向位移云圖

圖3 左隧道施工中地基土體垂向位移云圖

從圖2，圖3左隧道施工過(guò)程中無(wú)砟軌道和地基土體的垂向沉降云圖可以看出:

1)盾構(gòu)開挖造成隧道土體的擾動(dòng)和卸載，引起隧道向圓心處收縮以及上方路基、線路結(jié)構(gòu)物的沉降，地基土體沉降峰值發(fā)生在開挖隧道正上方，路基土體最終沉降峰值發(fā)生在左隧道中心線上方。

2)地基土體和無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)都隨著開挖的進(jìn)行，沉降值不斷增大;開挖過(guò)程中土層沉降槽面積不斷增大。

3)隧道下穿施工過(guò)程中需采取控制沉降變形的輔助措施來(lái)減小地層損失，尤其是高速鐵路下部基礎(chǔ)，否則會(huì)引起路基等不均勻沉降，增大列車與軌道間的動(dòng)力響應(yīng)，增加線路的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。

圖4 左隧道施工中鋼軌垂向位移

從圖4左隧道施工過(guò)程中鋼軌垂向位移曲線可以看出:

1)盾構(gòu)開挖引起的土層向圓心處收縮經(jīng)過(guò)上方路基、軌道結(jié)構(gòu)的傳遞后，鋼軌也發(fā)生跟隨性位移，其垂向位移峰值發(fā)生在左隧道中心線上方，最大達(dá)3.37mm。

2)隨著開挖的進(jìn)行，鋼軌垂向沉降值不斷增大;沿著開挖方向，右軌因?yàn)橄扔谧筌壗佑|開挖面，所以右軌的沉降比左軌大。

3)盾構(gòu)開挖斷面對(duì)鋼軌的橫向影響區(qū)域達(dá)到28 m左右，即隧道開挖直徑的4倍～5倍;兩軌在開挖過(guò)程中沉降速率先增大后減小，沉降差也先增大后逐漸減小趨于0，沉降差最大值發(fā)生在開挖面位于線路中心線正下方。

2.2 右線隧道施工

圖5 右隧道施工中無(wú)砟道床垂向位移云圖

圖6 右隧道施工中地基土體垂向位移云圖

圖7 右隧道施工中鋼軌垂向位移

從圖5～圖7右隧道施工過(guò)程中各結(jié)構(gòu)沉降云圖和鋼軌垂向位移曲線可以看出:

1)待左隧道貫通，右隧道開挖過(guò)程中，地基土體和軌道結(jié)構(gòu)的沉降值繼續(xù)增大，且隨著開挖的進(jìn)行，之前逐漸穩(wěn)定的不均勻沉降又呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定趨勢(shì)。

2)右線隧道開挖過(guò)程中土層沉降槽面積不斷增大，盾構(gòu)開挖對(duì)鋼軌的橫向影響區(qū)域穩(wěn)定在30 m，即隧道開挖直徑的4倍～5倍。

3)待左線隧道貫通，右線隧道開挖過(guò)程中兩軌沉降峰值不斷從左隧道中心移至兩隧道中心線正上方，且兩軌沉降差、沉降速率均先增大后減小。

4)土層沉降峰值最終穩(wěn)定在隧道中心正上方，路基土體和鋼軌最終沉降峰值發(fā)生在兩隧道中心線上方，開挖后鋼軌沉降可達(dá)4.95mm，因此需要采取沉降控制措施減小基礎(chǔ)和鋼軌的沉降，工務(wù)部門要及時(shí)檢修線路，防止盾構(gòu)施工對(duì)列車運(yùn)行造成危害。

3 開挖沉降控制措施

常規(guī)的變形控制分為兩種:主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。主動(dòng)控制就是在盾構(gòu)施工過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)的各種施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)地面沉降觀測(cè)結(jié)果來(lái)及時(shí)的調(diào)整施工參數(shù)，最終達(dá)到控制地面沉降的標(biāo)準(zhǔn);被動(dòng)控制是根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生較大的沉降或者建筑物出現(xiàn)傾斜時(shí)，采取工后壓密地層或者采取建筑物糾偏等加固措施來(lái)恢復(fù)正常的施工措施。常見(jiàn)的沉降處理對(duì)策如下所示:

1)減小開挖推進(jìn)中對(duì)圍巖的擾動(dòng):在施工中盡量減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，保持盾構(gòu)線路平直圓滑，防止盾構(gòu)機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橫向移動(dòng)或蛇形運(yùn)動(dòng)，以減小推進(jìn)過(guò)程中與圍巖間的摩擦阻力。

2)防止盾尾空隙沉降與地基隆起:首先，壁后注漿材料要根據(jù)圍巖狀況來(lái)選擇滲透性好的材料并優(yōu)先選擇固結(jié)強(qiáng)度大的材料;其次，壁后注漿盡量與盾構(gòu)推進(jìn)同步;再次，要采取措施降低由二次注漿引起的地層沉降。

3)防止一襯的變形:為了防止襯砌管片的變形，在對(duì)接頭螺栓充分緊固的同時(shí)，要使用形狀保持裝置以保證管片的拼裝精度和管片的整體剛度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文參考某城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有高速鐵路路基地段工程案例，建立盾構(gòu)下穿既有高速鐵路線路各部件實(shí)體模型，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)盾構(gòu)開挖過(guò)程中軌道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律進(jìn)行了探討，結(jié)論如下:

1)盾構(gòu)施工會(huì)擾動(dòng)周圍土體，引起土層向圓心處收縮，經(jīng)過(guò)上方路基、軌道結(jié)構(gòu)的傳遞后，鋼軌也發(fā)生跟隨性位移，盾構(gòu)施工過(guò)程中，軌道垂向變形會(huì)不斷增大，在盾構(gòu)開挖完畢后逐步趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值，最大值發(fā)生于兩隧道中心線正上方，并且沉降曲線符合高斯曲線分布。

2)盾構(gòu)開挖面位于鐵路線路中心線正下方時(shí)，軌道沉降變形速率和兩軌沉降差達(dá)到最大值，通過(guò)線路中心線后其值會(huì)逐漸減小。雙線隧道貫通后，上部高速鐵路軌道仍會(huì)存在一定的橫向變形。

3)盾構(gòu)開挖斷面對(duì)鋼軌的橫向影響區(qū)域達(dá)到隧道開挖直徑的4倍～5倍，開挖過(guò)程中土層沉降槽面積不斷增大。

4)單條隧道開挖過(guò)程中，兩軌沉降峰值均發(fā)生在該隧道中心正上方，待另一條隧道開挖過(guò)程中，兩軌沉降峰值不斷從該隧道中心移至兩隧道中心線正上方。

5)隨著開挖的推進(jìn)，軌道結(jié)構(gòu)層間會(huì)存在沉降差，誘發(fā)沉降曲線波谷位置出現(xiàn)離縫趨勢(shì)，輪軌反復(fù)沖擊作用會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生周期性“拍打”現(xiàn)象，加快層間離縫的發(fā)展，影響軌道的使用壽命。

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Research on the existing railway track deformation caused by down-traversing shield tunnel construction of subway

Jin Qiong

(The 2nd Engineering Co．，Ltd of China Railway 17 Bureau Group Corporation，Xi’an 710043，China)

Based on finite element software ABAQUS，a couplingmodel of down-traversing tunnel and high-speed railway structure was built to study the law of track settlement.The related conclusions can provide a reference for the construction and maintenance departmentworks.

shield construction，track deformation，finite element，uneven settlement，high-speed railway

U216.3

A

1009-6825(2015)29-0161-03

2015-08-07

金 瓊(1982-)，男，工程師