盾構(gòu)下穿城際客運(yùn)專線引起變形的數(shù)值分析

徐會(huì)杰 彭 華 徐希磊 劉寒遷

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044;2.北京京投軌道交通資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司 北京 100101)

盾構(gòu)下穿城際客運(yùn)專線引起變形的數(shù)值分析

徐會(huì)杰1彭 華1徐希磊1劉寒遷2

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院 北京 100044;2.北京京投軌道交通資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司 北京 100101)

天津市地鐵3號(hào)線解放橋站——天津站站盾構(gòu)區(qū)間穿越京津城際客運(yùn)專線，為我國(guó)首例已實(shí)施的盾構(gòu)穿越高速鐵路路基段工程，通過(guò)使用ANSYS軟件，建立地層—結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，模擬盾構(gòu)穿越客運(yùn)專線的過(guò)程，分析盾構(gòu)穿越期間軌道沉降及橫移變形規(guī)律，將數(shù)值分析與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明在無(wú)軌道加固、車輛限速措施的條件下，采用嚴(yán)格控制施工參數(shù)的措施可以保證高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

軌道交通;客運(yùn)專線;盾構(gòu);軌道;沉降;數(shù)值模擬

鐵路天津站包含有18股鐵路股道，自北向南依次為京津城際車場(chǎng)，4臺(tái)7線;津秦高速車場(chǎng)，3臺(tái)6線;普速車場(chǎng)，3臺(tái)5線。京津城際客運(yùn)專線是我國(guó)第一條全線采用無(wú)砟軌道的線路，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km(見圖1)。為保證列車能安全高速地運(yùn)行，除了采取高標(biāo)準(zhǔn)施工外，對(duì)路基的沉降控制也非常嚴(yán)格，要求在設(shè)計(jì)、施工和管理中，以“工后零沉降”為目標(biāo)。天津站京津城際車場(chǎng)作為客運(yùn)專線線路，其對(duì)沉降的要求極為嚴(yán)格。盾構(gòu)下穿施工作為一項(xiàng)不確定因素綜合作用的工程，在施工過(guò)程中將會(huì)引起線路變形，從而會(huì)加劇軌道不平順，導(dǎo)致輪軌作用力加大，如變形過(guò)大則會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了保證高速列車的運(yùn)營(yíng)安全，要求軌道路基的日變形速率控制在2 mm之內(nèi)。

天津市地鐵3號(hào)線解放橋站—天津站站區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱“解—天區(qū)間”)在穿越京津客運(yùn)專線時(shí)，鑒于軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)營(yíng)組織的要求，在不采取軌道加固及車輛限速措施的前提下下穿，為確保線路安全可靠，此時(shí)在施工過(guò)程中采取的諸如注漿加固、控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)施工參數(shù)的措施等成為了確保安全的關(guān)鍵。

圖1 京津城際專線平面位置

1 工程概況

1.1 解—天區(qū)間工程概況

天津地鐵3號(hào)線解—天區(qū)間在里程DK14+378～DK14+413范圍以半徑r=1 500 m下穿京津城際客運(yùn)專線，車場(chǎng)所處的軟土地基施工時(shí)采用CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)加固，樁徑0.4 m，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng) 8.5 ～10 m。使用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)管片外徑6.20 m，厚度0.35 m，區(qū)間線間距由13.0 m逐漸調(diào)整加寬至19.0 m，隧道底板埋深28.4 ～35.1 m，頂板埋深 22.0 ～28.7 m，隧道軸線與線路交角約為100°。

1.2 工程地質(zhì)概況

隧道上部地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。隧道范圍內(nèi)地層為粉質(zhì)黏土、粉砂，隧道底部為粉質(zhì)黏土。

本場(chǎng)地內(nèi)表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存與第Ⅱ陸相層以下粉砂及粉砂土中的地下水具有微承壓水性，為微承壓水。

2 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)

2.1 模型概述

根據(jù)既有客運(yùn)專線與新建地鐵區(qū)間相對(duì)位置關(guān)系及地鐵區(qū)間施工范圍，計(jì)算模型總體尺寸為150 m×135 m×80 m。模型頂面(Y=0)為自由邊界，其他5個(gè)面均取法向約束。計(jì)算采用三維有限元數(shù)值模擬方法［1］，土體、注漿層、管片和客運(yùn)專線路基采用Solid 45模擬。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算假定

1)土體采用彈塑性理論計(jì)算，為M-C模型，地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布;路基、注漿層及管片為理想線彈性材料。

