富水砂性地層中地鐵盾構下穿鐵路施工引起的沉降分析

李衛華，張浩文，孔德駿

(1.南通城市軌道交通有限公司， 江蘇 南通 226000；2.蘇交科集團股份有限公司， 江蘇 南京 210000)

近年來，隨著國內各城市地鐵的迅速發展，地鐵盾構下穿各種建(構)筑物已成為一種普遍的現象[1-4]。地鐵盾構施工不可避免對周圍地層產生影響，使周邊建構筑發生變形，控制環境影響是盾構施工的重點[5-8]。許多學者分別采用數值模擬、實測分析和理論預測的方法研究了盾構下穿鐵路的變形情況，獲得了許多研究成果[9-11]。蔡小培等[12]建立軌道-路基-土體有限元模型，分析了盾構開挖過程中高速鐵路軌道的變形特征。彭華等[13]通過數值模擬、現場實測分析了盾構下穿施工中道床沉降的時程變化及沉降槽發展趨勢。鄒浩等[14]利用杭州地鐵盾構隧道下穿既有鐵路路基工程現場監測數據，分析了在盾構下穿施工過程中鐵路軌道、路基坡腳及路肩的位移變化規律。齊勇[15]采用Peck方程分析了盾構下穿鐵路路基引起的地表沉降影響范圍及變形量。然而，上述研究成果在應用Peck方程進行理論預測時，多未對方程本身進行分析，更未將分析的結果與數值模擬結合起來，而這對于隧道施工環境影響性的更深入研究具有重要意義。

結合富水砂層地區某地鐵盾構下穿鐵路工程實例，研究下穿施工引起的地表沉降和差異沉降。首先分析Peck方程，提出地表最大沉降差的表征參數，其次應用數值模擬方法研究地層損失率、隧道埋深和地層加固對地表沉降和差異沉降的影響規律。本文的研究成果可為類似工程施工及進一步研究提供依據。

1 工程概況

某地鐵區間隧道下穿既有鐵路，穿越范圍內涉及7條股道、2座站臺及22個雨棚柱基礎，地鐵隧道采用土壓平衡盾構法施工，隧道內徑5 500 mm，外徑6 200 mm。其中，與既有鐵路交匯處的兩條地鐵隧道平行設置，隧道中心距15 m，隧道頂面距離地表9.5 m，距離雨棚柱基礎底面13.5 m，地鐵隧道與既有鐵路幾乎垂直。圖1所示為地鐵隧道與既有鐵路設施的平面位置關系圖。

圖1 擬建地鐵盾構隧道下穿既有鐵路平面圖

施工場地位于富水砂性土層中，土層的特性及力學性能參數如圖2所示。對本工程有影響的地下水類型為潛水，潛水穩定水位埋深1.08 m～1.95 m。

圖2 場地土層特性及力學性能參數

根據鐵路系統標準，并結合國內工程經驗，確定擬穿越鐵路軌道及構筑物變形控制標準如下：

(1) 鐵路路基沉降控制標準為盾構隧道下穿施工期間最大沉降不大于10 mm。

(2) 鐵路正線軌道幾何尺寸容許偏差值按10 m弦長范圍內軌道高差不大于6 mm。

(3) 雨棚柱下獨立基礎沉降不得超過20 mm，差異沉降不得超過基礎間距的1‰。

2 Peck方程分析

盾構隧道施工使周圍土層產生位移，引起地表沉降，進而引起地表建構筑物的沉降及變形。關于隧道施工引起地表沉降的分布規律，Peck[16]教授在分析大量實測資料的基礎上提出地表沉降橫向分布的Peck公式：

(1)

式中：R為隧道開挖半徑，m；η為地層損失率；i為地表沉降槽寬度系數。

對式(1)求導數，得：

(2)

令S′(x)=0，得x=0，此時S(x)有最大值：

(3)

對式(2)求導數，得：

(4)

(5)

3 地表沉降的影響因素

為了研究盾構施工引起地表沉降的一般規律，將盾構隧道開挖簡化為平面應變問題，采用二維有限元軟件PLAXIS 2D進行模擬分析。模擬工況中隧道埋深為5 m～20 m，為減小邊界約束對隧道的影響，模型在水平方向上向兩側各拓展4倍的隧道埋深，模型豎向尺寸取最大鉆孔深度40 m。模型水位條件取地下水位埋深1 m。為便于材料參數的取值，土體采用經典的莫爾-庫侖本構模型，隧道襯砌采用彈性本構模型。劃分好網格的二維有限元模型如圖3所示，整個模型的單元數在1 300個左右。隧道施工分兩步模擬：(1) 激活隧道襯砌單元，同時鈍化隧道內土體單元，并取消隧道內水壓；(2) 設置隧道收縮率，用以模擬盾構施工引起的地層損失。利用以上方法，研究地層損失率、隧道埋深兩個因素對地表沉降的影響。

圖3 二維有限元模型

3.1 地層損失率對地表沉降的影響

圖4為覆土厚度一定，不同地層損失率下的地表沉降曲線，可以看出，不同地層損失率下的地表沉降均符合Peck方程分布。圖5為不同地層損失率下的地表最大沉降量，地表最大沉降量隨地層損失率的增大而增大，當地層損失率分別為0.5%和3.0%時，地表最大沉降分別為2.3 mm和44.0 mm。

