雙線盾構(gòu)下穿鐵路路基沉降研究

王雅莉

(南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，南京 210000)

0 引 言

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程不斷升級(jí)，我國(guó)城市交通基礎(chǔ)設(shè)施面臨的壓力也是前所未有的。在這種現(xiàn)況下，北上廣等一線城市率先通過軌道交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)解決了部分交通需求，參考一線城市的成功案例，其他大部分的城市在面臨交通壓力時(shí)也會(huì)相繼選擇較為成熟的解決方案。盾構(gòu)法因?yàn)槠涫┕み^程中的干擾因素較少、對(duì)地面已建成交通的影響較小、施工周期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)而受到大量運(yùn)用[1-3]。朱偉[4-6]指出國(guó)內(nèi)在盾構(gòu)施工技術(shù)與管理上尚有缺陷，以及未來盾構(gòu)法施工技術(shù)的發(fā)展方向。蔣洪勝[7]基于上海二號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿污水管道，將盾構(gòu)施工過程分為靠近、下穿和遠(yuǎn)離3個(gè)不同的施工階段。黃宏偉[8-9]分析了盾構(gòu)施工掘進(jìn)時(shí)各個(gè)階段引起的沉降值的占比。張冬梅[10]等將時(shí)間效應(yīng)引入到盾構(gòu)施工造成的地表沉降，并得到地表沉降的計(jì)算公式。顧其波[11]以寧波地鐵1號(hào)線作為工程背景，對(duì)已有的地表沉降數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)公式進(jìn)行分析計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證了公式的適用性。韓煊和李寧[12-13]先后研究了盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層沉降和建筑物變形的預(yù)測(cè)模型和盾構(gòu)引起地表沉降的peck公式的適用性，并對(duì)公式中的參數(shù)提出相應(yīng)的建議。

本文依托于江蘇省淮安市某盾構(gòu)施工工程，其關(guān)鍵技術(shù)之一即為盾構(gòu)法隧道下穿高鐵鐵路路基關(guān)鍵技術(shù)分析。本文采用ABAQUS有限元分析軟件模擬盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的工況，分析注漿壓力的施工參數(shù)對(duì)地表沉降的影響，并通過擬合公式為實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

該盾構(gòu)下穿鐵路路基工程位于江蘇省淮安市，施工方案為泥土壓力盾構(gòu)機(jī)，計(jì)劃在鐵路開通運(yùn)營(yíng)之前施工完成，因此不考慮列車在運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的列車荷載。鐵路站臺(tái)地基寬度約為130 m，平行雙孔隧道下穿鐵路路基的長(zhǎng)度為130 m左右，左右兩邊隧道的中心距離約為13 m，隧道頂部距離地表約20 m，隧道的中心線與鐵路路基的方向大致成90°，由于曲率半徑相對(duì)于長(zhǎng)度較小，故不考慮。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告可以得到所需的各個(gè)土層的材料參數(shù)，見表1。

表1 地層物理參數(shù)表

2 數(shù)值模型的假設(shè)與建模

2.1 模型假設(shè)

本文采用大型有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模擬模型，對(duì)盾構(gòu)機(jī)下穿鐵路路基進(jìn)行模擬和分析。因?yàn)閿?shù)值模擬中無法如現(xiàn)實(shí)條件般把所有的自然和人為等因素都考慮進(jìn)去，因此需要作出一系列的假設(shè)，使數(shù)值模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜條件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，有針對(duì)性地分析單一變量或幾種重要變量，從而忽略次要的或者難以在模型中實(shí)現(xiàn)的因素。假設(shè)三維有限元數(shù)值盾構(gòu)施工模型符合下列假設(shè)條件：

①各向同性假設(shè)；②土層厚度均一且分布水平；③在盾構(gòu)施工過程中只考慮盾構(gòu)的注漿壓力和土倉(cāng)壓力；④忽略地面線的斜率，認(rèn)為地面是一個(gè)水平面，而且鐵路路線與盾構(gòu)路線正好正交；⑤盾構(gòu)機(jī)施工的過程視為盾構(gòu)機(jī)的空間變化，不考慮時(shí)間因素；⑥不考慮施工前的地基處理和施工過程中地下水的影響；⑦不考慮施工過程中的不可抗力因素。

2.2 盾構(gòu)施工過程在模型中的簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)

在ABAQUS有限元分析軟件中，可以在分階段施工管理中設(shè)置施工步驟的均勻性，這與實(shí)際盾構(gòu)施工過程中的實(shí)時(shí)糾正偏差是有差別的。在現(xiàn)實(shí)施工的過程中使用到的“克泥法”工法，即在盾構(gòu)的外殼與刀盤的外徑之間輸入注漿材料，然后將液態(tài)注漿材料賦予固態(tài)注漿材料的屬性。在ABAQUS中，可以利用LDF開挖荷載釋放系統(tǒng)來模擬這一點(diǎn)，可以將上一步驟中的LED釋放系數(shù)設(shè)置為0.3，而在后一步驟的LED釋放系數(shù)則設(shè)置為0.7，這樣就可以認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)外殼在施工過程中的變形非常小，可以近似認(rèn)為是剛體。在數(shù)值模擬中，盾構(gòu)的施工過程可以認(rèn)為是“開挖-液體注漿-注漿材料固化成固體”這3步為循環(huán)的逐步掘進(jìn)。

