盾構(gòu)隧道下穿鐵路群引起路基沉降的數(shù)值研究

趙勇博，吳波,2，王鳴濤

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

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盾構(gòu)隧道下穿鐵路群引起路基沉降的數(shù)值研究

趙勇博1，吳波1,2，王鳴濤1

(1.福建工程學院 土木工程學院，福建 福州 350118； 2.福建省土木工程新技術(shù)與信息化重點實驗室，福建 福州 350118)

摘要：以福州地鐵一號線(羅漢山站～福州火車站區(qū)間)為依托工程，采用MIDAS/GTS有限元軟件對盾構(gòu)隧道下穿鐵路軌道群引起的路基沉降進行了三維數(shù)值模擬分析。根據(jù)計算結(jié)果，分析了鐵路軌道路基以及隧道軸線方向地表的沉降規(guī)律。并與工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)沉降規(guī)律基本一致?？蔀轭愃乒こ痰脑O計、施工提供參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道； 數(shù)值模擬； 路基沉降； 圍巖應力

盾構(gòu)施工具有對周圍環(huán)境影響小，受地形、地貌等地表環(huán)境限制小，同時施工速度快等優(yōu)點。盾構(gòu)法已經(jīng)成為城市地鐵施工中最普遍的方法，在最近幾年發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的工程也越來越多。盾構(gòu)法作為目前中國城市地鐵隧道建設的一種重要施工方法，同其他施工方法一樣，由施工引起的地表沉降及對周圍環(huán)境的影響成為盾構(gòu)法施工的一個重要問題。由于盾構(gòu)施工改變了既有鐵路地基原土體應力場，造成開挖面周圍土體的擾動，導致隧道周圍土體發(fā)生位移，進而引起地表變形，勢必引起鐵路線路變形，加劇軌道的不平順，加大鐵軌間的沖擊力，加速軌道結(jié)構(gòu)和基床的破壞，嚴重時還會影響到鐵路的運營安全[1]。

目前，國內(nèi)外學者對盾構(gòu)法隧道施工引起地表沉降規(guī)律已經(jīng)有了較多的研究。其常用的研究方法包括經(jīng)驗公式法、模型試驗法、數(shù)值模擬法等方法[2-3]。尤其隨著有限元數(shù)值模擬軟件的愈發(fā)成熟，數(shù)值分析不僅可以較真實地模擬出實際工程的水文地質(zhì)情況，而且可以模擬盾構(gòu)施工過程，方便對不同施工步驟下的路基沉降作研究，因此該方法得到了越來越多的應用。如肖立[4]等依托工程實際對多條鐵路軌道下盾構(gòu)長距離推進過程中引起的地表變形進行了三維有限元數(shù)值模擬，總結(jié)了盾構(gòu)開挖過程中垂直和平行于盾構(gòu)方向的地表沉降規(guī)律；呂培林[5]等對軟土地區(qū)盾構(gòu)下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律作了研究；吳波[6]等也從地鐵開挖過程中失水引起的地表沉降作了充分研究。但大多數(shù)研究對象僅局限于地表沉降規(guī)律，對盾構(gòu)法隧道施工引起的鐵路路基沉降規(guī)律研究較少，而且福州地鐵規(guī)劃場區(qū)地貌變化大，地質(zhì)環(huán)境復雜，區(qū)內(nèi)沿江、沿海一帶的含水層富水性大、透水性強，水頭壓力大，隧道盾構(gòu)開挖風險大。福州市軌道交通1號線(羅漢山站～福州火車站區(qū)間)下穿福州火車站咽喉區(qū)，因此有必要對該區(qū)間盾構(gòu)施工引起的路基沉降做深入研究。

本文以福州地鐵一號線羅漢山站～福州火車站站區(qū)間為研究背景，首先通過建立三維數(shù)值模型分析隧道開挖過程中鐵路路基沿盾構(gòu)方向和軌道方向的沉降規(guī)律，最后與工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比研究。對盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路軌道群引起的路基沉降規(guī)律進行了分析、總結(jié)，可為類似工程的設計、施工提供參考。

