天津盾構(gòu)隧道下穿鐵路對(duì)股道沉降的影響及控制技術(shù)

高 鵬

（中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京 100855）

1 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展，地鐵下穿既有火車(chē)股道工程日益增多。盾構(gòu)下穿施工不僅會(huì)影響到既有火車(chē)周邊附屬建筑物安全，還會(huì)引起既有城際鐵路股道的差異沉降；當(dāng)下穿股道的不均勻沉降或左右軌差異沉降過(guò)大時(shí)，將對(duì)列車(chē)行車(chē)及乘客生命安全造成嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)有盾構(gòu)下穿既有城際鐵路股道的研究大多基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料實(shí)時(shí)分析股道變形規(guī)律，在不超過(guò)預(yù)警值的前提下，制定對(duì)盾構(gòu)下穿工程的相應(yīng)控制措施[1-2]。研究方法一般可分為理論公式和模型試驗(yàn)法，理論公式法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行較大程度的簡(jiǎn)化，往往與實(shí)際復(fù)雜工況出入較大，尚存局限性；模型試驗(yàn)法由于其尺寸效應(yīng)的存在及相關(guān)消耗巨大，應(yīng)用研究較少。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，反觀(guān)有限元數(shù)值模擬不僅能夠考慮實(shí)際各類(lèi)地層性質(zhì)的影響，且可對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬，較為全面地反映地層變形特征與沉降規(guī)律；基于此，已有學(xué)者得到很多有價(jià)值的研究成果[3-4]。馬相峰等[4]基于FLAC3D（美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)的仿真計(jì)算軟件）分析砂卵石地層注漿加固對(duì)雙線(xiàn)盾構(gòu)下穿鐵路沉降控制的有效性，齊勇等[6]等通過(guò)SAP2000研究便梁與注漿加固方案對(duì)地鐵盾構(gòu)機(jī)下穿既有城際鐵路的沉降控制效果。

現(xiàn)在，有關(guān)地鐵盾構(gòu)機(jī)穿越既有城際鐵路股道的精細(xì)化數(shù)值模擬仍較少，且往往采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)。本研究以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在某既有城際鐵路股道下部穿越作為研究背景，通過(guò)Plaxis3D有限元分析軟件精細(xì)化建模，采用反映土體掘進(jìn)卸荷作用的HSS本構(gòu)模型，研究盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)火車(chē)股道的影響，并針對(duì)采取樁筏和非樁筏的不同加固舉措對(duì)盾構(gòu)隧道下穿既有城際鐵路股道的不同作用，為類(lèi)似地鐵下穿既有城際鐵路項(xiàng)目施工提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 工程概況

天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道呈東西走向，區(qū)間隧道呈長(zhǎng)條形，沿線(xiàn)不僅具有很多年代久遠(yuǎn)的建筑物，而且地下電纜、燃?xì)獾雀鞣N管線(xiàn)十分龐雜。盾構(gòu)區(qū)間底板設(shè)計(jì)標(biāo)高范圍在3.9～6.4 m之間。區(qū)間隧道施工擬選用土壓式平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)管片材質(zhì)為鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)；管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，厚度0.3 m。盾構(gòu)隧道區(qū)間最大埋深10.1 m，所處地層為圓礫層。地鐵區(qū)間隧道和城際鐵路股道示意圖如圖 1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿既有城際鐵路股道平面示意圖

3 數(shù)值分析模型的參數(shù)設(shè)置

3.1 土層分布及材料參數(shù)

借助Plaxis 3D對(duì)地鐵盾構(gòu)機(jī)從既有城際鐵路鐵軌股道下方穿越情況展開(kāi)數(shù)值模擬分析，通過(guò)構(gòu)建三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)比分析有無(wú)樁筏加固措施對(duì)盾構(gòu)隧道下穿火車(chē)股道的影響，在計(jì)算時(shí)考慮的主要因素如下。

