盾構隧道下穿鐵路股道及火車站站房的影響分析

盧華喜，王漪璇，周珍偉，汪 雷

（華東交通大學土木與建筑學院，江西 南昌330013）

城市交通的迅猛發展帶動地下空間的開發利用，如今盾構技術已經廣泛應用于城市軌道交通業中，然而，由于土體結構分散且土顆粒性質具有隨機性，實際工程中難以把握其受力變形規律，國內外學者對土體的變形沉降規律進行了大量的研究，基本總結出導致其沉降的因素及沉降規律。同時由于土體的變形，勢必影響到土中基礎的穩定性，需分析出土體與基礎間的相互作用關系，從而得出盾構施工過程中基礎的變形與沉降特點。找出規律后方可針對具體情況提出相應的加固措施，以確保工程的順利進行。

美國學者R B Peck［1］首次提出“地層損失”的概念認為地層損失是導致土體變位的根本原因，在假設地質條件良好、施工設備完善的情況下，通過大量實測數據，總結出地表橫向沉降的規律，發現沉降槽寬度即為地層損失體積，并認為沉降值符合正態分布。Toshi Nomoto與Imamura仿照真實盾構情況制造微型盾構機模擬砂性土條件下盾構推進及盾尾脫出的情況，驗證了Peck公式的可靠性，并總結出在不同埋深以及不同盾尾間隙時地表的沉降規律，得出土壓力與盾尾間隙的關系。Sagaseta［3］對淺挖隧道引起的地層損失進行研究，提出“源匯法”計算地表變形；我國學者施成華［4］以隨機介質理論為基礎，將土體變形視為隨機過程，經過演算最終以柯莫哥洛夫方程表示出地表沉降量。本文在現有理論的基礎上，結合工程實例，針對南寧地質條件，土體采用摩爾-庫倫本構模型，利用有限元的思想建立數值模型，對盾構掘進過程導致的地表沉降及樁基變形進行量化分析并總結其形變規律。

1 工程概況

南寧軌道交通一號線上火車站為換乘車站全長約32.1 km，設站25座。其中，一號線衡陽西站-火車站區間隧道與二號線友愛站-火車站區間隧道在華衡小學操場附近形成斜交，然后四線并行下穿南寧火車站站房及站場鐵路股道。盾構隧道內徑Φ5.4 m，外徑Φ6.0 m。管片厚度0.3 m、寬度1.5 m，采用錯縫拼裝，標準環+左右轉彎環相組合。盾構施工過程中，通過采取加固等輔助措施，使站房和鐵路股道的沉降和變形控制在允許范圍內。

1.1 區間隧道下穿南寧火車站鐵路股道

南寧地鐵1、2號線盾構區間隧道下穿鐵路股道共14～16條股道，分別為南寧火車站（3座站臺，10條股軌道：其中6股為類似整體道床的板式道床，其下方為碎石，4股為碎石道床）和南寧鐵路局南寧客車車輛段（4～6股，有兩股軌道分岔，多出兩股道床）。具體下穿情況見圖1。

圖1 1、2號線區間隧道下穿火車股道平面圖Fig.1 The plan of shield tunnel of Line 1，2 beneath the rail tracks

1.2 區間隧道下穿南寧火車站站房

南寧火車站站房修建于1978年，為2 層鋼排架結構，采用Φ300、Φ420 mm 振動灌注樁基礎，樁長為8.63～11.18 m，樁尖進入圓礫層0.8 m，標準柱間距6 m×6 m。區間隧道與火車站站房的平面關系詳見圖2。

圖2 1、2號線區間隧道下穿站房平面圖Fig.2 The plan of shield tunnel of Line 1，2 beneath the railway station