1　工程概況

福州市軌道交通1號線(羅漢山站～福州火車站區(qū)間)盾構(gòu)始發(fā)井為2#礦山法工作井。區(qū)間盾構(gòu)隧道上行線起訖點里程為：SK3+712.8～SK4+223.7，長510.9 m，下行線里程XK3+722.01～XK4+223.7，長501.69 m。 2#豎井～福州火車站區(qū)間隧道總長1 012.59 m。其中盾構(gòu)段施工(實推)總長度為451.745 m。

盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿地表鐵路軌道，沿規(guī)劃西路向南下穿福州火車站咽喉區(qū)(車站正線14股道，2組道岔，鐵路路堤高2 m，有砟道床)，平面與其約成60°角，線間距11～14.65 m。穿越段里程為：XK4+020～XK+049、SK4+010～SK4+062。盾構(gòu)下穿鐵路的上覆主要地層為雜填土、淤泥，隧道范圍內(nèi)主要地層為粉質(zhì)粘土、礫質(zhì)粘土、強風化花崗巖。隧道與鐵路平面關(guān)系如圖4所示。

圖1　隧道與鐵路平面關(guān)系圖Fig.1　Tunnel and rail plane diagram of Fuzhou subway line 1

2　模型建立與參數(shù)取值

2.1模型建立

采用MIDAS/GTS有限元分析軟件對福州地鐵穿越鐵路軌道群進行數(shù)值分析時假設：①各地層材料采用實體單元，管片、盾構(gòu)鋼殼、注漿層以及開挖超空隙采用彈性結(jié)構(gòu)單元；②實體單元遵循Mohr-Coulomb屈服準則；③模型四周邊界采用單向鉸支約束，下表面為固定約束，上表面為自由面；④不考慮施工過程中的爆破影響；⑤不考慮施工過程和地表荷載的影響；⑥不考慮地下水的影響和流固耦合效應。模型結(jié)構(gòu)單元尺寸為1 m，單元劃分采用自動混合六面體，實體單元最大尺寸2.5 m，最小0.5 m?；炷恋燃塁50。計算模型橫向取至距隧道軸線5倍盾構(gòu)隧道直徑(隧道半徑R=3.15 m)，其中橫向?qū)?7 m，高40.65 m，縱向長64 m。模型共61 815個單元，135 184個節(jié)點。其計算模型如圖2所示。

圖2　計算模型Fig.2　Calculation model of rail embankment induced by shield tunnelling under rail track groups

2.2參數(shù)取值

各地層力學、物理參數(shù)按《福州軌道交通1號線02標段羅漢山站～福州火車站站區(qū)間詳細勘察階段巖土工程勘察》參數(shù)建議表取值。具體圍巖及支護物理力學參數(shù)見表1。

表1圍巖及支護參數(shù)表

Tab.1Parameters of surrounding rock and timbering shoring

材料容重/(kN·m-3)彈性模量E/GPa泊松比μ內(nèi)摩擦角φ/(°)粘聚力c/MPa路堤35.0200.00.30—10回填土18.928.00.3015.013淤泥15.838.20.3515.540粉質(zhì)粘土18.8161.20.3021.590殘積礫質(zhì)粘性土18.6628.20.3526.5190全風化巖25.0650.00.3535.0220管片25.024.20.20——盾構(gòu)鋼殼78.034.50.20——注漿18.02.2e-010.25——超空隙0.12.5e-050.30——

除考慮土體自重外，還需考慮城際鐵路的列車及軌道荷載，根據(jù)《鐵路路基設計規(guī)范》[7]采用換算土柱的方法，可將列車及軌道荷載等效為靜荷載考慮。查附錄A-軌道和列車荷載換算土柱高度和分布寬度表，可得等效荷載為60 kPa。根據(jù)《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》[8]在實際工程中盾構(gòu)總推力在9 500～12 000 kN。數(shù)值模擬中取10 000 kN。

