盾構(gòu)隧道下穿鐵路施工誘發(fā)地層變形特征分析

鄧曉飛 解冰冰

隨著城市軌道交通工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道施工不可避免的需要穿越既有建筑物，降低盾構(gòu)穿越施工引起的地層響應(yīng)，對(duì)維持既有建筑物的穩(wěn)定至關(guān)重要。本文依托合肥地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件，分析了盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基引起的地層變形特征，提出了相應(yīng)的地表沉降控制方法，研究成果可為相關(guān)工程提供借鑒。

隨著我國城市建設(shè)水平的快速推進(jìn)，城市軌道交通扮演著越來越重要的角色，而盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于相關(guān)隧道工程的修建。隨著地表建筑物數(shù)量日益增多，盾構(gòu)隧道近距下穿既有建筑物的情況不可避免，而掘進(jìn)施工誘發(fā)的地表沉降對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響顯著。因此，準(zhǔn)確評(píng)估盾構(gòu)下穿施工引起的地層變形規(guī)律，提出相應(yīng)的控制措施，能夠有效降低施工擾動(dòng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響。

本研究以合肥地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程為依托，采用MIDAS-GTS軟件，建立三維有限元模型，分析盾構(gòu)下穿鐵路施工引起的地層變形規(guī)律，并改進(jìn)peck沉降計(jì)算公式，研究成果可為相關(guān)工程提供參考依據(jù)。

一、工程概況

1.下穿區(qū)間

合肥地鐵2號(hào)線東延線工程于三十埠站至護(hù)城路站區(qū)間隧道下穿三十埠跨淮南鐵路橋和淮南線與合寧繞行線鐵路路基。區(qū)間縱斷面整體呈V型坡，出三十埠站后設(shè)4段下坡，分別為28‰、5‰、20‰、5‰，到達(dá)線路最低點(diǎn)；之后設(shè)置3段上坡，分別為3.66‰、15‰、25‰，進(jìn)入護(hù)城路站。穿越地層主要為不透水硬塑狀黏土層。

區(qū)間線路長(zhǎng)1841.943m（右線），線間距10～28米，隧道埋深約9.6～28m。隧道整體采用盾構(gòu)法施工。

2.隧道位置關(guān)系

區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的位置關(guān)系如圖1所示，地鐵區(qū)間線路為東西走向，鐵路為西北-東南走向，區(qū)間隧道與鐵路法線夾角約43°。在下穿范圍內(nèi)，地鐵左右線的線間距約為10m，隧道與路基豎向距離24.3m。

圖1 道岔與區(qū)間隧道相對(duì)位置圖

3.水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道主要穿越土層為少水硬塑狀黏土，層位穩(wěn)定，連續(xù)，層厚較大，一般厚30～35m。

4.隧道結(jié)構(gòu)尺寸

盾構(gòu)圓形隧道限界為Φ5400mm，根據(jù)國內(nèi)相似地鐵工程盾構(gòu)隧道穿過軟弱地層已有的設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，考慮綜合施工誤差為±100mm，后期沉降50mm，襯砌環(huán)內(nèi)徑可采用Φ5500mm的襯砌環(huán)內(nèi)徑。

二、數(shù)值模擬分析

1.假設(shè)條件

計(jì)算分析采用MIDAS GTS軟件構(gòu)建數(shù)值模型，主要假設(shè)如下：

（1）假定開挖地層各向同性且連續(xù)均勻分布，土體采用修正Mohr-Coulomb模型。

（2）盾構(gòu)、管片以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用板單元，用線彈性材料模擬。

（3）忽略地下水的滲流作用

（4）模型四周邊界采用單向鉸支約束，下表面采用三向鉸接約束，上表面為自由面。

（5）先進(jìn)行開挖，再以原場(chǎng)應(yīng)力20%的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后施加支護(hù)并釋放剩余應(yīng)力，同時(shí)添加地面活荷載20kPa與軌道荷載70kPa。

2.計(jì)算參數(shù)

盾構(gòu)下穿淮南線（合寧繞行線），綜合采取加強(qiáng)盾構(gòu)外壁與土體之間間隙的注漿（特殊漿液）、控制掘進(jìn)速度，同步注漿及其他措施，地層損失率可進(jìn)一步降低，計(jì)算分析中采用5‰的地層損失率來計(jì)算，考察盾構(gòu)隧道施工對(duì)鐵路普速路基及道岔區(qū)的變形影響。

