盾構(gòu)隧道施工對(duì)臨近既有線沉降影響的數(shù)值分析

摘 要：確保臨近既有線的運(yùn)營(yíng)安全是新建隧道施工的關(guān)鍵問(wèn)題之一。針對(duì)某新建城際鐵路雙線盾構(gòu)隧道存在多次臨近既有京廣線施工的復(fù)雜情況，基于合理假定條件，采用數(shù)值分析方法全面模擬計(jì)算了新建隧道臨近并行既有線、下穿單線和下穿多線等關(guān)鍵施工過(guò)程中盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)臨近既有線沉降的影響，對(duì)比分析了擬采用的施工措施對(duì)既有線沉降的控制效果，為保障臨近既有線的運(yùn)營(yíng)安全奠定了理論基礎(chǔ)。數(shù)值分析結(jié)果表明：臨近并行和下穿單線施工時(shí)，可分別采用隔離樁保護(hù)和注漿加固地層的處理措施控制地表沉降且效果較好;下穿多線施工時(shí)，列車荷載對(duì)地表沉降的影響較大，考慮列車荷載后盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表沉降最大值由0.44 mm增大至1.32 mm，盾構(gòu)穿越宜在無(wú)列車行駛時(shí)進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道;臨近施工;既有線;沉降;數(shù)值模擬;控制措施

中圖分類號(hào)：U455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來(lái)，我國(guó)城市地下軌道交通得到了快速發(fā)展，軌道線路密度的逐漸增大，新建盾構(gòu)隧道臨近既有構(gòu)筑物施工的現(xiàn)象極為普遍且難以避免。隧道開(kāi)挖過(guò)程即為土體卸載過(guò)程，同時(shí)伴隨著隧道周邊地層的應(yīng)力釋放和位移釋放過(guò)程，由此新建隧道施工對(duì)周邊地層造成擾動(dòng)誘發(fā)地表變形，過(guò)大的地表變形危及臨近既有線結(jié)構(gòu)安全，從而對(duì)既有線的運(yùn)營(yíng)安全造成重要影響[1-3]。確保既有線的運(yùn)營(yíng)安全已成為新建隧道臨近施工所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前學(xué)者們及工程師們針對(duì)鐵路隧道盾構(gòu)施工對(duì)臨近既有線安全影響問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究及分析工作。阮雷[4]等通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，針對(duì)武漢地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿合武鐵路工程，分析了埋深以及底層加固對(duì)既有線路基沉降的影響。丁智[5]等依托杭州地鐵4號(hào)線穿越1號(hào)線工程，通過(guò)數(shù)值模擬分析了隧道間凈距以及角度對(duì)既有線變形以及襯砌內(nèi)力的變化規(guī)律。蔡向輝[6]通過(guò)建立軌道路基下穿隧道有限元模型分析了盾構(gòu)施工與列車運(yùn)行之間的相互作用。馬文輝[7]、白廷輝[8]等針對(duì)盾構(gòu)下穿既有地鐵線提出了相關(guān)盾構(gòu)施工參數(shù)經(jīng)驗(yàn)。朱紅霞[9]、王立新[10]、杜明芳[11]等分別在軟土地層、黃土地層和大粒徑卵石地層中開(kāi)展了盾構(gòu)下穿既有線的相關(guān)分析工作。

綜合前述成果，在盾構(gòu)近距離施工對(duì)既有線安全影響領(lǐng)域的研究中，數(shù)值計(jì)算是主要手段，施工參數(shù)、施工控制措施和特殊土層下的影響規(guī)律是主要研究?jī)?nèi)容，此外新建隧道與既有線的相對(duì)位置關(guān)系總體較為單一，基本為一次或兩次穿越，對(duì)可能出現(xiàn)的新建隧道多次臨近既有線施工的復(fù)雜情況卻鮮有涉及。事實(shí)上，若出現(xiàn)前述復(fù)雜情況，新建隧道的施工難度、既有線的變形控制難度以及施工風(fēng)險(xiǎn)大增，對(duì)隧道建設(shè)者考驗(yàn)極大。本文以某新建城際鐵路雙線盾構(gòu)隧道先后10次下穿既有京廣線為項(xiàng)目背景，以既有線沉降作為控制目標(biāo)，采用數(shù)值分析方法全面分析了新建盾構(gòu)隧道臨近并行既有線、下穿單線和下穿多線等關(guān)鍵過(guò)程中盾構(gòu)施工對(duì)臨近既有線沉降的影響。

