地鐵盾構(gòu)隧道下穿對(duì)高鐵路基股道群變形的影響研究

李鴻博

摘 要：以合肥軌道交通某線區(qū)間隧道下穿合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線為工程背景，采用Midas GTS建立三維模型模擬實(shí)際工況，在分析上下疊落式盾構(gòu)隧道穿越時(shí)鐵軌變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)比研究地層未加固與預(yù)加固兩種方案。研究表明：在未加固方案下，鐵軌最大沉降和水平位移分別為6.03mm、1.25mm，在預(yù)加固方案下，鐵軌最大沉降和水平位移分別為3.35mm、0.70mm，即地層預(yù)加固可有效減小盾構(gòu)下穿對(duì)鐵軌變形的影響。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道數(shù)值模擬注漿加固路基鐵軌變形

中圖分類號(hào)： U458.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Study on Influence of Tracks Deformation Caused by Shield Tunnel Crossing under High-Speed Railway Subgrade

LI Hongbo

（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd.， Wuhan，Hubei Province，430063 China）

Abstract：Taking one line of Hefei Rail Transit passing under railways of the Hefei-Wuhan Line、the Taodong Line and the Power Plant Special Lineas project background， Midas GTS was used to establish a three-dimensional numerical model to simulate actual working conditions. Based on the analysis of the rule of railway subgrade deformation caused by over-lapped shield tunnel crossing， a comparative study was made on the use or absence of stratum reinforcement. Studies have shown that： in the non-reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 6.03mm and 1.25mm; in the reinforced condition， the maximum settlement and horizontal displacement of the rail is 3.35mm and 0.70mm. That is， the pre-reinforcement of the ground can effectively reduce the influence of the shield tunnel on the deformation of the rail.

Key Words： Shield tunnel; Numerical simulation; Grouting reinforcement; Subgrade; Rail deformation

如今軌道交通飛速發(fā)展，其線網(wǎng)輻射范圍及敷設(shè)密度日益增大，與既有高鐵路網(wǎng)相交難以避免，時(shí)常出現(xiàn)地鐵隧道下穿運(yùn)營鐵路的情況，而在確保既有鐵路安全運(yùn)營的前提下，完成地鐵隧道順利穿越通常是地鐵工程建設(shè)過程中的重難點(diǎn)及咽喉點(diǎn)。

張憶[1]以武漢兩湖隧道工程為背景，對(duì)15.5m大盾構(gòu)直徑下穿6條鐵路線進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿過程中路基及接觸網(wǎng)立柱的沉降特點(diǎn)進(jìn)行分析;李圍等[2]以深圳地鐵7號(hào)線為背景，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)重疊盾構(gòu)隧道下穿26條高鐵股道群產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行分析，驗(yàn)證了軌道支撐、路基加固、隧道內(nèi)支撐多重加固體系對(duì)軌道路基變形控制的可靠性和實(shí)用性;孫連勇等[3]采用Abaqus軟件對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿兩條相互平行的膠濟(jì)鐵路路基段、膠濟(jì)鐵路客運(yùn)專線橋梁段進(jìn)行數(shù)值模擬，分析加固與不加固兩種工況下路基及橋墩的沉降變形，肯定了鉆孔灌注樁加固方案對(duì)控制變形的積極作用。

目前關(guān)于盾構(gòu)隧道穿越鐵路已有大量文獻(xiàn)研究，但對(duì)上下疊落式地鐵隧道在不同穿越階段對(duì)鐵路路基鋼軌變形影響的規(guī)律性研究還較為欠缺。本文運(yùn)用三維有限元軟件Midas GTS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析在盾構(gòu)隧道不同工況、不同施工方案情況下鐵路軌道的變形規(guī)律。

1 ?工程概況

1.1 ?區(qū)間隧道與鐵路相互關(guān)系

區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，由北向南先后掘進(jìn)右線、左線，隧道襯砌為外徑6.2m、內(nèi)徑5.5m、厚度0.35m的C50鋼筋混凝土預(yù)制管片。

平面上，區(qū)間隧道依次下穿電廠專用線、合武上行線、桃東上行線、桃東下行線、合武下行線路基段。剖面上，區(qū)間隧道呈左線在上、右線在下疊落式分布，兩者豎向凈距約5.16～5.29m。下穿鐵路段：左、右線隧道縱坡分別為7.8‰、5.0‰，左、右線隧道覆蓋層厚度分別為18.01～18.35m、29.45～29.72m。

區(qū)間與鐵路的平、剖面位置關(guān)系見圖1、圖2。

1.2 ?工程地質(zhì)條件

本區(qū)間所在地貌為二級(jí)階地，地形平緩開闊，自然坡度約3°～5°，絕對(duì)標(biāo)高在23～32m之間。

擬建工程范圍內(nèi)無地表水，地下水主要為上層滯水、微承壓水、基巖孔隙水、裂隙水。上層滯水主要賦存于人工填土中，水量微弱，分布不連續(xù);承壓水主要賦存于粉土、粉砂;基巖孔隙水主要分布在全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中;基巖裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)、中風(fēng)化帶中。

根據(jù)該地鐵區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告，地層相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