1.3 工程地質與水文地質條件

結合本工程地質斷面，地層自上而下主要為：①2素填土、②1-2淤泥、淤泥質土、②3-2可塑狀黏性土、③1粉土、④1-1粉（細）砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3泥巖、粉砂質泥巖、⑦2-2粉砂巖、泥質粉砂巖、⑦2-3粉砂巖、泥質粉砂巖。其中，站場和站房段的區間隧道全斷面穿越⑤1-1圓礫，隧道頂部有②1-2淤泥和③1粉土。

站址范圍內有兩層地下水：第一層地下水主要賦存于雜填土①1、素填土①2中，屬上層滯水，第二層地下水主要賦存于⑤1-1圓礫層中，屬孔隙松散巖類水，水量豐富，具承壓性，與邕江河水有水力聯系，與朝陽溪無直接的水力聯系。

2 模型建立

2.1 下穿鐵路股道

本模型采用大型有限元軟件MIDAS/GTS進行模擬，建立2D模型，其中巖土采用平面應變單元模擬，管片由于為1D線單元，則使用梁單元模擬。考慮了開挖對土體的影響范圍，取模型中圍巖的寬度為95 m，深度為54 m，以研究特定斷面處在不同施工工況下圍巖與支護結構的受力與變形情況。施工順序為：1號右線→1號左線→2號右線→2號左線。隧道與鐵路股道相對位置關系如圖3，通過數值分析軟件劃分有限元網格如圖4。

圖3 下穿南寧火車站鐵路股道橫斷面圖（單位：m）Fig.3 The cross-section of shield tunnel beneath the rail tracks(Unit:m)

圖4 有限元分析網格圖Fig.4 The grid finite element analysis

各材料計算參數如下表：

表1 圍巖及支護結構物理力學參數取值表Tab.1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

2.2 下穿火車站站房

對于下穿火車站站房模型的建立，建立3D模型，土體、基礎采用實體單元，管片采用板單元。土體遵循Mohr-Colomb 破壞準則，基礎跟管片為線彈性。模型寬度為95 m、深度為54 m、長度為80 m。四線并行隧道下穿站房，為了有效分析隧道開挖過程對站房的影響，按兩者的實際位置關系建立三維模型，并將車站站房荷載按每層24 kPa（含人群荷載4.0 kPa）等效到每根立柱上，通過換算得到單個立柱承受的荷載為864 kN（按標準柱距6 m×6 m考慮）。施工順序為：1號右線→1號左線→2號右線→2號左線，隧道與基礎相對位置關系如圖5，采取數值分析軟件劃分有限元網格圖詳見圖6。

圖5 下穿南寧火車站鐵路股道橫斷面圖（單位：m）Fig.5 The cross-section of shield tunnel beneath the railway station(Unit:m)

圖6 有限元分析網格圖Fig.6 The grid finite element analysis

各材料計算參數如下表：

表2 圍巖及支護結構物理力學參數表Tab.2 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and supporting structure

3 計算結果及分析

3.1 下穿鐵路股道

圖7為隧道開挖完后鋼軌的沉降分布圖，從圖中可見：

1）地層未加固時：盾構直接掘進后，單洞沉降槽寬度約80 m，股道的最大沉降值達25.9 mm。

2）僅采取洞內加固后（通過已拼裝好管片注漿），單洞沉降槽寬度約35 m，股道最大沉降約9.8 mm，相鄰的鋼軌沉降差4.2 mm。

3）采取地面加固+洞內注漿：單洞沉降槽寬度約20 m，股道最大沉降約7.0 mm，相鄰的鋼軌沉降差3.8 mm。

由上可知，通過加固能顯著抑制地層的變形和控制地層沉降。

圖7 盾構隧道掘進后股道沉降Fig.7 The settlement of rail tracks after shield tunneling

3.2 下穿火車站站房

考慮洞內加固措施后，通過數值分析計算，圖8～圖10給出了管片內力及應力、站房基礎及地表沉降圖，從圖中可見：

1）各施工階段，管片應力相對較小，最大壓應力約2.0 MPa，最大拉應力約1.0 MPa；彎矩、軸力分布受施工先后的影響明顯，呈非對稱分布，先開挖隧道管片受力明顯大于后施工隧道的管片受力。