1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)株潭城際鐵路樹(shù)木嶺隧道全長(zhǎng)12 860 m，采用左右雙線設(shè)計(jì)。該隧道包括四個(gè)車站、隧道進(jìn)出口和DK8+902.5—DK9+743洞身三段明挖段、兩個(gè)盾構(gòu)機(jī)工作井和三段盾構(gòu)、三段暗挖區(qū)間，其中盾構(gòu)區(qū)間總長(zhǎng)約為6.6 km。隧道盾構(gòu)區(qū)間采用土壓平衡式盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)直徑為9.33 m，兩隧道中線間距為18 m。盾構(gòu)管片的砼強(qiáng)度等級(jí)為C50，其主要幾何尺寸為外徑9.0 m，內(nèi)徑8.1 m，厚為0.45 m，平均寬度為1.8 m，雙邊楔形量32 mm。管片由五塊標(biāo)準(zhǔn)塊、兩塊臨近塊和一塊封頂塊組成，抗?jié)B等級(jí)為P12級(jí)，管片壁后空隙采用同步注漿法施工。在樹(shù)木嶺隧道進(jìn)口工作井—樹(shù)木嶺站區(qū)間范圍內(nèi)新建雙線盾構(gòu)隧道多次下穿既有京廣鐵路正線及聯(lián)絡(luò)線，施工難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高，作為國(guó)家重要干線，確保既有京廣鐵路線的運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

2 數(shù)值模擬分析基礎(chǔ)

2.1 數(shù)值模擬方法

本文采用巖土領(lǐng)域?qū)I(yè)軟件Midas GTS進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。為簡(jiǎn)化模擬，分析中未考慮隧道縱向影響，將空間三維問(wèn)題轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)力應(yīng)變二維問(wèn)題處理。在二維有限元模型土體及鐵路路基采用四節(jié)點(diǎn)平面單元模擬，管片采用二節(jié)點(diǎn)彈性梁?jiǎn)卧M，邊界方面，左右邊界為水平約束，底部邊界為豎向約束。為有效模擬盾構(gòu)隧道臨近既有京廣線施工過(guò)程，對(duì)模型采取了合理假定如下：（1）將地表和各層土體假定為均勻、水平層狀分布，土體為各向同性的理想彈塑性體并采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則;（2）不考慮巖土體的構(gòu)造應(yīng)力和地下水的影響;（3）軌道結(jié)構(gòu)牢固固定在鐵路路基上，不考慮路基與軌道結(jié)構(gòu)間的相對(duì)變形;（4）因無(wú)實(shí)際資料，不考慮施工前既有線路基及軌道結(jié)構(gòu)的初始變形;（5）管片的剛度折減系數(shù)取為0.8，應(yīng)力釋放率取為20%;（6）地層參數(shù)等建模信息參照工程地質(zhì)勘查報(bào)告中的數(shù)值取用，詳見(jiàn)下表1所示。

2.2 京廣線沉降控制指標(biāo)

以沉降控制作為既有京廣線的安全控制目標(biāo)，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)時(shí)的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[12-13]，對(duì)京廣線沉降采用三重控制指標(biāo)，具體內(nèi)容為：（1）地表最大累計(jì)隆起和沉降限值分別為10 mm和30 mm;（2）軌道高低偏差不超過(guò)10 mm（即 10 m弦測(cè)量的最大矢度值為10 mm）;（3）為確保鐵路正常運(yùn)營(yíng)要求，地表沉降限值為6 mm。

3 臨近并行既有線施工過(guò)程對(duì)既有線沉降影響分析

3.1 計(jì)算模型

里程YDK1+440—YDK2+226段新建雙線盾構(gòu)隧道臨近并行既有京廣鐵路線，根據(jù)兩者之間的平面位置關(guān)系，選取距離既有線最近的橫斷面予以分析，此處隧道埋深17.06 m，土層至上而下分別為0填土、1-2粉質(zhì)黏土、7-2細(xì)圓礫土、1-2泥質(zhì)粉砂巖、1-3泥質(zhì)粉砂巖，盾構(gòu)隧道位于1-2和1-3泥質(zhì)粉砂巖層中。新建雙線盾構(gòu)隧道與既有京廣線的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示，其中在里程YDK1+810.42—YDK2+226的局部區(qū)域擬設(shè)置雙排直徑為0.6 m間距為0.4 m的高壓旋噴樁對(duì)臨近京廣線予以隔離保護(hù)。限于篇幅部分建模參數(shù)未予詳述，軟件中所建立的寬為100 m，深為50 m的二維有限元模型見(jiàn)圖2所示。

