盾構(gòu)隧道小角度斜交穿越鐵路路基變形影響規(guī)律分析

楊三資

（1、北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101 2、紹興京越地鐵有限公司，浙江 紹興 312016）

近年來，我國的城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，盾構(gòu)隧道工程已經(jīng)十分普及，但也面臨著越來越復(fù)雜的施工環(huán)境。盾構(gòu)隧道施工不可避免地對周邊地層產(chǎn)生擾動，當(dāng)下穿鐵路碎石道床時，將使道床以及周圍地面產(chǎn)生沉降，甚至影響鐵路正常運(yùn)營。

目前，針對盾構(gòu)隧道穿越鐵路已經(jīng)展開了一定程度的研究。馬健等[1]以杭州4 號線盾構(gòu)下穿既有地鐵1 號線為依托，分析了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)對既有隧道豎向變形的影響規(guī)律；曾鐵梅等[2]以武漢某地鐵盾構(gòu)隧道為例，研究了地鐵盾構(gòu)隧道對地表線路的影響；程巧建[3]通過對廈門地鐵二號線穿越工程仿真模擬以及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究得出了盾構(gòu)下穿高速鐵路路基以及軌道變形影響的時空分布規(guī)律；杜明芳等[4]通過有限元軟件分析不同角度穿越（18°，36°，54°，72°，90°）發(fā)現(xiàn)了穿越角度不同對路軌的影響有著巨大的影響。

目前，很多學(xué)者研究了盾構(gòu)隧道與既有構(gòu)筑物在不同相對位置大角度（下穿、上穿、平行、垂直）對既有構(gòu)筑物變形的影響規(guī)律，但對盾構(gòu)隧道小角度穿越既有地面線路研究較少。

在地鐵16 號線穿越工程中，盾構(gòu)隧道共下穿5 條鐵路線路，兩條為過渡京滬鐵路，兩條為過渡永豐鐵路，一條為過渡材料線，5 條線路均為有砟道床，設(shè)計(jì)速度80km/h，下穿角度為11.5°～17.5°，下穿風(fēng)險大，有必要對鐵路路基以及地面沉降進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)測。本文依托此工程，結(jié)合數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，重點(diǎn)研究小角度穿越時對鐵路路基以及地面的影響，為今后類似工程提供重要借鑒。

1 工程概況

新建盾構(gòu)隧道與既有鐵路總平面位置關(guān)系如圖1 所示。

圖1 工程位置關(guān)系總平面圖

地鐵區(qū)間穿越深度為地面下約16m。本段區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑3.20m，隧道內(nèi)徑2.90m，管片寬度1.2m，管片厚度0.3m，左右線間距約為18.2m～21.2m。工程剖面位置關(guān)系如圖2 所示。

圖2 工程位置關(guān)系剖面圖

2 工程地質(zhì)與水文情況

2.1 場地地層分布

該地區(qū)涉及勘探鉆孔最大深度為54.00m。按照地層沉積年代、成因類型、地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)對地層進(jìn)行劃分，共劃分為4 個大層，地層力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。盾構(gòu)施工處于細(xì)砂層與砂卵石層，大部分位于卵石層。鐵路路基下約有5m 的雜填土層，土質(zhì)穩(wěn)定性較差。

2.2 區(qū)間場地水位情況

根據(jù)勘察資料，豐益橋南站路～豐臺站區(qū)間施工階段水位位于北京高程22.2～25.5m（自東向西逐步升高）。

3 仿真模擬

為計(jì)算盾構(gòu)施工對鐵路路基的沉降影響，采用Ansys 有限元軟件模擬小角度盾構(gòu)隧道穿越后地表以及鐵路路基沉降。

3.1 有限元仿真模擬

本文采用Ansys 有限元軟件模擬盾構(gòu)隧道穿越工程，為使模擬結(jié)果跟接近實(shí)際情況，建模范圍取垂直于線路方向結(jié)構(gòu)外緣兩側(cè)各約5D（D 為隧道結(jié)構(gòu)外徑）[5-6]，豎直方向結(jié)構(gòu)覆土根據(jù)實(shí)際情況取值，結(jié)構(gòu)底部以下大于5D，因此模型尺寸為600m×200m×50m，地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場分析。鐵路路基軌道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)斷面，隧道襯砌管片采用Ansys 中的Shell163 單元模擬，土體以及道床采用Solid45 單元模擬，符合Drucker-Prager 準(zhǔn)則。模型中土層參數(shù)參見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)頂推力設(shè)置為300kN/m2，注漿壓力設(shè)置為200kN/m2。有限元三維模型以及結(jié)構(gòu)位置如圖3 所示。盾構(gòu)管片以及既有鐵路路基參數(shù)見表2。