對(duì)隧道區(qū)間周?chē)馏w構(gòu)建的三維有限元數(shù)值計(jì)算模型為硬化本構(gòu)模型（HSS），具有小應(yīng)變特性[7]。借助HSS模型能夠比較精準(zhǔn)地對(duì)盾構(gòu)隧道下穿引起的沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，從而對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起的火車(chē)股道沉降進(jìn)行精細(xì)化分析。因此，該研究借助HSS模型，利用初始小應(yīng)變剪切模量G0ref和閾值剪應(yīng)變?chǔ)?.7等關(guān)鍵參數(shù)，較為具體地反映土體小應(yīng)變特性[8-10]。土體物理力學(xué)參數(shù)、小應(yīng)變參數(shù)取值如表 1所示，其他材料參數(shù)如表 2所示（注：Embedded Beam為減去土體后有效重度，盾體重度為結(jié)構(gòu)設(shè)備等效重度）。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料參數(shù)

本文地下水埋深設(shè)置為-5 m，模型土層共計(jì)6層，土層序號(hào)由上到下①～⑥分別是素填土、粉質(zhì)黏土、沙土、圓礫等，土層分布及模型縱截面如圖 2所示。為便于分析，3條股道的編號(hào)從左至右依次記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)股道。

圖2 土層分布及模型橫截面示意圖

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

圖 3為三維有限元分析模型。模型按照四面體網(wǎng)格形式展開(kāi)劃分，網(wǎng)格總計(jì)約為9萬(wàn)個(gè)單元，初始應(yīng)力場(chǎng)為重力場(chǎng)。在管片與土體、盾體和土體間對(duì)界面單元進(jìn)行設(shè)置，模擬土體與管片盾體之間產(chǎn)生的相互影響。由于盾構(gòu)掘進(jìn)為軸對(duì)稱(chēng)模型，為減少計(jì)算時(shí)間，取半邊對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行分析。盾構(gòu)掘進(jìn)直徑為6 m，因?yàn)榈罔F盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，通常影響范圍為6～10倍盾構(gòu)掘進(jìn)半徑。另外，為全面考慮地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有城際鐵路股道全過(guò)程沉降變化并降低邊界條件的不良影響，三維有限元分析模型尺寸為23 000 mmh 85 000 mmh 35 000 mm（高h(yuǎn)長(zhǎng)h寬），模型上表面設(shè)置成位移自由形式，側(cè)面采取法向位移約束形式，底部對(duì)x，y，z三個(gè)不同方位的位移同時(shí)進(jìn)行約束。

圖3 三維有限元分析模型

襯砌及盾構(gòu)機(jī)采用板單元模擬，在分析樁筏基礎(chǔ)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)引起火車(chē)股道沉降的影響時(shí)，在實(shí)際工況中，樁筏基礎(chǔ)在地面以下建立，筏板借助實(shí)體單元形式，x方向長(zhǎng)48 m，y方向?qū)?5 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；樁基采用Embedded Beam梁?jiǎn)卧?，樁長(zhǎng)18 m，超隧道拱底6 m，共設(shè)置4排樁，每排樁數(shù)為6根，樁數(shù)共計(jì)24根；共取3條股道進(jìn)行分析，間距為1.5 m。

城際鐵路動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)活載借助中國(guó)客車(chē)標(biāo)準(zhǔn)活載（ZK活載），添加ZK城際鐵路動(dòng)車(chē)的豎向靜力活載。展開(kāi)模型分析時(shí)，對(duì)ZK特種活載在路基上方均勻分布的情況進(jìn)行全面分析，城際鐵路軌道荷載P= 45 kN/m，活載Q= 250/1.6= 156.25 kN/m，另外分布寬度d= 3.2 m；由此計(jì)算得到地面承壓大小為q= （P+Q）/d= 62.89 kPa，出于確保安全的考慮，地面施加荷載采取65 kPa的面壓力。

為預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)分步施工帶來(lái)的股道沉降，對(duì)盾體設(shè)置面收縮以模擬實(shí)際盾體在縱向上的直徑變化，對(duì)隧道分步掘進(jìn)進(jìn)行模擬分析，每一步施工步距為2.4 m，共計(jì)22個(gè)掘進(jìn)步，掘進(jìn)長(zhǎng)度為59 m。隧道掘進(jìn)先后次序與實(shí)際工程次序完全一樣，掘進(jìn)在時(shí)間上不能出現(xiàn)重疊，一直到完工為止。

