盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵結(jié)構(gòu)變形特征分析

崔 濤

盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵結(jié)構(gòu)變形特征分析

崔 濤

摘 要：文章應(yīng)用三維有限元法，分析盾構(gòu)隧道下穿引起的既有鐵路路基及箱涵結(jié)構(gòu)變形，結(jié)果表明，鐵路路基沉降規(guī)律大致符合Peck曲線，但由于箱涵結(jié)構(gòu)的存在，沉降曲線左右不對(duì)稱；箱涵最大豎向變形2.4 mm，路基最大豎向沉降3.95 mm。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；下穿既有鐵路；箱涵結(jié)構(gòu)；變形分析

崔 濤：中土建設(shè)集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師，遼寧大連 110043

新建盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路會(huì)導(dǎo)致不同程度的土體沉降，引起上部既有鐵路路基變形。目前，國內(nèi)通常采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式或其修正公式來預(yù)測(cè)盾構(gòu)開挖引起的鐵路路基變形，并應(yīng)用到了諸多實(shí)際工程中。但是當(dāng)鐵路下方存在箱涵結(jié)構(gòu)時(shí)，由于箱涵的整體剛度大、變形小，結(jié)構(gòu)外壁與土體間容易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致土體位移場(chǎng)變化不同于均質(zhì)地層或成層地層，鐵路路基變形特征亦會(huì)與Peck曲線存在偏差，因此，對(duì)于該類工程，既有的預(yù)測(cè)方法不再適用。本文以合肥市軌道交通2號(hào)線下穿既有鐵路工程為背景，采用三維有限元法研究分析盾構(gòu)隧道開挖引起的鐵路路基和箱涵結(jié)構(gòu)變形特征。

1　工程概況

合肥地鐵2號(hào)線科學(xué)大道站—懷寧路站區(qū)間需下穿既有鐵路線路群，地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道與鐵路在平面上交角約75°。隧道管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，線間距為9.5～10.3 m，埋深11.4 m，路基頂至隧道頂部的豎向凈距約為17.6 m。既有鐵路線路跨長江西路鋼筋混凝土箱涵，底板至隧道頂部的凈距約7.4 m，線路與箱涵水平凈距約為1 m，垂直凈距為7.5 m。鐵路箱涵橫斷面為13 m+23 m+13 m三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，箱涵縱向?yàn)?.3 m+12.3 m+10.3 m三跨分離式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間設(shè)有伸縮縫。箱涵主體采用的是C35鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂板厚度為1.1 m，側(cè)墻和中隔板厚度為1.0 m，底板厚度為1.3 m，上部覆土厚度約為1.3 m。隧道所處土層為<10-3>層中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層（圖1）。

圖1　隧道下穿鐵路箱涵示意圖 （單位：m）

2　三維有限元模型建立

本文應(yīng)用Plaxis3D有限元軟件，分析盾構(gòu)下穿引起的鐵路路基及箱涵結(jié)構(gòu)變形特征。計(jì)算模型總寬度取260 m，縱向延伸210 m，高度為60 m，以消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在模型底部施加完全固定約束，在四周施加水平約束，模型表面為自由邊界。土體采用HS土體硬化模型。箱涵和管片都采用板單元模擬，板單元與土體之間設(shè)置了接觸單元（界面）用于模擬板單元與土體間的錯(cuò)動(dòng)。三維有限元模型見圖2，土層參數(shù)見表1。

根據(jù)TB10002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》，采用中-活載（ZK/ZH）作為計(jì)算模型中的鐵路列車荷載。計(jì)算鐵路路基沉降時(shí)，選擇集中荷載作用于隧道正上方布置形式，在計(jì)算箱涵的變形時(shí)以集中荷載作用于箱涵正上方布置形式。

表1　下穿土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖2　三維有限元網(wǎng)格圖

圖3　隧道應(yīng)力釋放計(jì)算示意圖

3　有限元計(jì)算分析

本工程中盾構(gòu)隧道全斷面穿越<10-3>中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，地層彈性模量為1 000 MPa，工程性質(zhì)較好，故采用應(yīng)力釋放的方法模擬計(jì)算盾構(gòu)下穿鐵路造成的影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究成果，隧道開挖周邊的應(yīng)力釋放系數(shù)可按式（1）計(jì)算：

式(1)中，β為應(yīng)力釋放系數(shù)；σr0為開挖前的徑向應(yīng)力；σθ為開挖周邊環(huán)向應(yīng)力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

式(2)、(3)中，μ為土體泊松比； p為隧道頂部的豎向應(yīng)力。

根據(jù)本隧道中心埋深h=11.4m，計(jì)算得應(yīng)力釋放系數(shù)β=0.5，故在數(shù)值模擬時(shí)采用應(yīng)力釋放系數(shù)β 為0.5。