1.3 ?方案比選

地鐵穿越鐵路時(shí)為控制鐵軌變形，可采取的主動(dòng)保護(hù)措施[4-6]有：地面注漿加固、D型便梁加固、管棚注漿加固、混凝土隔板+隔離樁等。

考慮到本區(qū)間左線隧道部分位于物理力學(xué)性質(zhì)較差的粉土、粉砂層，不利于盾構(gòu)穿越時(shí)的地面變形控制，易造成鐵軌產(chǎn)生較大變形，影響鐵路行車安全或速度。現(xiàn)對(duì)兩種施工方案進(jìn)行比選：方案一，對(duì)局部地層范圍（左線隧道結(jié)構(gòu)外各3m范圍）采取地面袖閥管注漿加固措施;方案二，不采取地層預(yù)加固措施。

2 ?三維數(shù)值模擬

2.1 ?模型建立

本文采用有限元軟件Midas GTS完成模型建立、網(wǎng)格劃分、計(jì)算分析的全過程。

根據(jù)圣維南原理，為減小邊界效應(yīng)，隧道結(jié)構(gòu)外左右兩側(cè)范圍宜大于5倍洞徑。設(shè)X軸為隧道橫向，Y軸為隧道縱向，Z軸為隧道深度方向，沿隧道橫向取66m，沿隧道縱向取100m，沿隧深度取60m，故巖土體的模型尺寸為：66m×100m×60m，三維數(shù)值模型共有單元數(shù)20145個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)28492個(gè)，詳見圖3。

2.2 ?參數(shù)選擇

建模時(shí)，地層采用實(shí)體單元，材料為摩爾庫倫本構(gòu)，地層參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告取值;管片采用板單元，材料為彈性本構(gòu);鐵軌采用梁單元，材料為彈性本構(gòu)。鋼軌及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表2。

2.3 ?施工階段模擬

為分析盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中既有高鐵軌道變形的影響規(guī)律，現(xiàn)模擬開挖過程中16個(gè)特征性工況，詳見表3。

3 ?計(jì)算結(jié)果分析

3.1 ?鐵軌豎向位移

在16個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)工況下，對(duì)地層加固與不加固兩種施工方案分別進(jìn)行模擬，分析合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線5條鐵路股道群的豎向位移及豎向位移速率的變化規(guī)律，如圖4、圖5所示。

由圖4可知：在工況1～工況8，即右線隧道開始掘進(jìn)至貫通，鐵軌沉降以較慢速率增長，有加固和未加固方案下鐵軌沉降量分別為0.76mm、0.93mm;在工況9～工況16，即左線隧道開始掘進(jìn)至貫通，鐵軌沉降以較快速率增長，有加固和未加固方案下鐵軌最終沉降量分別為3.35mm、6.03mm。

由圖5可知：在工況1～工況8，各線鐵軌沉降速率較小，均小于0.20mm/d;在工況9～工況16，各線鐵軌沉降速率明顯增大，有加固和未加固方案下最大沉降速率分別為0.41～0.68mm/d、0.83～1.34mm/d，且均出現(xiàn)在左線隧道掘進(jìn)至鐵軌正下方時(shí)。

3.2 ?鐵軌水平位移

在16個(gè)盾構(gòu)掘進(jìn)工況下，對(duì)地層加固與不加固兩種施工方案分別進(jìn)行模擬，分析合武上下行線、桃東上下行線、電廠專用線5條鐵路股道群的水平位移及水平位移速率的變化規(guī)律，如圖6、圖7所示。

由圖6可知：在工況1～工況8，鐵軌水平位移波動(dòng)幅度較小，有加固和未加固方案下鐵軌水平位移范圍相近，約為-0.04～0.22mm;在工況9～工況16，鐵軌水平位移波動(dòng)幅度較大，有加固和未加固方案下鐵軌水平位移范圍分別約為-0.18～0.70mm，-0.39～1.25mm。

由圖7可知：在工況1～工況8，各線鐵軌水平位移變化速率較小，均小于0.06mm/d;在工況9～工況16，各線鐵軌水平位移變化速率明顯增大，有加固和未加固方案下水平位移變化速率在-0.26～0.20mm/d、-0.39～0.35mm/d范圍波動(dòng)。

4結(jié)語

（1）在地層未加固方案下，右線隧道掘進(jìn)后鐵軌產(chǎn)生的沉降增量為0.93mm，水平位移增量為0.22mm，約占總量的15.4%、17.6%;左線隧道掘進(jìn)后鐵軌產(chǎn)生的沉降增量為5.10mm，水平位移增量為1.03mm，約占總量的84.6%、82.4%。

（2）在地層預(yù)加固方案下，右線隧道掘進(jìn)后鐵軌產(chǎn)生的沉降增量為0.76mm，水平位移增量為0.21mm，約占總量的22.7%、30.0%;左線隧道掘進(jìn)后產(chǎn)生的沉降增量為2.59mm，水平位移增量為0.49mm，約占總量的77.3%、70.0%。

（3）地層預(yù)加固可有效控制盾構(gòu)隧道穿越對(duì)鐵軌變形的影響。未加固方案下，鐵軌的最大沉降、最大水平位移約為6.03mm、1.25mm;加固方案下，鐵軌的最大沉降、最大水平位移約為3.35mm、0.70mm，分別減少44.4%、44.0%。

（4）本工程案例中，位于中風(fēng)化巖層的右線隧道掘進(jìn)對(duì)鐵軌變形影響較小，位于粉土、粉砂層的左線隧道掘進(jìn)對(duì)鐵軌變形影響較大;鐵軌沉降及水平位移的突變點(diǎn)基本都出現(xiàn)在隧道下穿該鐵軌正下方工況。

參考文獻(xiàn)

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