3　計算結(jié)果與分析

3.1平行于軌道方向的路基沉降位移分析

由計算結(jié)果可知，在隧道掘進過程中，每條路基的沉降曲線規(guī)律基本一致。因此，文中僅選出第1條和第7條路基作為研究對象。圖3和圖4是第1條路基和第7條路基分別在左、右隧道掘進過程中的沉降曲線。其中：R4代表右隧道掘進4 m時的沉降曲線；L4代表左隧道掘進4 m時的沉降曲線，其它符號與之類似。

從圖3和圖4可以看出：①隨著右隧道的掘進，第一條軌道下方路基沉降曲線的沉降中心逐漸偏移并穩(wěn)定在軌道長度24 m處，最大沉降值約為6.8 mm。橫向影響范圍約為50 m，分布在沉降中心兩側(cè)。第7條軌道下方路基沉降曲線的沉降中心組建偏移并穩(wěn)定在軌道長度32 m處，最大沉降值約為7.1 mm。橫向影響范圍約為65 m，分布在沉降中心的兩側(cè)。②隨著左隧道的掘進，第1條軌道下方路基沉降曲線的沉降中心逐漸由上行線隧道正上方偏移并穩(wěn)定至軌道長度34 m處，沉降值為6.3 mm，沉降量由中心向兩側(cè)遞減，左側(cè)峰值在23 m處，沉降值為7.3 mm，右側(cè)峰值在41 m處，沉降值為6.9 mm。橫向影響范圍約為70 m，即11倍的隧道直徑，分布在沉降中心的兩側(cè)。第7條軌道下方路基沉降曲線的沉降中心逐漸由上行線隧道正上方偏移并穩(wěn)定至軌道長度41 m處，沉降值為6.7 mm，沉降量由中心向兩側(cè)遞減，左側(cè)峰值在31 m處，沉降值為7.7 mm，右側(cè)峰值在52 m處，沉降值為7.5 mm。橫向影響范圍約為80 m，即12倍的隧道直徑，分布在沉降中心的兩側(cè)。由于和右隧道掘進過程中的沉降曲線疊加，左隧道掘進過程中出現(xiàn)類似“W”型的沉降曲線。③軌道線正下方路基的最大沉降值出現(xiàn)在隧道正上方且雙線開挖大于單獨開挖隧道一側(cè)所產(chǎn)生的最大沉降值，最大沉降值增長量在8.2%～10.1%之間。

圖3　隧道掘進第一條路基沉降曲線Fig.3　The first embankment settlement curve

圖4　隧道掘進第七條路基沉降曲線Fig.4　The seventh embankment settlement curve

3.2沿盾構(gòu)方向的路基沉降位移分析

取位于左、右隧道正上方的地表線(其中包括軌道路基與地表線的交點)為研究對象，研究沿盾構(gòu)方向的路基沉降規(guī)律。計算結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯孩俣軜?gòu)掘進對掌子面前方(未開挖部分為前方)土體的影響范圍在20 m內(nèi)，對后方(已開挖部分為后方)土體的影響范圍在30 m內(nèi)，總體范圍約為隧道直徑的6倍。對后方30 m處影響達到最大累計沉降，對前方20 m處及之后沉降影響幾乎為0。②隨著盾構(gòu)向前掘進隧道軸線正上方地表沉降值會逐漸增大，但最終都趨近于一穩(wěn)定值，上行線開挖完畢，上行線隧道正上方路基最大沉降值為7.2 mm；下行線開挖完畢，下行線隧道正上方路基最大沉降值為7.4 mm，并都位于隧道中間正上方位置。③曲線中的轉(zhuǎn)折點為軌道路基與隧道正上方的表現(xiàn)的交點，可知在列車動荷載的作用下會明顯加劇路基的沉降。

圖5　隧道軸線正上方地表沉降曲線Fig.5　The settlement curve of ground surface right above the tunnel axis

