盾構(gòu)隧道工作井施工對(duì)既有鐵路影響分析

于旭東，呂媛媛，羅士瑾

（1.舟山市新城公路與運(yùn)輸管理中心，浙江 舟山 316021；2.杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310024；3.舟山市鐵路建設(shè)中心，浙江 舟山 316021）

伴隨我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，城市地下工程建設(shè)規(guī)模越來越大，工程地質(zhì)條件與周邊環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，在城市軌道交通建設(shè)過程中必然會(huì)遇到工作井基坑開挖引起周邊既有鐵路沉降的問題，對(duì)于工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)[1-6]。

目前，已有大量國(guó)內(nèi)外專家已深入研究工作井基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響。馮國(guó)輝等[7]通過有限元模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合，驗(yàn)證了Kerr 地基模型的優(yōu)越性并獲得隧道縱向變形的解析解。韋宗科等[8]基于小應(yīng)變硬化模型，針對(duì)基坑寬度、隧道拱頂埋深等因素分析隧道隨基坑開挖的變形規(guī)律。唐汐[9]提出了一種預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)下臥隧道豎向變形的簡(jiǎn)化算法，通過與Winkler、Vlasov 地基模型比較驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。陳仁朋等[10]針對(duì)基坑開挖旁側(cè)隧道結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力，提出一種考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向受力理論計(jì)算方法，并通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其理論的可靠性。

由于兩湖隧道斷面加寬難度大，三環(huán)線工作井的平面位置難以遠(yuǎn)離鐵路向南繼續(xù)移動(dòng)，實(shí)際工程中將工作井北端墻內(nèi)壁設(shè)置于兩湖隧道銜接三環(huán)線地下互通匝道漸變加寬的起點(diǎn)處，為工程設(shè)計(jì)帶來一定的難度。故本文基于MIDAS 有限元軟件，建立三維精細(xì)化工作井－既有鐵路隧道－土體模型，針對(duì)基坑開挖引起的土體卸載對(duì)鄰近鐵軌的影響開展工作井施工過程數(shù)值分析。

1 工程概況

兩湖隧道涉鐵工程由盾構(gòu)段和明挖段組成，下穿武黃、南環(huán)和大花嶺疏解線等鐵路段為盾構(gòu)法隧道。三環(huán)線工作井位于武黃鐵路南側(cè)，作為盾構(gòu)的始發(fā)井，起止里程為K14+885～K14+930，基坑長(zhǎng)×寬×高分別為45m×29.2m×37.5m。鐵路限界寬約47m，本路線與鐵路交角約61°，工作井靠近鐵軌側(cè)的土層依次為黏土夾碎土層、碎塊石夾土層和泥巖層。工作井開挖深度37.5m，與既有軌道距離最近約37m。工作井與既有鐵路平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 工作井與鐵路平面圖

工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m 厚地連墻，底部落入基巖不小于1m，最深處地連墻長(zhǎng)70m。由于地連墻落入基巖，施工期采用坑內(nèi)疏干降水?；臃?0 層開挖，共9 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。

2 工作井有限元計(jì)算

2.1 模型建立

三環(huán)線工作井基坑設(shè)計(jì)深度37.5m，選用《國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算斷面為近鐵軌側(cè)最長(zhǎng)斜撐斷面。

土體采用3D 單元模擬，本構(gòu)模型采用修正摩爾－庫(kù)倫模型。圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻采用SHELL 單元模擬，截面厚度為1.2m；冠梁、內(nèi)支撐等采用BEAM 單元模擬，采用1m×1m 矩形截面。工作井各構(gòu)件均為采用C40 混凝土，本構(gòu)模型為線彈性本構(gòu)。模型網(wǎng)格劃分及基坑支撐體系如圖2 所示。模型邊界的約束為：對(duì)模型四周加法向位移約束，底部水平邊界施加無轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

圖2 有限元模型

2.2 材料參數(shù)

根據(jù) LH4X-ZK135 號(hào)與LH4X-ZK148 號(hào)鉆孔可得場(chǎng)地各地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，土層分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1 所示。

表1 工作井與巖土力學(xué)參數(shù)建議值

2.3 工作井施工過程模擬

由于MIDAS 軟件內(nèi)置的“激活”與“鈍化”及“改變屬性”等特殊功能，本文通過設(shè)置分步驟激活單元、鈍化單元及改變同一單元在不同分析步下材料屬性來模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工以及基坑開挖的過程。數(shù)值模擬分析中的施工過程嚴(yán)格遵照實(shí)際工程的開挖施工步驟進(jìn)行，具體施工步驟如下：①施作地連墻，激活地連墻板單元；②鈍化上層土體至內(nèi)支撐標(biāo)高以下0.5 米，施作冠梁及第一道混凝土支撐；③分步鈍化下層土體、激活對(duì)應(yīng)的圍檁及砼支撐，隨挖隨撐；④開挖至基坑底部，為最不利工況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 既有路基整體位移分析

路基整體沉降云圖如圖3 所示，從圖中可以看出，工作井開挖到底后，路基整體變形最大出現(xiàn)在距離工作井最近處，豎向最大沉降為1.37mm，水平位移沉降為0.85mm，路基變形呈現(xiàn) “U”型分布。

圖3 既有軌道路基位移

3.2 工作井地連墻位移分析

提取工作井開挖至底部時(shí)地連墻位移云圖，觀察圖4 可知，當(dāng)工作井開挖至坑底后，地連墻最大水平位移為16.7mm，方向?yàn)樨?fù)，指向坑內(nèi)；與明挖基坑相連側(cè)最大位移62.7mm，方向?yàn)檎赶蚩觾?nèi)。最大水平位移均發(fā)生在地連墻接近地表處，在實(shí)際施工中需要對(duì)該位置著重加固。

圖4 地連墻Y 向水平位移

3.3 既有軌道位移分析

提取工作井開挖至底部時(shí)，既有軌道位移云圖如圖5 所示。觀察上圖可以發(fā)現(xiàn)，由于受三環(huán)線工作井基坑開挖卸載影響，當(dāng)工作井開挖到底后，距離基坑最近的牽出線軌道發(fā)生了最大位移，其中最大豎向位移為0.85mm，道岔處最大沉降0.15mm。既有軌道牽出線最大水平位移為0.53mm，道岔處最大水平位移為0.13mm。既有軌道變形規(guī)律呈從工作井最近處往兩側(cè)位移不斷減小的“U”型分布。

圖5 既有軌道位移

3.4 接觸網(wǎng)柱位移分析

提取工作井開挖至底部時(shí)接觸網(wǎng)柱位移云圖如圖6所示，受三環(huán)線工作井基坑開挖卸載影響，工作井開挖到底后，距離基坑最近的72#接觸網(wǎng)柱位移值最大，最大豎向位移為0.57mm，Y 向最大水平位移為0.39mm，沿線路方向最大水平位移為0.07mm。接觸網(wǎng)柱整體向工作井側(cè)發(fā)生傾斜。

圖6 接觸網(wǎng)柱位移

4 結(jié)論

根據(jù)上述有限元計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）既有鐵路軌面沉降值最大值為0.852mm，道岔處最大沉降值為0.15mm，小于控制值5mm；

（2）工作井施工完成后，軌道的前后+高低差最大為0.752 mm，小于5mm 控制標(biāo)準(zhǔn)；接觸網(wǎng)立柱兩相鄰懸掛點(diǎn)等高相對(duì)差最大值0.39mm，小于控制值10mm；

（3）工作井開挖至坑底后，地連墻最大位移為16.7mm，滿足一級(jí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移30mm 的限值要求。