圖4 不同地層損失率下的地表沉降

圖5 不同地層損失率下的地表最大沉降

圖6 不同地層損失率下的沉降槽寬度系數

圖7 不同地層損失率下的地表差異沉降系數

通過以上模擬分析，可以推斷，當地層損失率在0.5%～3.0%變化時，在擬建場地進行盾構施工，減小地層損失率可以降低地表沉降，同時可以降低地表差異沉降。從圖5、圖7可以看出，當地層損失率控制在1.0%以內時，可滿足地表沉降及差異沉降控制要求。

3.2 隧道埋深對地表沉降的影響

圖8為控制地層損失率為0.5%，不同隧道頂面埋深下的地表沉降曲線，可以看出，不同隧道埋深下的地表沉降均符合Peck方程分布。圖9為不同隧道埋深下的地表最大沉降量，地表最大沉降量總體上隨著隧道埋深的增大而減小；其中，當隧道埋深從17.5 m增加至20.0 m時，最大沉降量增加，這是由于埋深增加后，隧道進入較為軟弱的粉質黏土層所致。

圖8 不同隧道埋深下的地表沉降

圖9 不同隧道埋深下的地表最大沉降

采用Peck方程對模擬結果進行擬合，得到不同隧道埋深下的沉降槽寬度系數，如圖10所示，可以看出，地表沉降槽寬度系數i總體上隨著隧道埋深的增大而增大；其中，當隧道埋深從17.5 m增加至20.0 m時，沉降槽寬度系數減小，這是由于埋深增加后，隧道進入較為軟弱的粉質黏土層所致。

圖10 不同隧道埋深下的沉降槽寬度系數

根據式(5)計算得到不同隧道埋深下的地表差異沉降系數，如圖11所示。地表差異沉降系數 隨著隧道埋深的增大而減小，當隧道埋深分別為5 m和20 m時，地表差異沉降系數分別為1.8 mm/m和0.2 mm/m。

圖11 不同隧道埋深下的地表差異沉降系數

通過以上模擬分析，可以推斷，在擬建場地進行隧道施工，增大隧道埋深可以降低地表沉降，同時可以降低地表差異沉降。

4 地層加固的影響效應

實際工程地鐵盾構下穿鐵路前，擬采用袖閥管從地面對下穿鐵路路基下方土體進行注漿加固，水平加固范圍為隧道結構輪廓外3 m，加固深度為鐵路路基頂面下5 m至地鐵隧道結構下3 m，注漿材料為水泥單液漿，注漿加固區土的無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，滲透系數不小于1×10-6cm/s。為了研究加固措施對地層變形的影響，并考慮雙線隧道施工的空間效應，采用三維有限元軟件進行建模分析。考慮鐵路設施與地鐵隧道的位置關系，并減小邊界約束的影響，模型橫向長度取120 m，縱向取100 m，高40 m。土體采用莫爾-庫侖本構模型，軌道、隧道襯砌、站臺結構、雨棚柱及基礎均采用彈性本構模型，注漿加固效果通過改變加固范圍內土體的莫爾-庫侖參數實現，加固后土體的重度為22 kN/m3，內摩擦角30°，黏聚力100 kPa，彈性模量150 MPa，泊松比0.3。劃分好網格的三維有限元模型如圖12所示，整個模型單元數量在12萬個左右。

圖12 三維有限元模型

圖13和圖14分別為地層加固前后的鐵路軌道沉降云圖。由圖可見，地層加固前后，軌道最大沉降量均發生在兩條隧道中間位置。地層加固前，軌道最大沉降量為9.6 mm，接近控制標準上限；軌道10 m弦長內高差約為4.6 mm，滿足控制標準。地層加固后，軌道最大沉降量為5.8 mm，軌道10 m弦長內高差約為2.8 mm，沉降量與沉降差均明顯減小。由此可見，注漿加固措施可以顯著減小盾構施工引起的地表沉降，實際工程中為了確保滿足鐵路軌道沉降的控制要求，并儲備一定的安全余量，應采用注漿加固方案在盾構穿越前對地層進行處理。

圖13 地層加固前的軌道沉降

圖14 地層加固后的軌道沉降

圖15為地層加固后的雨棚柱基礎沉降云圖，由圖可見，最大沉降量發生在雨棚中柱，沉降值為5.6 mm。雨棚柱基礎間的差異沉降約為基礎間距的萬分之一。加固后，雨棚柱基礎最大沉降及差異沉降滿足控制標準。

5 結 論

圖15 雨棚柱基礎沉降

(2) 盾構下穿鐵路施工，地層損失率在0.5%～3.0%變化時，減小地層損失率可以同時降低地表最大沉降量和地表最大差異沉降。為滿足地表沉降及差異沉降控制要求，隧道施工地層損失率應控制在1.0%以內。

(3) 在擬建場地進行隧道施工，增大隧道埋深總體上可以降低地表最大沉降量，同時可以降低地表最大差異沉降。隧道進入軟弱土層對地表沉降控制不利。

(4) 對隧道周圍土體注漿加固可以顯著降低盾構下穿鐵路施工引起的軌道沉降，加固前軌道最大沉降量和軌道10 m弦長內高差分別為9.6 mm和4.6 mm，加固后為5.8 mm和2.8 mm。加固后，雨棚柱基礎間的沉降差異沉降約為基礎間距的萬分之一。盾構下穿施工滿足鐵路軌道及構筑物變形控制要求。