3.2 施工模擬

為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，隧道盾構(gòu)掘進(jìn)順序?yàn)橄扔揖€后左線。此外為分析隔離樁保護(hù)對(duì)既有線沉降的控制效果，分別進(jìn)行了有、無(wú)隔離樁工況下的數(shù)值計(jì)算，其中對(duì)于有隔離樁的工況，隔離樁施工先于右線隧道開(kāi)挖完成。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3中的（a）和（b）分別給出了無(wú)隔離樁時(shí)先右線后左線隧道盾構(gòu)施工后的有限元模型沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：（1）右線隧道施工完成后，因土體卸載導(dǎo)致的拱頂擠壓變形沉降值為6.59 mm，與此同時(shí)隧道上方形成了一個(gè)以拱頂為中心、寬度約為34.66 m的地面沉降槽，沉降槽最深處位于隧道正上方地面，其沉降值為2.15 mm，距右線最近的既有線路基位于地面沉降槽范圍內(nèi)，受此影響既有線路基沉降值為0.48 mm;（2）隨著左線隧道施工的完成，左、右線的拱頂沉降值分別為6.43 mm和6.48 mm，既有線路基受盾構(gòu)施工影響范圍以及地面沉降槽寬度均增大，沉降槽寬度由右線完成后的34.66 m增大到52.61 m，沉降槽最深處距兩條隧道的對(duì)稱面兩側(cè)約2 m，最大沉降值為2.45 mm，小于鐵路正常運(yùn)營(yíng)的地表沉降限值要求（6 mm），路基沉降量略有增大，最大值為0.52 mm。

圖4中的（a）和（b）分別給出了設(shè)置隔離樁后先右線后左線隧道盾構(gòu)施工后的有限元模型沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：（1）隨著右線隧道施工的完成，隧道拱頂?shù)某两抵禐?.04 mm，因隔離樁的影響，所形成的地面沉降槽最深處偏移至拱頂正上方左側(cè)2 m位置，最大沉降值為2.44 mm，地面沉降槽寬度相較于無(wú)隔離樁亦略有減小，其值約為30.28 m，距右線最近的既有線路基位于沉降槽影響范圍外，表明右線盾構(gòu)施工基本不會(huì)誘發(fā)既有線路基的沉降;（2）隨著左線隧道施工的完成，左、右線的拱頂沉降值分別為6.45 mm和5.9 mm，既有線路基受盾構(gòu)施工影響范圍以及地面沉降槽寬度均增大，沉降槽寬度由右線完成后的30.28 m增大到46.29 m，沉降槽最深處距兩條隧道的對(duì)稱面左側(cè)約2 m的位置，最大沉降值為2.44 mm，小于鐵路正常運(yùn)營(yíng)的地表沉降限值要求（6 mm），此時(shí)距右線最近的既有線路基位于地面沉降槽區(qū)域內(nèi)，左線施工所誘發(fā)的臨近線路路基最大沉降值為0.35 mm。

通過(guò)對(duì)比兩種工況的計(jì)算結(jié)果可知：兩種工況下地表沉降最大值均小于控制限值，滿足線路正常運(yùn)營(yíng)的沉降要求。由于計(jì)算假定中未考慮地下水的影響及多項(xiàng)簡(jiǎn)化處理，因此，數(shù)值計(jì)算結(jié)果并不能完全反應(yīng)實(shí)際施工情況，特別是隧道下穿地層為有砂層，地層失水對(duì)于既有鐵路的影響會(huì)比較明顯，因此采用隔離樁保護(hù)措施，能有效縮小新建隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有線路基的影響范圍，控制沉降槽寬度和地表沉降量，實(shí)現(xiàn)既有線的沉降安全控制。

4 下穿單線施工過(guò)程對(duì)既有線沉降影響分析

4.1 計(jì)算模型

新建盾構(gòu)隧道在里程YDK2+260—YDK2+400共140 m范圍內(nèi)，除需斜穿既有京廣鐵路上行線外，還需正穿多棟低層房屋，地表既有結(jié)構(gòu)的復(fù)雜情況極大的增加了施工難度。根據(jù)地勘報(bào)告，該區(qū)域地層從上至下為人工填土層、1-2粉質(zhì)黏土層、7-2細(xì)圓礫土層、1-2泥質(zhì)粉砂巖和1-3泥質(zhì)粉砂巖層，綜合考慮地質(zhì)條件，為確保既有線的運(yùn)營(yíng)安全，擬采用注漿加固的方式對(duì)里程為YDK2+226—YDK2+295.86的區(qū)域進(jìn)行地基處理，且地層加固完成后方可進(jìn)行盾構(gòu)下穿既有線施工。注漿加固區(qū)的總體范圍長(zhǎng)為70 m寬為40 m，在隧道頂部以上及底部以下分別為5 m和3 m。

