軟土地區盾構側穿鐵路箱涵影響分析

周 航 生

(長春宏建工程設計有限公司天津分公司，天津 300143)

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軟土地區盾構側穿鐵路箱涵影響分析

周 航 生

(長春宏建工程設計有限公司天津分公司，天津 300143)

針對某地鐵工程盾構區間繞避側穿鐵路箱涵，下穿鐵路路基的工程情況，建立了整體有限元模型，分析了穿越工程對鐵路路基及鐵路箱涵的影響，并提出了應對措施，從而保證鐵路運營和施工的安全性。

鐵路路基,箱涵,盾構法，有限元模型

0 引言

隨著地鐵工程在各個城市不斷擴張，地鐵隧道工程與既有鐵路工程交集越來越多。盾構隧道在軟土地區一般采用盾構法施工[1]，工程的實施不可避免會對既有鐵路造成影響，因此需要在事前設計階段做好詳細分析，施工階段做好監測及保護措施，運營階段跟蹤監測并對地鐵列車限速。

本文將通過有限元軟件Midas/GTS模擬建立整體分析模型，分析下部地鐵盾構開挖過程對其上方既有運營鐵路的影響。

1 工程簡介

線路出站后從北側繞避鐵路箱涵，依次穿越鐵路路基、公園及市政橋，至下一站。區間線間距9.8 m～15.6 m；左線分布三組平曲線，曲線半徑分別為1 000 m，450 m，500 m；右線分布三組平曲線，曲線半徑分別為700 m，450 m，450 m。

區間線路縱斷面呈“人”字坡，左線出站后分別以8.97‰坡度上坡、4.16‰坡度下坡至下一站；右線出站后分別以9.03‰ 坡度上坡、4.28‰坡度下坡至下一站；區間覆土厚度7.07 m～11.77 m。

地鐵區間采用盾構法施工，內徑5.5 m，外徑6.2 m，襯砌采用0.35 m厚C50鋼筋混凝土。

2 有限元模型

2.1 計算原則

1)數值模擬計算模型范圍應根據隧道施工的影響范圍、既有鐵路結構的實際工作影響范圍，邊界條件不受二者影響的原則確定。

2)數值模擬計算采用的地層力學參數應符合實際的力學狀態。

3)數值模擬計算采用彈塑性分析。

4)數值模擬計算的假定和過程模擬應符合實際的施工力學狀態和地鐵結構的工作狀態。

2.2 計算模型

地鐵區間盾構隧道采用板單元模擬，其尺寸、屬性按實際情況給定。土體及箱涵均采用實體單元模擬，箱涵樁基采用樁單元模擬，模型尺寸取100 m×100 m×60 m。

本次計算為了分析盾構左右線開挖順序對箱涵及地表的影響，分別建立了左線先行與右線先行的模型。有限元模型如圖1所示，土體上表面自由，其他各邊界均法向固定。箱涵—隧道位置關系見圖2。

計算模型主要穿過雜填土、粘質粉土②1、淤泥及淤泥質粘土④1、淤泥質粉質粘土④2、淤泥質粉質粘土夾粉土⑥1等5層土體，同時有箱涵、鉆孔樁、管片、盾構注漿等材料。根據地勘資料及混凝土材料參數，各種材料的參數取值見表1。

表1 材料參數取值

2.3 計算假定

采用摩爾庫侖彈塑性分析。

模型范圍選擇的依據：根據彈性理論，對于單一圓形洞室，當側壓力系數為0時，其在半徑為2.67及7.72倍洞室半徑的圓環處，其切向應力分別為初始應力的1.1倍及1.01倍；當側壓力系數為1時，其在半徑為3.16及10倍洞室半徑的圓環處，其切向應力分別為初始應力的1.1倍及1.01倍。根據本工程實際情況，模型邊界均取隧道半徑的8倍以上，能夠滿足計算精度要求。

假定計算邊界處不受隧道開挖的影響，即該處為靜止的原始應力狀態，變形為零，用約束來模擬。

盾尾空隙、土體擾動及同步注漿采用0.5 m厚等代層模擬。Loganathan和Poulos在1998年把空隙參數定義為等代層模型[2]，結合均勻彈性半空間隧道的解析方法，預測在粘土層中盾構施工引起的地層移動。后在有限元分析應用中，擴展了等代層的定義，將盾尾空隙、土體擾動層及注漿層概化為一個均勻的等代層考慮，能夠在一定程度上反映這些因素的綜合影響，在滿足計算精度的條件下簡化模型。等代層的參數在考慮盾構所在土層的條件下，適當縮減。