2.3 三維數(shù)值模擬模型的建立

采用ABAQUS有限元分析軟件建立三維有限元模型，模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)雙線下穿鐵路路基的施工過程。因?yàn)閷?shí)際工程中的盾構(gòu)掘進(jìn)過程中施工的長(zhǎng)度高達(dá)135 m且盾構(gòu)隧道的埋深較大，這些因素都將導(dǎo)致程序計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，同時(shí)考慮到模擬盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中是施工步驟的循環(huán)，所以適當(dāng)降低盾構(gòu)掘進(jìn)的長(zhǎng)度為25 m。在模型中利用實(shí)體單元模擬鐵路的路枕、鋼軌等鐵路的附屬結(jié)構(gòu)。模型圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)雙線下穿鐵路路基三維模型圖

從工程背景中可知，各個(gè)土層從上至下分別為人工填土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、夾砂質(zhì)粉土和粉砂。為了減小邊界條件對(duì)模型計(jì)算的影響，將模型的尺寸設(shè)定為長(zhǎng)度為100 m，寬度為25 m，模型的高度為50 m，盾構(gòu)隧道的頂部距離地表為20 m，盾構(gòu)隧道和鐵路的夾角為90°。三維有限元數(shù)值模型的土體采用的本構(gòu)為Mohr-Coulomb，盾構(gòu)外殼、襯砌、液態(tài)注漿層、固態(tài)注漿層和軌枕采用彈性模型。模型的邊界條件為在X=0處約束X方向的位移，在Y=0處約束Y方向的位移，在Z=0處約束Z方向的位移。在實(shí)際工程中，盾構(gòu)下穿施工計(jì)劃在鐵路開通運(yùn)營(yíng)前施工完畢，故不考慮高鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)的列車荷載等條件。模型經(jīng)過網(wǎng)格劃分后共有36 806個(gè)單元，40 146個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在模型中各個(gè)土層的物理力學(xué)參數(shù)是通過地質(zhì)工程勘探報(bào)告獲得的，將報(bào)告中涉及到的三維建模所需的土層材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)材料參數(shù)作出整理，見表1和表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表

模型中施工參數(shù)的選取參考相關(guān)理論計(jì)算或者相似的工程經(jīng)驗(yàn)可知，土倉(cāng)壓力的上限約為230 kPa，下限約為170 kPa。為分析盾構(gòu)掘進(jìn)過程中注漿壓力的變化對(duì)結(jié)果的影響，共設(shè)置6種計(jì)算工況，不同的計(jì)算工況僅有注漿壓力這一變量有所不同，其他的施工參數(shù)如土倉(cāng)壓力、盾構(gòu)掘進(jìn)長(zhǎng)度和盾構(gòu)隧道中心線的水平間距都是相同的。計(jì)算工況表見表3。

表3 數(shù)值模擬工況表

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

3.1 截面的沉降槽分析

工況1-工況6的沉降槽曲線圖2-圖4。

圖2 工況1-工況6右邊隧道開挖完畢后沉降曲線圖

圖3 工況1-工況6左邊隧道開挖完畢后沉降曲線圖

圖4 工況1-工況6沉降曲線變化趨勢(shì)

從圖2中可以看出，當(dāng)工況1-工況6右邊隧道開挖結(jié)束時(shí)，沉降槽的最大沉降值位于右邊隧道的中心處，最大沉降值范圍為-2.74～-6.52 mm，沉降槽的寬度在漸漸變小，這說明隨著注漿壓力的變大，右邊隧道中心的最大沉降值在逐漸變小，而且從工況1-工況6這種沉降減小的差值在不斷變小。從圖3中可以看出，共工況1-工況6左邊的隧道開挖完畢，沉降槽的發(fā)生最大沉降值的點(diǎn)往左偏移，而且最大沉降值的范圍較右邊隧道有所增加，最大沉降值的范圍是-4.36～-11.63 mm。這同樣說明了隨著注漿壓力的增加地表沉降的降低，也可以把沉降槽的寬度系數(shù)降低。圖4為每一種工況的沉降槽隨時(shí)間的變化曲線，可以看出從工況1-工況6在右邊隧道開挖結(jié)束之后左邊隧道開始開挖，沉降槽的寬度在變大，深度也在加深。當(dāng)注漿壓力增加到一定值時(shí)，地表可能會(huì)發(fā)生隆起，如后面幾個(gè)注漿壓力較大的工況。

3.2 時(shí)程曲線分析

工況1-工況6的節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線見圖5-圖7，圖中橫坐標(biāo)為施工步驟前12步右邊隧道的開挖階段，13-24步為左邊隧道的開挖階段，左右隧道中心節(jié)點(diǎn)在同一橫截面上。