圖3 有限元三維模型示意圖

表2 盾構(gòu)管片、既有鐵路路基物理力學(xué)參數(shù)

3.2 工況分析

Ansys 對于盾構(gòu)隧道施工過程的模擬，可以采用單元逐次“激活”與“鈍化”的方式進(jìn)行，對盾構(gòu)隧道開挖通過下列步驟進(jìn)行[5]，第一步,鈍化第一部分盾構(gòu)隧道單元，添加掘進(jìn)壓力；第二步，鈍化第二部分盾構(gòu)隧道單元，激活第一部分盾構(gòu)隧道的管片和襯砌，并施加掘進(jìn)壓力和注漿壓力；第三步，鈍化第三部分盾構(gòu)隧道單元，激活第二部分盾構(gòu)隧道的管片和襯砌，并施加掘金壓力和注漿壓力。左右盾構(gòu)隧道都按照該步驟進(jìn)行模擬開挖，先進(jìn)行右線開挖模擬，開挖完成后進(jìn)行左線開挖模擬。

4 仿真模擬結(jié)果

通過對Ansys 有限元軟件的仿真模擬，可以得到如圖4 的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖4 有限元軟件沉降位移云圖

雙線穿越后軟件計(jì)算的地面累計(jì)最大變形量達(dá)到-2.38mm，軌道路基累計(jì)沉降變形量達(dá)到-2.27mm。且根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得盾構(gòu)隧道穿越時軌道路基最大沉降位置為隧道與軌道路基交叉區(qū)域。

同時根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可以得到隨隧道推進(jìn)時鐵路路基以及地面最大沉降變化趨勢，圖5 表示鐵路路基最大沉降隨隧道推進(jìn)時的變化，左右線隧道推進(jìn)各劃分為7 個階段。右線推進(jìn)時路基以及地面沉降均大于左線推進(jìn)時的沉降，且盾構(gòu)右線或左線穿越時垂直下穿所造成的既有軌道沉降最大，垂直下穿沉降量占全部沉降量的29.4%。

圖5 鐵路路基以及地面最大沉降變化示意圖

5 監(jiān)測方案

為了研究盾構(gòu)隧道小角度穿越時對地面既有線路基沉降的影響，確定本次監(jiān)測的主要內(nèi)容為鐵路運(yùn)營線路變形、周邊地表沉降監(jiān)測以及監(jiān)測。同時鑒于鐵路運(yùn)營線路路基沉降的人工監(jiān)測頻率較低，且容易受到行車影響，為了更好的反映出穿越期間的線路變化情況，增加對鐵路路基進(jìn)行24 小時不間斷自動化監(jiān)測。

監(jiān)測項(xiàng)目主要包括以下四個方面：（1）影響范圍內(nèi)地表沉降人工監(jiān)測；（2）鐵路路基沉降人工監(jiān)測；（3）鐵路路基沉降自動化監(jiān)測；（4）接觸網(wǎng)桿沉降。

本項(xiàng)目采用基于液位測量的沉降變形自動監(jiān)測系統(tǒng)。自動化監(jiān)測點(diǎn)沿鐵路安全護(hù)欄敷設(shè)，采用底座及調(diào)節(jié)支架安裝固定，導(dǎo)線、聯(lián)通液管、通信線纜采用PVC 套管進(jìn)行保護(hù)，該系統(tǒng)監(jiān)測原理是根據(jù)連通管的差壓進(jìn)行測量，在墩臺某一固定基準(zhǔn)點(diǎn)處設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)傳感器和設(shè)備箱（含儲液罐、電池、采集設(shè)備、無線傳輸設(shè)備），各測量點(diǎn)傳感器固定于被測結(jié)構(gòu)上且通過柔性連通管和數(shù)據(jù)線與基準(zhǔn)點(diǎn)相連接；當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降變形時，結(jié)構(gòu)上的測量點(diǎn)傳感器自動測量、采集高程變化，將數(shù)據(jù)通過設(shè)備箱傳輸至數(shù)據(jù)中心。

