雙線盾構下穿鐵路路基沉降研究

王雅莉

(南京高等職業技術學校，南京 210000)

0 引 言

隨著我國的城市化進程不斷升級，我國城市交通基礎設施面臨的壓力也是前所未有的。在這種現況下，北上廣等一線城市率先通過軌道交通網絡的建設解決了部分交通需求，參考一線城市的成功案例，其他大部分的城市在面臨交通壓力時也會相繼選擇較為成熟的解決方案。盾構法因為其施工過程中的干擾因素較少、對地面已建成交通的影響較小、施工周期短、成本低等優點而受到大量運用[1-3]。朱偉[4-6]指出國內在盾構施工技術與管理上尚有缺陷，以及未來盾構法施工技術的發展方向。蔣洪勝[7]基于上海二號線盾構隧道下穿污水管道，將盾構施工過程分為靠近、下穿和遠離3個不同的施工階段。黃宏偉[8-9]分析了盾構施工掘進時各個階段引起的沉降值的占比。張冬梅[10]等將時間效應引入到盾構施工造成的地表沉降，并得到地表沉降的計算公式。顧其波[11]以寧波地鐵1號線作為工程背景，對已有的地表沉降數據預測公式進行分析計算，進一步驗證了公式的適用性。韓煊和李寧[12-13]先后研究了盾構施工導致地層沉降和建筑物變形的預測模型和盾構引起地表沉降的peck公式的適用性，并對公式中的參數提出相應的建議。

本文依托于江蘇省淮安市某盾構施工工程，其關鍵技術之一即為盾構法隧道下穿高鐵鐵路路基關鍵技術分析。本文采用ABAQUS有限元分析軟件模擬盾構隧道下穿鐵路路基的工況，分析注漿壓力的施工參數對地表沉降的影響，并通過擬合公式為實際工程提供參考。

1 工程概況

該盾構下穿鐵路路基工程位于江蘇省淮安市，施工方案為泥土壓力盾構機，計劃在鐵路開通運營之前施工完成，因此不考慮列車在運營時產生的列車荷載。鐵路站臺地基寬度約為130 m，平行雙孔隧道下穿鐵路路基的長度為130 m左右，左右兩邊隧道的中心距離約為13 m，隧道頂部距離地表約20 m，隧道的中心線與鐵路路基的方向大致成90°，由于曲率半徑相對于長度較小，故不考慮。根據地質勘察報告可以得到所需的各個土層的材料參數，見表1。

表1 地層物理參數表

2 數值模型的假設與建模

2.1 模型假設

本文采用大型有限元軟件ABAQUS建立數值模擬模型，對盾構機下穿鐵路路基進行模擬和分析。因為數值模擬中無法如現實條件般把所有的自然和人為等因素都考慮進去，因此需要作出一系列的假設，使數值模型能夠對現實世界中的復雜條件進行一定的簡化，有針對性地分析單一變量或幾種重要變量，從而忽略次要的或者難以在模型中實現的因素。假設三維有限元數值盾構施工模型符合下列假設條件：

①各向同性假設；②土層厚度均一且分布水平；③在盾構施工過程中只考慮盾構的注漿壓力和土倉壓力；④忽略地面線的斜率，認為地面是一個水平面，而且鐵路路線與盾構路線正好正交；⑤盾構機施工的過程視為盾構機的空間變化，不考慮時間因素；⑥不考慮施工前的地基處理和施工過程中地下水的影響；⑦不考慮施工過程中的不可抗力因素。

2.2 盾構施工過程在模型中的簡化實現

在ABAQUS有限元分析軟件中，可以在分階段施工管理中設置施工步驟的均勻性，這與實際盾構施工過程中的實時糾正偏差是有差別的。在現實施工的過程中使用到的“克泥法”工法，即在盾構的外殼與刀盤的外徑之間輸入注漿材料，然后將液態注漿材料賦予固態注漿材料的屬性。在ABAQUS中，可以利用LDF開挖荷載釋放系統來模擬這一點，可以將上一步驟中的LED釋放系數設置為0.3，而在后一步驟的LED釋放系數則設置為0.7，這樣就可以認為盾構機外殼在施工過程中的變形非常小，可以近似認為是剛體。在數值模擬中，盾構的施工過程可以認為是“開挖-液體注漿-注漿材料固化成固體”這3步為循環的逐步掘進。