4　監(jiān)測結(jié)果

路基監(jiān)測布設沿軌道長度方向，在距離鐵路1 m的位置，共設置11條地表沉降監(jiān)測線。每條監(jiān)測線根據(jù)現(xiàn)場實際情況設置多個監(jiān)測點，大約每5 m設一個沉降監(jiān)測點。為了簡化研究任務，文中僅選取具有代表性的第7條路基分別在左、右隧道盾構(gòu)結(jié)束后的監(jiān)測曲線與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比研究。其詳細布設方案如圖6所示，對比結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出：①上行線(右隧道)開挖完路基沉降監(jiān)測曲線呈現(xiàn)漏斗狀，下行線(左隧道)開挖完路基沉降監(jiān)測曲線呈現(xiàn)“W”形狀，均與數(shù)值計算結(jié)果曲線相似。②左、右隧道盾構(gòu)結(jié)束后實際監(jiān)測結(jié)果的最大沉降值分別為8.1 mm、9.6 mm，與計算結(jié)果相比較存在一定的差距，這是因為在實際施工中外界環(huán)境(降雨、地下水、地表車輛等)復雜多變，各種外界因素都會影響圍巖的應力變化，進而最終影響到路基的沉降變化，但是在有限元計算中簡化了這些因素，所計算的結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)存在差距在所難免。本文差距很小，在允許范圍之內(nèi)。③監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線的影響范圍與數(shù)值計算結(jié)果相似。綜上分析表明，本文計算方法具有合理性和適用性。

圖6　路基監(jiān)測點布設圖Fig.6　Setting sketch of roadbed monitoring points

圖7　計算值與監(jiān)測值對比圖Fig.7　Comparative analysis of calculated and monitoring values

5　結(jié)論

1)軌道線正下方路基的最大沉降值出現(xiàn)在隧道正上方且雙線開挖時因左、右隧道沉降曲線的疊加會出現(xiàn)類似“W”形沉降槽，最大沉降值也大于單獨開挖隧道一側(cè)所產(chǎn)生

的最大沉降值，增長量在8.2%～10.1%之間。在實際施工過程中，通過加強支護和優(yōu)化施工參數(shù)等措施來確保施工過程的安全性。

2)盾構(gòu)掘進對掌子面前方(未開挖部分為前方)土體的影響范圍在20 m內(nèi)，對后方(已開挖部分為后方)土體的影響范圍在30 m內(nèi)，整體范圍約為隧道直徑的6倍。對后方30 m處影響達到最大累計沉降，對前方20 m處及之后沉降影響幾乎為0。且左、右隧道正上方地表的最大沉降值均出現(xiàn)在隧道中間正上方的位置。

3)監(jiān)測值與計算結(jié)果雖存在一定的誤差，但整體規(guī)律基本一致。驗證了數(shù)值模擬分析方法在福州地鐵一號線(羅漢山站～福州火車站區(qū)間)應用的合理性和適用性。在實際工程中可采取數(shù)值計算方法對盾構(gòu)開挖過程中的路基沉降規(guī)律進行估算，從而提高施工過程中的可靠性和安全性。

參考文獻：

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(責任編輯： 陳雯)

Numerical study on embankment settlement induced by shield tunnelling under railway track groups

Zhao Yongbo1，Wu Bo1,2，Wang Mingtao1

(1.College of Civil Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China;2.Fujian Provincial Key Laboratory of Advanced Technology and Informationization in Civil Engineering, Fuzhou 350118, China)

Abstract：Fuzhou subway line1 (Luo Hanshan Station to Fuzhou Railway Station) was taken as a foundation engineering project.3D numerical simulation analysis of embankment settlement induced by shield tunnelling under railway track groups was conducted via finite element software MIDAS/GTS.The regularity of the railway embankment and the ground surface settlements along the rail axis were analysed.The simulation result was compared with that of the on-site measured data, which indicates that the simulation is effective.

Key words：shield tunnel; numerical modelling; embankment settlement; surrounding rock stress

doi:10.3969/j.issn.1672-4348.2016.04.006

收稿日期:2016-06-15

基金項目：國家自然科學基金項目(51478118); 福建省自然科學基金項目(2014J01170)

第一作者簡介：趙勇博(1991-)，男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事巖土與地下工程技術(shù)研究。

中圖分類號：U455.43

文獻標志碼：A

文章編號：1672-4348(2016)04-0339-05