為分析地層注漿加固對(duì)既有線沉降的控制效果，取里程為YDK2+246的位置進(jìn)行建模分析，此處隧道埋深為18.8 m。分別考慮了地層未加固和注漿加固的兩種情況，限于篇幅部分建模參數(shù)未予詳述，在軟件中所建立的寬為80 m，深度為50 m的二維隧洞-土體分析模型見(jiàn)圖5所示。

4.2 施工模擬

為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，隧道盾構(gòu)掘進(jìn)順序?yàn)橄扔揖€后左線。對(duì)于考慮地層注漿加固的工況，地層加固先于右線隧道開(kāi)挖，因注漿加固改變了圍巖特性，模擬中通過(guò)替換加固區(qū)域土體的圍巖參數(shù)予以考慮，各材料參數(shù)取值詳見(jiàn)表1所示。

4.3 計(jì)算結(jié)果分析

圖6中的（a）和（b）分別給出了未采用注漿加固措施時(shí)，新建隧道盾構(gòu)施工后的有限元模型沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：（1）隨著右線隧道施工的完成，土體卸載導(dǎo)致拱頂擠壓變形其沉降值為13 mm，所形成約37.79 m寬的地面沉降槽最深處位于隧道正上方，其地表最大沉降值為5.2 mm;（2）隨著左線隧道施工的完成，左、右線的拱頂沉降值分別為12.65 mm和12.7 mm，地面沉降槽的寬度和影響區(qū)域均增大，其寬度由右線斜穿后的37.79 m增大至50.7 m，沉降槽最深處位于兩條隧道對(duì)稱面位置，最大沉降值為6.65 mm，大于鐵路正常運(yùn)營(yíng)的地表沉降限值要求（6 mm）。

圖7中的（a）和（b）分別給出了注漿加固地層后，新建隧道盾構(gòu)施工后的有限元模型沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：（1）隨著右線隧道施工的完成，相較于地層未加固的情況，隧道拱頂?shù)某两抵递^未加固時(shí)顯著減小至4.41 mm，所形成的地面沉降槽寬度減小至16.7 m，沉降槽最深處偏移值隧道上方左側(cè)2 m位置處，此處地表最大沉降值為3.1 mm;（2）隨著左線隧道施工的完成，相較于地層未加固的情況，左、右線隧道拱頂沉降變形量顯著減小分別為4.24 mm和4.72 mm，沉降槽寬度亦減小至24.63 m，此時(shí)沉降槽最深處位于兩條隧道的對(duì)稱面位置，其沉降最大值為4.33 mm，小于鐵路正常運(yùn)營(yíng)的地表沉降限值要求（6 mm）。

通過(guò)對(duì)比兩種工況下的計(jì)算結(jié)果可知：（1）未采取地層注漿加固措施條件下，盾構(gòu)下穿所誘發(fā)的既有線地表最大沉降值不滿足限值要求;（2）采用地層注漿加固措施后，因地層特性的改善，拱頂?shù)淖冃瘟?、沉降槽寬度和地表沉降最大值均顯著減小，由此表明注漿加固措施可較好地控制盾構(gòu)穿越工程所誘發(fā)的既有線路基沉降，從而較為有效地保障了列車通行安全。

5 下穿多線施工過(guò)程對(duì)既有線沉降影響分析

5.1 計(jì)算模型

在里程YDK3+230—YDK3+600段新建盾構(gòu)隧道斜穿多條既有線，根據(jù)隧道與京廣鐵路平面位置關(guān)系，取里程段YDK3+335隧道埋深為25.5 m的位置進(jìn)行建模分析，新建隧道與既有線相互位置關(guān)系見(jiàn)圖8所示。在軟件中所建立的寬90 m，深50 m的二維有限元模型見(jiàn)圖9所示。因穿越多條京廣線，線路上列車荷載有可能對(duì)結(jié)果造成較大影響，因此計(jì)算中分別考慮了無(wú)列車荷載和有列車荷載兩種工況。對(duì)于列車荷載的模擬，在整個(gè)模型頂面施加60 kpa的面壓力。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖10中的（a）和（b）分別給出了無(wú)列車荷載下隧道盾構(gòu)施工完成后地表沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：（1）隨著右線隧道施工的完成，在隧道正上方形成了寬約為27.5 m的地面沉降槽，地面最大沉降值為0.3 mm;（2）隨著左線施工的完成，地面沉降槽的影響區(qū)域和寬度均增大，其寬度增大至42 m，地面最大沉降值較單線略有增長(zhǎng)，其值為0.44 mm。