2.3 三維數值模擬模型的建立

采用ABAQUS有限元分析軟件建立三維有限元模型，模擬盾構機掘進時雙線下穿鐵路路基的施工過程。因為實際工程中的盾構掘進過程中施工的長度高達135 m且盾構隧道的埋深較大，這些因素都將導致程序計算時間過長，同時考慮到模擬盾構掘進的過程中是施工步驟的循環，所以適當降低盾構掘進的長度為25 m。在模型中利用實體單元模擬鐵路的路枕、鋼軌等鐵路的附屬結構。模型圖見圖1。

圖1 盾構雙線下穿鐵路路基三維模型圖

從工程背景中可知，各個土層從上至下分別為人工填土、砂質粉土、黏土、粉質黏土、夾砂質粉土和粉砂。為了減小邊界條件對模型計算的影響，將模型的尺寸設定為長度為100 m，寬度為25 m，模型的高度為50 m，盾構隧道的頂部距離地表為20 m，盾構隧道和鐵路的夾角為90°。三維有限元數值模型的土體采用的本構為Mohr-Coulomb，盾構外殼、襯砌、液態注漿層、固態注漿層和軌枕采用彈性模型。模型的邊界條件為在X=0處約束X方向的位移，在Y=0處約束Y方向的位移，在Z=0處約束Z方向的位移。在實際工程中，盾構下穿施工計劃在鐵路開通運營前施工完畢，故不考慮高鐵運營時的列車荷載等條件。模型經過網格劃分后共有36 806個單元，40 146個節點。

在模型中各個土層的物理力學參數是通過地質工程勘探報告獲得的，將報告中涉及到的三維建模所需的土層材料參數和結構材料參數作出整理，見表1和表2。

表2 模型結構參數表

模型中施工參數的選取參考相關理論計算或者相似的工程經驗可知，土倉壓力的上限約為230 kPa，下限約為170 kPa。為分析盾構掘進過程中注漿壓力的變化對結果的影響，共設置6種計算工況，不同的計算工況僅有注漿壓力這一變量有所不同，其他的施工參數如土倉壓力、盾構掘進長度和盾構隧道中心線的水平間距都是相同的。計算工況表見表3。

表3 數值模擬工況表

3 數值計算結果

3.1 截面的沉降槽分析

工況1-工況6的沉降槽曲線圖2-圖4。

圖2 工況1-工況6右邊隧道開挖完畢后沉降曲線圖

圖3 工況1-工況6左邊隧道開挖完畢后沉降曲線圖

圖4 工況1-工況6沉降曲線變化趨勢

從圖2中可以看出，當工況1-工況6右邊隧道開挖結束時，沉降槽的最大沉降值位于右邊隧道的中心處，最大沉降值范圍為-2.74～-6.52 mm，沉降槽的寬度在漸漸變小，這說明隨著注漿壓力的變大，右邊隧道中心的最大沉降值在逐漸變小，而且從工況1-工況6這種沉降減小的差值在不斷變小。從圖3中可以看出，共工況1-工況6左邊的隧道開挖完畢，沉降槽的發生最大沉降值的點往左偏移，而且最大沉降值的范圍較右邊隧道有所增加，最大沉降值的范圍是-4.36～-11.63 mm。這同樣說明了隨著注漿壓力的增加地表沉降的降低，也可以把沉降槽的寬度系數降低。圖4為每一種工況的沉降槽隨時間的變化曲線，可以看出從工況1-工況6在右邊隧道開挖結束之后左邊隧道開始開挖，沉降槽的寬度在變大，深度也在加深。當注漿壓力增加到一定值時，地表可能會發生隆起，如后面幾個注漿壓力較大的工況。