4 結(jié)果與分析

4.1 無(wú)樁筏加固股道沉降分析

為消除邊界條件影響，左線(xiàn)盾構(gòu)一次性掘進(jìn)7環(huán)至始發(fā)點(diǎn)x，坐標(biāo)為-1.25 m，再次掘進(jìn)5環(huán)后位于1號(hào)股道正下方，掘進(jìn)7環(huán)后位于2號(hào)股道正下方，掘進(jìn)9環(huán)后位于3號(hào)股道正下方，終點(diǎn)坐標(biāo)為34.75 m。為驗(yàn)證模型，選取左側(cè)股道對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的左右軌道沉降值，與實(shí)際監(jiān)測(cè)值作對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同掘進(jìn)面距離下1號(hào)股道沉降模擬值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比

由圖 4可知，股道最大沉降預(yù)警值為6 mm，模擬與監(jiān)測(cè)值均未超過(guò)該值，且沿左右股道長(zhǎng)度方向沉降值曲線(xiàn)走勢(shì)與監(jiān)測(cè)值吻合較好；隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，模擬值與監(jiān)測(cè)值吻合程度升高。因此，認(rèn)為所建模型有效。1號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)推進(jìn)逐漸增大，最大沉降約4.6 mm，左右軌沉降差最大為0.33 mm，均小于紅色預(yù)警值。

不同掘進(jìn)面距離下2號(hào)股道左右軌沉降模擬值如圖 5所示，橫坐標(biāo)為股道中心線(xiàn)距盾構(gòu)掘進(jìn)面距離，縱坐標(biāo)為股道沉降值，灰色區(qū)域表示掘進(jìn)面未到達(dá)股道，因此距離為負(fù)，2號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進(jìn)逐漸增大，最終穩(wěn)定在4.8 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.35 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。

圖5 不同掘進(jìn)面距離下2號(hào)股道左右軌沉降模擬值

不同掘進(jìn)面距離下3號(hào)股道左右軌沉降模擬值如圖 6所示，3號(hào)股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進(jìn)逐漸增大，最終穩(wěn)定在5.2 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.41 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。最大沉降隨著股道離盾構(gòu)掘進(jìn)面距離的增大而增大，排列順序?yàn)?號(hào)＞2號(hào)＞1號(hào)，沉降出現(xiàn)累積增大趨勢(shì)。因此，離初始挖開(kāi)面距離越遠(yuǎn)的股道，越需要對(duì)其進(jìn)行可靠的安全性評(píng)估，防范工程事故的發(fā)生。

圖6 不同掘進(jìn)面距離下3號(hào)股道左右軌沉降模擬值

綜上分析可知，3號(hào)股道沉降值最大?；诖耍接懽钗ｋU(xiǎn)的3號(hào)股道在不同掘進(jìn)面距離下的左右股道長(zhǎng)度方向沉降值。其對(duì)比曲線(xiàn)如圖 7所示，橫坐標(biāo)為股道長(zhǎng)度方向坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為股道沉降值。由圖可知，無(wú)論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤(pán)正上方即對(duì)應(yīng)股道長(zhǎng)度方向x=0m處，約5.3mm。最大差異沉降隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)先增大后減小，最大值出現(xiàn)在距掘進(jìn)面0 m左右位置，為0.46 mm，距掘進(jìn)面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定；出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是盾構(gòu)刀盤(pán)正上方對(duì)應(yīng)土體擾動(dòng)最大。當(dāng)盾構(gòu)越過(guò)股道后，由于襯砌鋪裝及同步注漿，土體沉降開(kāi)始減弱，直至趨于穩(wěn)定。