注漿加固土的力學參數可適當的提高。

過程模擬：1)初始地應力；2)既有箱涵施工模擬；3)盾構左右線的分步施工模擬，左右線分別先開挖。

3 結果及分析

3.1 計算結果

兩線開挖后豎向位移見圖3，箱涵及樁基位移見圖4，圖5。

3.2 計算結果分析

1)從路基沉降計算結果看，右線先行開挖工況最終路基沉降為8.64 mm，左線先行開挖工況最終路基沉降為8.25 mm，可見就控制路基沉降而言，左線先行施工略有優勢，但兩種工況均將路基沉降控制在10 mm之內。

2)從地表沉降看，右線先行開挖工況最終地表沉降為9.86 mm，左線先行開挖工況最終地表沉降為9.74 mm，低于地表沉降控制值30 mm。

3)從箱涵及樁基變形情況看，右線先行開挖時，箱涵水平位移與豎向位移分別為1.96 mm和4.36 mm，樁基水平位移與豎向位移分別為0.96 mm和3.85 mm；左線先行開挖的計算結果較右線先行開挖略大，但箱涵最大變形及樁基最大變形均在5 mm及1 mm左右。

4)計算結果表明，盾構隧道開挖對鐵路箱涵及路基的影響都在規范控制范圍之內，但理論模擬難以反映盾構開挖的全過程，對施工誤差、開挖掘進的土層損失、同步注漿和二次注漿等無法做到精確分析，實際施工過程中還應做好過程控制，盡量減小施工誤差、降低地層損失、加強注漿，減少盾構施工對鐵路的影響。

4 結論及建議

工程研究的重點是控制箱涵結構變形和路基沉降，保障鐵路安全運營。

1)根據理論計算，采用右線盾構先行施工的施工方法對盾構下穿鐵路時路基沉降更為有利，但如受實際施工組織方案影響，采用左線先行對鐵路的影響也處于規范要求的可接受范圍之內，地鐵盾構隧道施工對既有鐵路無重大影響。應做好在隧道穿越過程中的施工控制，加強監測，根據監測數據及時反饋，調整支護參數與施工方法。

2)做好施工應急預案，與鐵路部門密切配合，發現異常及時采取處理措施，確保鐵路運營安全。

3)根據以往施工經驗，推進速度不宜過快(難以保證同步漿液的注入量和盾尾密封油脂的飽滿壓入)也不宜過慢(增加對盾構周邊土體的擾動，增大沉降)。推進速度宜控制在20 mm/min～30 mm/min。在此推進速度下保證盾構均衡勻速推進、連續性施工，杜絕盾構停滯，以減少盾構對土體的擾動，減少地表沉降。

在穿越鐵路施工時必須預先控制好盾構的姿態，控制和掌握盾構單次糾偏的幅度，使糾偏盡量均勻且穩定，以減少糾偏對周圍土體造成的影響。在該地段盡量不進行糾偏，直接通過。

4)對盾構穿越段鐵路中心線外各30 m范圍內的地表、鐵路箱涵變形、鐵路軌道沉降、盾構區間變形等進行實時監測[3,4]。

5)為保證鐵路運營和施工安全，建議列車限速至40 km/h以內。

[1] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[M].北京：人民交通出版社,2010.

[2] Loganathan N,Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998(15)：26-28.

[3] TB 10121—2007，鐵路隧道監控量測技術規程[S].

[4] 夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監測技術[M].上海：同濟大學出版社,1999.

The influence analysis on shield side crossing railway box culvert in soft soil area

Zhou Hangsheng

(Tianjin Branch, Changchun Hongjian Engineering Design Limited Company, Tianjin 300143, China)

According to the engineering situation of shield section avoidance routing side crossing railway box culvert of a subway engineering, underpass railway sub-grade, this paper established the overall finite element model, analyzed the influence of crossing engineering to railway sub-grade and railway culvert, and put forward corresponding measures, so as to ensure the safety of railway construction and operation.

railway sub-grade, box culvert, shield method, finite element model

1009-6825(2017)12-0150-03

2017-02-16

周航生(1990- )，男，碩士，助理工程師

U455.43

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