考慮到隧道左線、右線開挖階段的影響，模擬分析中考慮4個(gè)階段：階段1，左線開挖至路基正下方；階段2，左線隧道貫通；階段3，右線開挖至路基正下方；階段4，右線隧道貫通。

3.1箱涵變形分析

圖4　各工況箱涵變形云圖

理論與實(shí)踐表明，集中荷載作用于箱涵正上方時(shí)對(duì)箱涵結(jié)構(gòu)的影響最大，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，不同施工階段下箱涵的變形云圖如圖4所示，箱涵橫斷面最終變形如圖5所示。

圖5　箱涵橫截面最終變形矢量圖

圖6　合武下行線路基各階段沉降曲線

圖7　隧道開挖影響區(qū)域示意圖

計(jì)算結(jié)果顯示，箱涵的最大沉降量為2.4 mm，最大值發(fā)生在箱涵東南側(cè)，由于新建盾構(gòu)隧道與箱涵結(jié)構(gòu)南側(cè)邊墻的水平凈距只有1 m左右，使得箱涵南側(cè)呈現(xiàn)出整體下傾。對(duì)箱涵底部變形曲線做進(jìn)一步計(jì)算，將箱涵右側(cè)中隔板與右側(cè)側(cè)墻長度l=13 m作為研究長度（即規(guī)范中的l），則箱涵傾斜度為δ/l=2.4 mm/13 m=0.184‰，小于規(guī)范要求的3‰限制條件。

3.2路基變形分析

圖6給出了合武下行線路基不同開挖階段下的沉降曲線，由圖6可見：

(1）路基最大沉降發(fā)生在右線隧道貫通階段，最大沉降值為3.95 mm：

(2）左線隧道開挖引起路基沉降呈單峰形態(tài)，沉降最大處位于左線隧道正上方；

(3）當(dāng)右線隧道開挖完成之后，路基沉降量最大處位于左右線隧道中間線的正上方，且圖6中右半側(cè)曲線與Peck曲線相符；

(4）左線隧道開挖引起箱涵上方路基最大沉降量遠(yuǎn)大于右線隧道開挖引起箱涵上方路基最大沉降量，這與Peck預(yù)測(cè)法存在著一定的差異。產(chǎn)生這種差異的原因在于，左線隧道開挖會(huì)對(duì)箱涵右下部土體（圖7中的A區(qū)域）產(chǎn)生擾動(dòng)，減小了箱涵右下側(cè)土體的約束作用，使箱涵發(fā)生了局部變形，進(jìn)而造成了路基頂面的沉降，而右線隧道開挖時(shí)，其影響區(qū)域僅延伸至B區(qū)域，與箱涵結(jié)構(gòu)存在一定的間隔，故右線隧道開挖對(duì)箱涵及其上方路基的影響較小。

4　結(jié)論

(1）合肥地鐵2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路時(shí)，引起的鐵路基沉降最大值為3.95 mm。

(2）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路下部箱涵結(jié)構(gòu)時(shí)，引起的箱涵最大沉降量為2.4 m m，最大橫向傾斜度為0.184‰，滿足規(guī)范3‰的要求。

(3）盾構(gòu)下穿引起的鐵路路基沉降規(guī)律大致符合Peck曲線，但由于右線隧道與箱涵結(jié)構(gòu)存在一定的間距，其開挖對(duì)箱涵及上方鐵路路基的影響較小，使得沉降槽曲線左右兩側(cè)不對(duì)稱。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王國棟, 肖立, 張慶賀. 盾構(gòu)在道路和鐵路下推進(jìn)引起的沉降對(duì)比研究[J]. 鐵道建筑, 2010(10).

[4] 莊麗. 散粒體的加卸載與應(yīng)力釋放特性[D]. 上海: 同濟(jì)大學(xué), 2009.

[5] 徐冬健. 盾構(gòu)隧道沉降數(shù)值模擬[D]. 北京: 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 2009.

來稿日期 2014-05-05

責(zé)任編輯 朱開明

Deformation Analysis on Shield Tunneling Passing beneath Railway Box Culvert Structure

Cui Tao

Abstract:Using the three-dimensional fi nite element method, the paper makes analysis of the deformation of existing railway subgrade, culvert and box type structure induced by shield tunneling underpass. The results show that railway subgrade settlement generally conforms to the Peck curve. However due to the existence of box culvert structure, settlement curve shows left and right asymmetry. Box culvert has maximum 2.4 mm vertical deformation, and subgrade has maximum 3.95 mm vertical settlement.

Keywords:shield tunnel, passing beneath existing railway, box type culvert structure, deformation analysis

中圖分類號(hào)：U449.82