圖5 工況1-工況6右邊隧道中心節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線

圖6 工況1-工況6左邊隧道中心節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線

圖7 工況1-工況6左右邊隧道中心節(jié)點(diǎn)時(shí)程分析曲線

從圖5可以看出，工況1-工況6施工工況的前12步的斜率大于后面13-24步的施工斜率，而且各個(gè)工況的施工斜率的發(fā)展趨勢(shì)相同。這表明注漿壓力越高，其沉降曲線的斜率越低，兩者呈反相關(guān)，同時(shí)右邊隧道開挖引起的右邊隧道中心點(diǎn)沉降大于左邊隧道開挖對(duì)其中心點(diǎn)沉降的影響。從圖6可以看出，各個(gè)工況的前12步的沉降曲線的斜率要小于后面13-24步的沉降曲線斜率，且各個(gè)工況的沉降曲線斜率變化趨勢(shì)相同，這同樣說明注漿壓力的增大可以有效降低沉降曲線的斜率，而且可知左邊隧道對(duì)沉降的影響大于右邊隧道的影響。從圖7可以看出，工況1-工況6等6種工況的左右兩邊隧道的中心節(jié)點(diǎn)的最終沉降值相差不大，兩個(gè)隧道中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線呈“果核”狀。這是因?yàn)樵谕婚_挖工況中，前12步右邊隧道的沉降曲線斜率絕對(duì)值大于左邊隧道沉降曲線斜率，當(dāng)施工步驟為13-24步時(shí)斜率絕對(duì)值大小為左邊隧道大于右邊隧道，而且隨著注漿壓力的增加，左右兩個(gè)隧道中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)程曲線斜率的絕對(duì)值差值在不斷增大，所以在曲線圖中呈現(xiàn)出“果核”狀分布。

3.3 注漿壓力與單線盾構(gòu)地表沉降的關(guān)系

ABAQUS有限元軟件模擬的右邊隧道開挖完畢時(shí)地表沉降的最大值出現(xiàn)在右邊隧道的中心位置，表4為右邊隧道開挖結(jié)束之后地表沉降的最大值隨注漿壓力的變化。從表4可知，隨著注漿壓力的增大地表沉降的最大值會(huì)變小，將表4中的數(shù)據(jù)繪圖可得到圖8，并將圖8中曲線擬合得到線性方程，見式(1)：

圖8 右邊隧道注漿壓力與最終沉降的關(guān)系曲線

表4 注漿壓力與單線隧道掘進(jìn)時(shí)地表沉降的關(guān)系表

S1=0.015P-9.496

(1)

式中：S1為右邊隧道開挖結(jié)束時(shí)的沉降值，mm；P為注漿壓力值，kPa。

從表4和圖8中可知，注漿壓力與地表沉降的最大值呈正線性相關(guān)，其相關(guān)度為R=0.99?？梢酝ㄟ^式(1)預(yù)測(cè)盾構(gòu)單線隧道或雙線盾構(gòu)隧道中先行線中的地表沉降。

3.4 注漿壓力與雙線盾構(gòu)地表沉降的關(guān)系

ABAQUS有限元軟件模擬的雙線盾構(gòu)隧道開挖的最大地表沉降出現(xiàn)在兩個(gè)隧道的中間位置，將注漿壓力與對(duì)應(yīng)的最終地表沉降最大值列于表5中，將表5中的數(shù)據(jù)繪圖得到圖9，并將圖9中的曲線擬合得到線性方程，見式(2)：

S2=0.029P-17.332 2

(2)

式中：S2為左右隧道開挖完畢之后的最終沉降量最大值，mm；P為注漿壓力值，kPa。

從表5和圖9中可知，雙線盾構(gòu)隧道完工之后沉降最大值范圍為-4.37～-11.63 mm。而且可以看出，地表沉降與注漿壓力成正線性相關(guān)，相關(guān)度R=0.99，可以利用式(2)對(duì)雙線盾構(gòu)隧道中的地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

表5 注漿壓力與雙線隧道掘進(jìn)時(shí)地表沉降的關(guān)系表

圖9 左右雙線隧道注漿壓力與最終沉降的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

采用有限元軟件ABAQUS模擬不同工況下雙線盾構(gòu)隧道下穿高鐵鐵路路基，可以得出以下結(jié)論：

1)無論是單線盾構(gòu)隧道下穿路基還是雙線，盾構(gòu)的注漿壓力可以影響沉降的大小和沉降槽的寬度。隨著注漿壓力的增大，地表沉降會(huì)隨之減小，沉降槽的寬度也會(huì)變大，當(dāng)注漿壓力達(dá)到一定程度時(shí)可能會(huì)使地表發(fā)生隆起。

2)沉降曲線斜率受到相鄰隧道開挖的影響，當(dāng)左右兩個(gè)隧道先后開挖時(shí)沉降曲線的分布呈現(xiàn)出“果核”狀，而且沉降曲線斜率隨著注漿壓力的增加而變小。

3)單線盾構(gòu)隧道和雙線盾構(gòu)隧道的地表沉降最終值都與注漿壓力有關(guān)，而且兩者呈正相關(guān)，可以利用兩者的關(guān)系預(yù)測(cè)單線或雙線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地表的沉降值。