3.2 時程曲線分析

工況1-工況6的節點時程曲線見圖5-圖7，圖中橫坐標為施工步驟前12步右邊隧道的開挖階段，13-24步為左邊隧道的開挖階段，左右隧道中心節點在同一橫截面上。

圖5 工況1-工況6右邊隧道中心節點時程曲線

圖6 工況1-工況6左邊隧道中心節點時程曲線

圖7 工況1-工況6左右邊隧道中心節點時程分析曲線

從圖5可以看出，工況1-工況6施工工況的前12步的斜率大于后面13-24步的施工斜率，而且各個工況的施工斜率的發展趨勢相同。這表明注漿壓力越高，其沉降曲線的斜率越低，兩者呈反相關，同時右邊隧道開挖引起的右邊隧道中心點沉降大于左邊隧道開挖對其中心點沉降的影響。從圖6可以看出，各個工況的前12步的沉降曲線的斜率要小于后面13-24步的沉降曲線斜率，且各個工況的沉降曲線斜率變化趨勢相同，這同樣說明注漿壓力的增大可以有效降低沉降曲線的斜率，而且可知左邊隧道對沉降的影響大于右邊隧道的影響。從圖7可以看出，工況1-工況6等6種工況的左右兩邊隧道的中心節點的最終沉降值相差不大，兩個隧道中心節點的時程曲線呈“果核”狀。這是因為在同一開挖工況中，前12步右邊隧道的沉降曲線斜率絕對值大于左邊隧道沉降曲線斜率，當施工步驟為13-24步時斜率絕對值大小為左邊隧道大于右邊隧道，而且隨著注漿壓力的增加，左右兩個隧道中心節點的時程曲線斜率的絕對值差值在不斷增大，所以在曲線圖中呈現出“果核”狀分布。

3.3 注漿壓力與單線盾構地表沉降的關系

ABAQUS有限元軟件模擬的右邊隧道開挖完畢時地表沉降的最大值出現在右邊隧道的中心位置，表4為右邊隧道開挖結束之后地表沉降的最大值隨注漿壓力的變化。從表4可知，隨著注漿壓力的增大地表沉降的最大值會變小，將表4中的數據繪圖可得到圖8，并將圖8中曲線擬合得到線性方程，見式(1)：

圖8 右邊隧道注漿壓力與最終沉降的關系曲線

表4 注漿壓力與單線隧道掘進時地表沉降的關系表

S1=0.015P-9.496

(1)

式中：S1為右邊隧道開挖結束時的沉降值，mm；P為注漿壓力值，kPa。

從表4和圖8中可知，注漿壓力與地表沉降的最大值呈正線性相關，其相關度為R=0.99。可以通過式(1)預測盾構單線隧道或雙線盾構隧道中先行線中的地表沉降。

3.4 注漿壓力與雙線盾構地表沉降的關系

ABAQUS有限元軟件模擬的雙線盾構隧道開挖的最大地表沉降出現在兩個隧道的中間位置，將注漿壓力與對應的最終地表沉降最大值列于表5中，將表5中的數據繪圖得到圖9，并將圖9中的曲線擬合得到線性方程，見式(2)：

S2=0.029P-17.332 2

(2)

式中：S2為左右隧道開挖完畢之后的最終沉降量最大值，mm；P為注漿壓力值，kPa。

從表5和圖9中可知，雙線盾構隧道完工之后沉降最大值范圍為-4.37～-11.63 mm。而且可以看出，地表沉降與注漿壓力成正線性相關，相關度R=0.99，可以利用式(2)對雙線盾構隧道中的地表沉降進行預測分析。

表5 注漿壓力與雙線隧道掘進時地表沉降的關系表

圖9 左右雙線隧道注漿壓力與最終沉降的關系曲線

4 結 論

采用有限元軟件ABAQUS模擬不同工況下雙線盾構隧道下穿高鐵鐵路路基，可以得出以下結論：

1)無論是單線盾構隧道下穿路基還是雙線，盾構的注漿壓力可以影響沉降的大小和沉降槽的寬度。隨著注漿壓力的增大，地表沉降會隨之減小，沉降槽的寬度也會變大，當注漿壓力達到一定程度時可能會使地表發生隆起。

2)沉降曲線斜率受到相鄰隧道開挖的影響，當左右兩個隧道先后開挖時沉降曲線的分布呈現出“果核”狀，而且沉降曲線斜率隨著注漿壓力的增加而變小。

3)單線盾構隧道和雙線盾構隧道的地表沉降最終值都與注漿壓力有關，而且兩者呈正相關，可以利用兩者的關系預測單線或雙線盾構掘進時地表的沉降值。