2)初始地應(yīng)力在模型計(jì)算時(shí)只考慮土體自重應(yīng)力，忽略巖土體構(gòu)造應(yīng)力，使巖土體在自重作用下土體達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行盾構(gòu)施工的開挖。

3)考慮CFG樁對(duì)基床土體的加固作用，取樁長(zhǎng)為9m。

4)假定既有鐵路的路基及軌道結(jié)構(gòu)變形一致。

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料，將土層分為6層，各參數(shù)選取如表1所示。

表1 模型材料參數(shù)

圖3 列車荷載(特種荷載模式)

模型中除考慮結(jié)構(gòu)自重外，還考慮地面列車活載。針對(duì)京津城際客運(yùn)專線，列車活載采用客運(yùn)專線動(dòng)車組特種活載模型(見圖 3)［2］。考慮安全因素，計(jì)算時(shí)地面壓力取55 kPa。

2.4 施工過(guò)程模擬

為真實(shí)模擬盾構(gòu)開挖施工，根據(jù)實(shí)際的施工情況，先開挖地鐵右線，后開挖左線。每一步開挖分為兩個(gè)計(jì)算步，第一步:殺死開挖土體單元(包括核心土、管片層、注漿層)，在開挖面上施加法向力，模擬盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，同時(shí)施加注漿壓力;第二步:考慮到盾構(gòu)注漿及二次注漿的影響，改變相應(yīng)單元及管片參數(shù)。

3 盾構(gòu)施工沉降理論分析

3.1 計(jì)算結(jié)果及分析

圖4 隧道施工完成后地表沉降

盾構(gòu)施工改變了原有地層的初始平衡條件，造成土體移動(dòng)以及應(yīng)力重分布而達(dá)到另一個(gè)新的平衡［3］。觀察變形云圖，右線隧道施工完成后，地表最大沉降約為1.07 mm，左、右線隧道施工完成后地表最大沉降為1.72 mm(見圖4)。

為研究盾構(gòu)施工對(duì)軌道的影響，特沿路基縱向選取一條測(cè)線，分析盾構(gòu)施工對(duì)軌道行車的安全性影響。選取盾構(gòu)隧道左線中點(diǎn)、右線中點(diǎn)、工程穿越中點(diǎn)這3個(gè)點(diǎn)，分析其隨盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的沉降變化趨勢(shì)。

3.1.1 軌道橫向沉降

選取具有代表性的工程穿越中心測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，觀察其沉降槽曲線。隨著盾構(gòu)隧道的施工，沉降槽寬度逐漸加大，沉降槽中心逐漸從右線穿越中心向工程穿越中心偏移，并最終在工程穿越中心出現(xiàn)最大沉降(見圖5)。

圖5 軌道橫向沉降

3.1.2 軌道沉降時(shí)程曲線

為了解軌道上某一點(diǎn)隨盾構(gòu)施工過(guò)程的變化情況，提取3個(gè)測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線，由圖6可知，右線隧道施工完成后軌道最大沉降為1.07 mm，左線隧道施工完成后軌道最大沉降為1.72 mm。

圖6 軌道沉降時(shí)程曲線

當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖面距離軌道15 m時(shí)，軌道沉降為0.18 mm，占總沉降量的10.5%;當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖面過(guò)軌道25 m時(shí)，軌道沉降為1.03 mm，占總沉降量的60.0%。由此可以看出，盾構(gòu)隧道在距離軌道15 m至過(guò)軌道25 m的范圍內(nèi)，軌道沉降變形明顯，速率較快。開挖完成后土體應(yīng)力重分布，固結(jié)、次固結(jié)逐漸完成，沉降趨于平穩(wěn)。

3.2 橫向變形

軌道橫向變形大小關(guān)系到軌道幾何形位的好壞。隨著右線盾構(gòu)隧道開挖面逐漸靠近軌道，軌道橫向變形偏向開挖一側(cè)，在與軌道距離為零時(shí)，最大變形值為0.184 mm;隨著盾構(gòu)開挖面逐漸遠(yuǎn)離軌道，軌道最大橫向變形逐漸向另一側(cè)偏離，最大值變小，右線隧道施工完畢后軌道呈S形扭曲［4］。在左線掘進(jìn)再次逐步靠近軌道時(shí)，軌道呈M形扭曲，最大變形值為0.152 mm;穿越施工完成后再次呈現(xiàn)S形扭曲，最終的變形最大值為0.234 mm，鋼軌橫移較小，對(duì)行車影響較小，如圖7所示。

圖7 軌道橫向位移曲線

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

1)經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到，盾構(gòu)穿越股道施工期間的軌道變形主要為沉降變形，最大沉降為1.72 mm，小于沉降控制值。