圖11中的（a）和（b）分別給出了滿布列車荷載作用下隧道盾構(gòu)施工完成后有限元模型沉降云圖，分析圖中結(jié)果可知：相較于無(wú)列車荷載作用工況下，右線隧道施工完成后，地面最大沉降量增大至1.15 mm，左線隧道施工完成后，地面最大沉降量增大至1.32 mm，其位于兩條隧道的對(duì)稱面處。

通過(guò)對(duì)比兩種工況下的計(jì)算結(jié)果可知：（1）列車荷載的地表最大沉降值是無(wú)列車荷載地表最大沉降值的3倍左右，表明盾構(gòu)在施工過(guò)程中，地表沉降受列車荷載的影響相對(duì)較大，盾構(gòu)下穿該地段時(shí)宜選取無(wú)列車行駛的時(shí)段進(jìn)行;（2）兩種工況下，盾構(gòu)隧道正常施工所誘發(fā)的既有線沉降較小，滿足鐵路正常運(yùn)營(yíng)要求，但由于地下工程施工的不確定性，為確保鐵路運(yùn)行安全，在盾構(gòu)隧道施工期間注意動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論

針對(duì)長(zhǎng)株潭城際鐵路樹(shù)木嶺隧道多次臨近既有京廣線施工的復(fù)雜情況，采用數(shù)值模擬方法分析了新建隧道臨近并行既有線、下穿單線和下穿多線等關(guān)鍵過(guò)程中盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路路基沉降的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）新建隧道臨近并行既有線施工時(shí)，有無(wú)隔離樁都能滿足沉降要求，但隧道下穿地層有砂層，地層失水對(duì)于既有鐵路的影響會(huì)比較明顯，而計(jì)算中忽略地下水影響，因此采用隔離樁保護(hù)措施，能有效縮小新建隧道盾構(gòu)施工對(duì)既有線路基的影響范圍，控制沉降槽寬度和地表沉降量，實(shí)現(xiàn)既有線的沉降安全控制。

2）當(dāng)新建隧道下穿單線施工時(shí)，未進(jìn)行注漿加固條件下，盾構(gòu)施工所誘發(fā)的地表沉降較大，不滿足鐵路正常運(yùn)營(yíng)要求;采用地層注漿加固措施后，可以明顯降低沉降量及沉降槽的寬度，注漿加固措施可以比較好地控制由于盾構(gòu)穿越工程對(duì)京廣鐵路所帶來(lái)沉降，降低工程風(fēng)險(xiǎn)。

3）在新建隧道下穿多條既有線時(shí)，地表沉降受列車荷載影響相對(duì)較大，但盾構(gòu)正常施工所誘發(fā)的地面沉降值總體較小且滿足限值要求。由于數(shù)值分析的局限性及地下工程施工的不確定性，為確保鐵路運(yùn)行安全，在盾構(gòu)隧道施工期間宜加強(qiáng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)措施。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Abstract：

To ensure the safe operation of the adjacent existing line is one of the key issues in the construction control of the new railway tunnel. In view of the complicated situation of the construction of a new intercity railway double-lane shield tunnel near the existing Beijing-Guangzhou Line on several occasions， based on reasonable assumptions， numerical analysis method was used to comprehensively simulate and calculate the influence of shield tunneling on the settlement of the adjacent existing lines during the critical construction process， such as the adjacent parallel existing lines， undercrossing single-line and multi-line， and a comparative analysis of the proposed construction measures to control the settling effect of the existing line， which lay a theoretical foundation for ensuring the operation safety of the adjacent existing line. The results of numerical analysis show that： when the construction is near parallel and under the single line， the treatment measures of isolated pile protection and slurry reinforcement of the ground layer can be used to control the surface settlement and the effect is better; when the construction is under the multiple lines， the impact of the train load on the surface settlement is greater， the maximum value of the surface settlement induced by the shield construction after considering the train load increases from 0.44 mm to 1.32 mm， so the shield crossing should be carried out when no train is running.

Key words：

shield tunnel; close construction; existing railway line; settlement; numerical simulation; control measure