該監(jiān)測系統(tǒng)測試量程1～200mm，最大允許誤差（精度）±0.1mm，適用溫度范圍-30℃～+40℃。在監(jiān)測范圍內(nèi),沿既有鐵路兩側(cè)及兩股線路中間,平行于軌道布設(shè)測線,測點(diǎn)布置在既有鐵路路基上,遠(yuǎn)離盾構(gòu)穿越位置處每8～10m 布置一個測點(diǎn),盾構(gòu)穿越處測點(diǎn)加密,每3～5m 布置一個測點(diǎn)。共布設(shè)30 個路基自動化沉降測點(diǎn)，自動化監(jiān)測點(diǎn)布置圖如圖6 所示。

圖6 路基沉降自動化監(jiān)測點(diǎn)布置示意圖

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

穿越期間既有線路基沉降人工監(jiān)測累計(jì)變形為-1.9mm，路基沉降自動化監(jiān)測累計(jì)變形為-2.64mm，接觸網(wǎng)桿沉降累計(jì)變形為-1.2mm。盾構(gòu)穿越施工引起既有結(jié)構(gòu)整體趨勢呈沉降趨勢，其中自動化監(jiān)測時程曲線如圖7 所示。穿越工程中由于盾構(gòu)機(jī)頂推力的存在，路基以及地表皆存在盾構(gòu)初期抬升上升的現(xiàn)象，抬升幅度最大為1.25mm，隨著時間推移，路基與地面開始沉降，地表人工監(jiān)測顯示地表沉降自穿越開始10 天左右穩(wěn)定，路基沉降人工監(jiān)測以及路基自動化監(jiān)測顯示路基沉降自穿越開始8 天左右穩(wěn)定，由于有砟軌道的材料特性以及其采取了相應(yīng)的抗沉降措施，路基的變形比地表先穩(wěn)定。

圖7 路基沉降自動化監(jiān)測曲線圖

將Ansys 計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量沉降值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算所得的沉降趨勢以及最大沉降量均與實(shí)測監(jiān)測值相吻合，有限元計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，可以通過有限元模型以及實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式來研究小角度穿越工程對路基的影響。

提取盾構(gòu)下穿施工結(jié)束后路基沉降自動化監(jiān)測點(diǎn)（ZDH1-1～ZDH1～10、ZDH2-1～ZDH2-10、ZDH3-1～ZDH3-10）的沉降值，如圖8 所示。內(nèi)側(cè)路基也就是下行京滬線與下行永豐線之間的沉降最大，整體沉降的擬合曲線呈V 型，由散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)雙盾構(gòu)中心線處的沉降較其兩側(cè)的沉降略小。

圖8 下穿后路基沉降自動化監(jiān)測變化示意圖

7 結(jié)論

結(jié)合有限元軟件以及相關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了小角度穿越時對鐵路路基的影響規(guī)律，得到了以下的結(jié)論：

7.1 由有限元計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)小角度雙線盾構(gòu)隧道穿越時沉降會產(chǎn)生疊加效應(yīng)，該工程中右線穿越時最大沉降為-1.86mm，之后盾構(gòu)左線穿越時最大沉降達(dá)到-2.38mm，沉降出現(xiàn)了疊加現(xiàn)象。不管盾構(gòu)右線還是左線穿越時，垂直下穿的沉降量最大。

7.2 由仿真模擬結(jié)果以及監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雙線盾構(gòu)隧道穿越時的影響范圍呈帶狀分布，并且越靠近盾構(gòu)隧道中心線沉降值越大，但由于雙線隧道的相互影響，中心線處沉降值并非最大，隧道穿越時對既有線路基影響最大為內(nèi)側(cè)路基（該工程中的永豐線上下行），路基監(jiān)測要加強(qiáng)對該區(qū)域的監(jiān)測，必要時可采取相應(yīng)措施來減少路基沉降。

7.3 由于盾構(gòu)頂推力的存在，盾構(gòu)穿越初期會出現(xiàn)路基抬升的現(xiàn)象，對于鐵路路基而言，抬升也會影響線路的平順性，在穿越初期應(yīng)加強(qiáng)對路基抬升的監(jiān)測，必要時應(yīng)該采取一定的措施來保證鐵路路基的平順性。

7.4 由路基沉降自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，小角度構(gòu)穿越時沉降最大區(qū)域位于路基以及盾構(gòu)隧道交叉區(qū)域，由仿真模擬結(jié)果中也可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的沉降最大，未來面對小角度穿越工程時應(yīng)對該區(qū)域加強(qiáng)關(guān)注，在該區(qū)域采取必要的減小沉降的措施，來保證穿越工程的安全可靠。