2)在模擬過(guò)程中，沉降主要由右線引起，說(shuō)明右線的先期注漿加固保證了左線隧道的施工;經(jīng)數(shù)值計(jì)算得到右線沉降占總沉降量的62.2%。

3)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了模型的正確性和可靠性。數(shù)值分析結(jié)果表明，若控制好各項(xiàng)盾構(gòu)參數(shù)，采取主動(dòng)防護(hù)措施，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，鐵路相關(guān)部門做好巡視工作，及時(shí)調(diào)整軌道幾何形位，在不采取任何軌道加固措施的情況下，能夠保證既有軌道的行車安全。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

站場(chǎng)內(nèi)路基監(jiān)測(cè)全部為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，采用靜力水準(zhǔn)和智能型電子全站儀自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。軌道采用人工監(jiān)測(cè)的方法，監(jiān)測(cè)頻率如表2所示。盾構(gòu)通過(guò)后，應(yīng)持續(xù)觀測(cè)3個(gè)月(測(cè)點(diǎn)沉降變化量連續(xù)3周不超過(guò)1 mm/周即可停止監(jiān)測(cè)工作)。

表2 監(jiān)測(cè)頻率

選取模擬分析點(diǎn)處軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到軌道沉降監(jiān)測(cè)曲線(見圖8)。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線

由圖8可知，隨著右線盾構(gòu)隧道逐漸靠近既有軌道，軌道沉降逐漸變大，沉降速率變快，右線盾構(gòu)隧道通過(guò)軌道10 d后，沉降趨于平穩(wěn);在左線施工期間，沉降進(jìn)一步增大，直至穿越后沉降平穩(wěn)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偶爾較大波動(dòng)與二次注漿有關(guān)，軌道最大沉降約為1.64 mm(見圖9)。

圖9 沉降對(duì)比曲線

對(duì)比計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn):

1)在右線隧道施工完成后，軌道最大沉降在1.04 mm左右波動(dòng)，與計(jì)算結(jié)果1.07 mm較為吻合;最終的軌道最大沉降在1.64 mm左右，與計(jì)算結(jié)果1.72 mm較為吻合。

2)在工程施工期間，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息，及時(shí)對(duì)脫出盾尾的部分進(jìn)行二次注漿，有效地控制了沉降。

3)CFG樁復(fù)合地基在京津城際車場(chǎng)的應(yīng)用，有效抑制了軟土地基的變形，且高速列車的軸重遠(yuǎn)比普速列車的軸重輕，因此在施工過(guò)程中，高速車場(chǎng)的沉降變形較普速車場(chǎng)5.76 mm的沉降監(jiān)測(cè)值小很多。

4)據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出，盾構(gòu)右線施工完畢后的沉降量占總沉降量的63.3%，對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果為62.2%，在實(shí)際施工過(guò)程中，右線施工導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)的沉降量大于左線施工導(dǎo)致的沉降量。

5 沉降控制的技術(shù)措施

天津市地鐵3號(hào)線解—天區(qū)間下穿京津城際客運(yùn)專線施工，有效地控制了地表沉降，滿足了高速鐵路對(duì)沉降控制的要求。在施工過(guò)程中采取的主要沉降控制技術(shù)措施如下。

5.1 合理選取試驗(yàn)段

在穿越高速鐵路施工之前，合理選取試驗(yàn)段，通過(guò)先期盾構(gòu)下穿普速鐵路車場(chǎng)施工，積累經(jīng)驗(yàn)，為盾構(gòu)后期穿越高速鐵路施工提供了完整的技術(shù)依據(jù)。

為了達(dá)到試驗(yàn)效果，將試驗(yàn)段細(xì)分為三個(gè)階段:第一階段(約28環(huán))，摸索土倉(cāng)壓力、刀盤轉(zhuǎn)速、出土量、掘進(jìn)速度、千斤頂推力，刀盤扭矩、注漿量和注漿壓力等參數(shù);第二階段(約40環(huán))，模擬盾構(gòu)下穿鐵路，假定刀盤開始進(jìn)入鐵路范圍內(nèi)，通過(guò)徑向注漿和二次注漿控制日單次沉降、前期累計(jì)沉降、盾構(gòu)機(jī)正上方沉降、盾構(gòu)機(jī)后部沉降不超限;第三階段(10環(huán))，進(jìn)行功能性試驗(yàn)，對(duì)刀盤伸縮功能、保壓系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2 沉降控制要點(diǎn)