圖7 不同掘進(jìn)面距離下沿3號(hào)股道左右軌長(zhǎng)度方向沉降模擬值

4.2 有樁筏加固股道沉降分析

為對(duì)比盾構(gòu)隧道下穿火車(chē)股道情況下樁伐基礎(chǔ)對(duì)股道的保護(hù)作用，本節(jié)分析在樁筏基礎(chǔ)加固的情況下，沉降最大的3號(hào)股道在距掘進(jìn)面不同距離時(shí)的沉降分布規(guī)律及差異沉降曲線(xiàn)。除增加樁筏基礎(chǔ)保護(hù)外，其他條件均與無(wú)樁筏基礎(chǔ)工況一致。

圖 8為3號(hào)股道不同掘進(jìn)面距離下監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降分布，橫坐標(biāo)為股道距掘進(jìn)面距離，縱坐標(biāo)為股道沉降值。左右軌沉降值均隨盾構(gòu)掘進(jìn)面的推進(jìn)先增大后減小，最大沉降值不超過(guò)1.4 mm，左右軌最大沉降差為0.081 mm，出現(xiàn)在距掘進(jìn)面約4.8 m處，該值遠(yuǎn)小于未加樁筏基礎(chǔ)情況下的股道沉降值，最大沉降值約為未進(jìn)行地基加固工況下的1/4左右。

圖8 不同掘進(jìn)面距離下3號(hào)股道左右軌沉降模擬值

圖 9為3號(hào)股道在不同掘進(jìn)面距離下左右股道長(zhǎng)度方向的沉降值對(duì)比曲線(xiàn)；橫坐標(biāo)為股道長(zhǎng)度方向坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為股道沉降值。由圖可知，無(wú)論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤(pán)正上方即對(duì)應(yīng)股道長(zhǎng)度方向x=0 m處，約1.1 mm，且左右軌最大沉降差值也出現(xiàn)在此處，約為0.085 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加固方案。沉降值隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)逐漸增大，沉降差隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)先增大后減小，距掘進(jìn)面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定。

圖9 不同掘進(jìn)面距離下沿3號(hào)股道左右軌長(zhǎng)度方向沉降模擬值

5 結(jié)論

根據(jù)天津地鐵某區(qū)間下穿既有城際鐵路地質(zhì)資料，選取區(qū)間隧道斷面，通過(guò)Plaxis 3D建立動(dòng)態(tài)掘進(jìn)模型，研究盾構(gòu)隧道下穿既有城際鐵路股道掘進(jìn)對(duì)火車(chē)股道的影響，同時(shí)分析不同掘進(jìn)面處、有無(wú)樁筏基礎(chǔ)、股道與掘進(jìn)面不同初始距離影響下股道及左右軌沉降規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）股道沉降值隨著盾構(gòu)掘進(jìn)面的臨近逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，同一股道左右軌沉降差值呈先增大后減小的趨勢(shì)；無(wú)樁筏基礎(chǔ)下最大沉降均值約5.2 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后減小為1.4 mm，無(wú)樁筏基礎(chǔ)下最大沉降差均值約0.46 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后縮小至0.085 mm；

（2）無(wú)樁筏基礎(chǔ)時(shí)，股道最大沉降隨股道離掘進(jìn)面初始距離的增大而增大，呈現(xiàn)累積效應(yīng)；采用樁筏基礎(chǔ)加固后，該值變化微小。由于股道最大沉降出現(xiàn)在隧道掘進(jìn)面正上方，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)注意下穿隧道掘進(jìn)面正上方對(duì)應(yīng)區(qū)域股道沉降變化情況，做好相應(yīng)監(jiān)測(cè)工作。

（3）采用樁筏基礎(chǔ)對(duì)火車(chē)股道下方土體進(jìn)行加固可有效減小下穿隧道掘進(jìn)引起的股道沉降，最大沉降點(diǎn)沉降值可減小約73%，差異沉降可減小約82%。因此，對(duì)于土質(zhì)較差或周邊環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，為保證沉降在合理可控范圍內(nèi)，確保對(duì)周邊環(huán)境影響最小，可考慮采用樁筏基礎(chǔ)對(duì)地基進(jìn)行加固，從而實(shí)現(xiàn)下穿隧道的順利施工及上部股道的安全運(yùn)營(yíng)。