本次計(jì)算分析結(jié)合合肥地層及施工經(jīng)驗(yàn)，選擇適用于合肥地層典型的地層損失率，對(duì)盾構(gòu)施工的影響進(jìn)行三維分析。應(yīng)力釋放系數(shù)在開挖階段選取0.2，拼裝盾構(gòu)管片完成階段選取0.8。主要的土體材料見表1。

表1 材料參數(shù)

3.模型尺寸

模型采用GTS NX模塊進(jìn)行三維分析，分析部參照實(shí)際開挖步序。有限元模型如圖所示，模型長(zhǎng)、寬、高分別為270m×1250m×60m。模擬過程按照先開挖左線隧道，后開挖右線隧道的順序展開，隧道模型整體穿越既有鐵路路基，其他相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行著重選取，模型詳見圖2。

圖2 區(qū)間隧道下穿淮南線與合寧繞行線三維模型

4.計(jì)算結(jié)果

（1）地層沉降分析

區(qū)間隧道施工后的地層變形及路基云圖如圖3、4、5所示：

圖3 水平位移云圖

圖4 垂直位移云圖

圖5 淮南線及合寧繞行線路基沉降云圖

經(jīng)計(jì)算結(jié)果可知，淮南線與合寧繞行線路基最大豎向位移5.12mm，水平位移0.348mm；鐵路路基坡腳沉降值為3.5mm，滿足安全要求。北側(cè)道岔（8號(hào)道岔） 最大沉降0.923mm，南側(cè)道岔（4號(hào)道岔）最大沉降 0.428mm；接觸網(wǎng)立柱最大沉降為3.465mm，最大差異沉降為1.265mm，均滿足控制要求。

（2）地層變形分析

為了進(jìn)一步分析盾構(gòu)施工在一定范圍內(nèi)對(duì)鐵路路基產(chǎn)生影響，結(jié)合樹脂分析結(jié)果繪制沉降曲線。通過路基沉降曲線可知，盾構(gòu)開挖在距離路基40m左右的位置開始對(duì)鐵路路基產(chǎn)生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置影響幾乎為零。

三、工程技術(shù)措施與建議

1.嚴(yán)格控制地層損失

根據(jù)模擬結(jié)果可知，盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中地層損失率控制在0.4%～0.5%以內(nèi)時(shí)能夠有效降低地層變形對(duì)既有鐵路線及相關(guān)建筑物的影響。

2.管片預(yù)留注漿孔

盾構(gòu)隧道穿越段沿管片環(huán)向增設(shè)二次補(bǔ)償注漿孔，根據(jù)實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果按需求及時(shí)開展二次補(bǔ)充注漿。如果需要增強(qiáng)注漿效果，可通過在周邊地層預(yù)設(shè)注漿孔對(duì)周邊土體進(jìn)行注漿加固，以此達(dá)到控制土體沉降與變形。

3.適當(dāng)限速

列車限速60km/h，減速慢行。并根據(jù)鐵路線路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化情況及時(shí)調(diào)整列車通行速度。

4.加強(qiáng)線路養(yǎng)護(hù)

施工期間，防護(hù)人員加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施，及時(shí)檢查線路狀況，出現(xiàn)異常時(shí)能夠立即采取控制措施。

5.施工監(jiān)測(cè)

為了確保盾構(gòu)推進(jìn)的安全性，在盾構(gòu)穿越既有鐵路線時(shí)必須進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。對(duì)于盾構(gòu)施工中沉降量變化幅度較大部位，根據(jù)實(shí)際情況提高監(jiān)測(cè)頻率，確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、結(jié)語

本文依托合肥地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿淮南線及合寧繞行線工程，采用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層變形特征，提出了工程控制措施，主要結(jié)論如下：

（1）盾構(gòu)隧道施工階段數(shù)值模擬采用5‰的地層損失率進(jìn)行計(jì)算對(duì)鐵路路基及道岔區(qū)的變形影響，采用開挖荷載釋放0.2，拼裝盾構(gòu)管片荷載釋放系數(shù)0.8，結(jié)果表明地表位移計(jì)算值與沉降值接近，參數(shù)擬合合理。

（2）運(yùn)用GTS NX模擬隧道開挖，通過路基沉降曲線發(fā)現(xiàn)，距路基40m位置開始對(duì)路基產(chǎn)生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置幾乎無影響。

（3）通過采取一系列控制措施，使施工達(dá)到盾構(gòu)穿越鐵路變形控制的要求，使沉降在安全范圍之內(nèi)，在不影響周圍構(gòu)筑物的前提下保證施工順利進(jìn)行。