在施工過(guò)程中，依據(jù)沉降類型的不同，采取膨潤(rùn)土徑向注入、同步注漿、二次注漿等措施有效控制沉降［5］，具體要點(diǎn)如表3 所示。

表3 沉降控制要點(diǎn)

1)為了保證在盾構(gòu)通過(guò)期間鐵路的穩(wěn)定，利用徑向注漿孔，借助盾構(gòu)機(jī)內(nèi)膨潤(rùn)土保壓系統(tǒng)，采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土填補(bǔ)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)刀盤與盾體之間產(chǎn)生的間隙，減少土體的沉降。

2)考慮到盾尾空隙引起的沉降，需要提高注漿填充率，每環(huán)注漿量為5.7～6 m3，同時(shí)適當(dāng)提高同步注漿壓力，但不宜超過(guò)0.45 MPa。

3)結(jié)合監(jiān)測(cè)沉降情況，在管片脫出盾尾5～10環(huán)后進(jìn)行二次注漿，注漿壓力控制在0.6 MPa內(nèi)，以避免后續(xù)的沉降。

5.3 掘進(jìn)模式的選擇

根據(jù)實(shí)地的工程地質(zhì)條件，采用土壓平衡模式進(jìn)行隧道掘進(jìn)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中勻速、連續(xù)、均衡施工，始終保證土倉(cāng)壓力與作業(yè)面水土壓力、開挖土量與排土量的動(dòng)態(tài)平衡，以保持正面土體穩(wěn)定。

在盾構(gòu)施工過(guò)程中一旦有超挖現(xiàn)象，必須對(duì)該區(qū)段進(jìn)行處理，包括二次補(bǔ)漿、地面注漿加固等措施。

5.4 采用合理的掘進(jìn)參數(shù)

1)針對(duì)實(shí)地的工程地質(zhì)情況，合理選取左、右線盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)(見表4)，減少對(duì)土體的擾動(dòng)，保證盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)與管片姿態(tài)基本相符，并使地面沉降穩(wěn)定［6-9］。

表4 左、右線盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)

2)嚴(yán)格控制出土量，禁止盾構(gòu)機(jī)做過(guò)大的糾偏動(dòng)作，單環(huán)軸線糾偏幅度控制在±5 mm之內(nèi)。

3)采用優(yōu)質(zhì)泡沫進(jìn)行渣土改良，使渣土具有良好的土壓平衡效果，利于穩(wěn)定開挖面，控制地表沉降。

4)同步注漿時(shí)必須要做到“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿、不掘進(jìn)”，在同步注漿壓力和注漿量方面進(jìn)行雙控，做到適時(shí)、足量，并保證適時(shí)的二次及多次補(bǔ)充注漿。

6 結(jié)論

天津市地鐵3號(hào)線解—天區(qū)間下穿京津城際客運(yùn)專線施工，通過(guò)嚴(yán)格控制施工參數(shù)，加強(qiáng)同步注漿、二次及多次補(bǔ)漿等措施，有效地將既有高速鐵路軌道的沉降值控制在變形范圍內(nèi)，在不采取軌道加固、車輛限速措施的條件下，保證了高速列車的運(yùn)營(yíng)安全，為盾構(gòu)下穿高速鐵路施工的變形控制積累了豐富、寶貴的成功經(jīng)驗(yàn)，可為相關(guān)工程提供借鑒。

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Numerical Analysis of Ground Deformations Caused by Shield Tunneling Under-crossing Beijing-Tianjin Intercity Passenger Dedicated Railway

Xu Huijie1Peng Hua1Xu Xilei1Liu Hanqian2
(1.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044;2.Beijing Jingtou Rail Transit Assets Operation ＆ Management Co.，Ltd.，Beijing 100101)

Abstract:Shield tunneling between Jiefangqiao station and Tianjin subway station of Tianjin subway Line 3 under－crossed a high－speed railway.Finite element software ANSYS was used to build the three－dimensional model of soil and structure to simulate the construction process of this project and then to analyse the regularity of track settlements and lateral deformations during construction.The results of numerical simulation were compared with the in－situ measured data which demonstrated that without track reinforcement measures and train deceleration measures，strict control of construction parameters could ensure the safe operation of the railway.

Key words:urban rail transit;passenger－dedicated railway line;shield;track;settlement;numerical simulation

U455.43

A

1672-6073(2013)06-0068-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.06.017

收稿日期:2013-03-18

2013-04-22

作者簡(jiǎn)介:徐會(huì)杰，男，博士生，主要從事地鐵項(xiàng)目管理研究，tinnelxhj@sina.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51108025);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2012JBZ011)

(編輯:郝京紅)