2）站房樁基礎沉降主要發生在隧道頂部位置，且隨著各洞室的開挖逐步增大；至施工完畢，站房樁基最大沉降約19.8 mm，最大地面沉降值為22.3 m，其中影響區范圍內的最大樁基沉降差約4.5 mm，最大相鄰樁基沉降差約2.6 mm，沉降差＜12 mm（根據GB50007-2002《建筑地基基礎設計規范》規定，框架結構0.002 l=0.002×6 000=12 mm）。

表3 各部分開挖沉降匯總表Tab.3 All parts of the excavation subsidence mm

綜上所述，區間隧道在下穿南寧火車站站房時，盾構管片受力并不大，通過加強配筋能夠滿足結構安全的要求；站房地面和基礎最大沉降值分別為22.3 mm和19.8 mm，可見地鐵施工波及地層的影響不大，能夠滿足站房沉降控制要求。

圖8 各部分開挖完后管片彎矩（左）及軸力（右）圖Fig.8 Segment bending moment（left）and axial force（right）after the excavation

圖9 各部分開挖完后管片應力圖Fig.9 Segment stress after the excavation

圖10 各部分開挖完后站房基礎及地面沉降圖Fig.1 0 The settlement of foundation of railway station and surface after the excavation

4 加固方案

通過建立有限元模型，根據計算結果并針對本工程具體情況，對于隧道下穿鐵路股道時，從安全角度考慮，加固方案采用地面袖閥管注漿加固+洞內加固相結合的形式；下穿火車站站房時，由于地面加固條件受限，加固方案采用洞內加固。具體加固措施為：

1）地面袖閥管注漿加固：袖閥管呈梅花形布置，間距1 m，豎直方向加固范圍為隧道上方至6 m，下方至2 m，水平方向加固范圍即為沉降槽橫向影響范圍。外側的3排袖閥管注入水泥、水玻璃混合漿，內側中間區域僅注入水泥漿。漿液擴散半徑不小于0.75 m，注漿壓力0.5～3.5 MPa，注漿壓力逐步提升，達到注漿壓力后穩壓10 min。地面注漿前，需與鐵路主管部分協調同意。

2）洞內加固：在管片處增設Φ32注漿孔對管片外的地層加強加固，具體措施為：上部封頂快設置一個注漿孔，其余五片管片每片上設置3個注漿孔，注漿孔沿管片中線布置，環向間距22.5°。孔內漿液使用水泥、水玻璃混合漿。為保證注漿質量，切不可一次注入大量漿液，以防止漿液不均勻產生空隙。

5 結論

通過模擬隧道下穿鐵路股道及火車站站房的施工過程及加固方案，觀察未加固和加固情況下隧道上方環境的變化，得出以下結論：

1）區間隧道在下穿鐵路股道時，采用對開挖處地層進行加固和洞內加固的方式可以顯著縮小單洞沉降槽的范圍，抑制地層的變形。在覆土厚度約20 m、開挖直徑為6 m的情況下最多可使沉降槽縮短60 m左右。說明沉降槽的寬度隨著土層剛度及洞室剛度的增加而減小。

2）通過加固地層及管片外土體可顯著控制地表沉降，緩和沉降差。說明地表變形程度隨土層剛度及洞室剛度的增加而減小。

3）區間隧道在下穿火車站站房時，盾構管片受力并不大，通過加強配筋能夠滿足結構安全的要求，且先后開挖明顯影響了管片內力的大小，并使內力呈不對稱分布。

4）當設置隧道距基礎底端有一定距離，通過加固后即可有效地控制基礎及地表變形。地層剛度的增加也使得樁基的沉降差明顯縮小，從而保障了隧道上方建筑的安全。

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