(湖南尚上建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 長沙 410016)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，基礎(chǔ)建設(shè)投資的速度也在不斷地加快。其中，地鐵建設(shè)作為基礎(chǔ)建設(shè)之一，也獲得了快速發(fā)展[1]。在城市地鐵的建設(shè)過程中，難免會遇到新建隧道與既有鐵路線路在空間上出現(xiàn)交叉的情況[2-4]。工程項目的開挖施工是通過土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行的，使用盾構(gòu)機(jī)施工會改變隧道周圍的土體應(yīng)力場，路基、地層、橋梁樁基會受到壓迫而變形。部分鐵路對于軌道平順性有著較高要求，為保障既有鐵路線路能夠安全運(yùn)營，必須要把由于盾構(gòu)隧道施工而產(chǎn)生的路基與底層變形控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。因此，本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有普鐵路基為研究對象。

1 工程概況

處于新構(gòu)建盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的右線隧道長度為2 457 m，并且在里程SDK45+250.146～SDK45+295.146這一范圍內(nèi)下穿既有鐵路路基。普鐵設(shè)有有砟軌道，運(yùn)行時速可以達(dá)到160 km/h，屬于國家一級電氣化鐵路，其中鐵路路基包括表層和底層，厚度分別為4 m和2 m。鐵路軌道面到區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的凈距離大概是26 m，比隧道直徑大了1倍。左右線隧道的埋深有22 m，兩者的中心線距離為28 m。進(jìn)行隧道施工時，優(yōu)先選擇左線隧道，待左線隧道施工完成并停機(jī)后，再進(jìn)行掘進(jìn)右線隧道。

2 有限元模型構(gòu)建

由于鐵路軌道、路基及橋梁的結(jié)構(gòu)會相互影響，從而產(chǎn)生變形，本文在構(gòu)建模型時會盡量實現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的簡潔性，并將側(cè)重點放在鐵路路基、樁基及橋墩上，不再對軌道與其附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。列車荷載根據(jù)《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》附錄A中軌道和列車荷載換算土樁高度和分布寬度表，可得等效荷載為60 kPa；而根據(jù)列車軸重(取80 kN)換算得到的等效荷載約為30 kPa。

2.1 模型基本假定

1)假定土體的材料是各向同性，并且是理想彈塑體。

2)不考慮巖土體的構(gòu)造應(yīng)力影響，令巖土體在自重條件下時的狀態(tài)是平衡的，對盾構(gòu)隧道進(jìn)行開挖施工模擬的前提是巖土體要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3)假定既有鐵路路基、軌道結(jié)構(gòu)、橋梁樁基是密不可分，變形一致。

4)假定不同地層材料之間不會出現(xiàn)相對滑移現(xiàn)象。

5)假定施工之前各土層和既有結(jié)構(gòu)物的工作狀態(tài)都較為良好。

6)假定樁基的彈性體呈現(xiàn)連續(xù)性，并且樁基的截面形狀不會變化。

7)路基整體沉降規(guī)范設(shè)定在10 mm之內(nèi)。

2.2 模型參數(shù)

模型參數(shù)如表1和表2所示。

表1 模型土層材料參數(shù)土層厚度/m彈性模量/MPa粘聚力C/kPa摩擦角?/(°)泊松比μ重度/(kN·m-3)土層厚度/m彈性模量/MPa粘聚力C/kPa摩擦角?/(°)泊松比μ重度/(kN·m-3)雜填土3.56.51280.4519卵石5.5500430.2322.5粘土11.91532120.3020.3砂土16.1280380.2820.1砂卵石13.7390400.2621.65礫巖14.6800500.2121.5

表2 模型結(jié)構(gòu)材料參數(shù)名稱重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比μ路基表層191200.28路基底層19.5 800.3盾殼76.92.06×1050.3注漿層221500.3

2.3 模型建立

本文采用底層-結(jié)構(gòu)-實體三維模型(圖1)，巖土體選用摩爾-庫倫本構(gòu)。由于路基結(jié)構(gòu)和隧道之間的位置關(guān)系是相對的，將模型(圖1)的尺寸設(shè)置為:x×y×z=100 m×100 m×65 m，x、y、z分別是平行盾構(gòu)掘進(jìn)方向、垂直盾構(gòu)掘進(jìn)方向、地層豎向。樁界面參數(shù)中，法向剛度模量、剪切剛度模量、最終剪力的取值分別是250 000 kN/m3、25 000 kN/m3、150 kN/m2。

左右隧道中心線之間相距28 m，隧道埋深22 m。優(yōu)先對左線隧道施工，施工完成停機(jī)后再對右線隧道進(jìn)行掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道的內(nèi)外徑分別是5.5、6.2 m，注漿層的厚度為0.33 m，利用二維板殼單元來對盾殼與管片進(jìn)行模擬。另外，盾構(gòu)管片每環(huán)是1.5 m，千斤頂力為100 kN/m2，掘進(jìn)壓力與注漿壓力分別是120、150 kN/m2。

圖1 數(shù)值計算整體模型圖

3 計算結(jié)果分析

利用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工時會給隧道周圍的土體應(yīng)力場造成影響，導(dǎo)致地層產(chǎn)生沉降變形。當(dāng)土層變形時，會通過土體傳遞到路基周圍，導(dǎo)致路基出現(xiàn)沉降變形現(xiàn)象[5]。然而路基產(chǎn)生沉降變形會影響到鐵路線路的安全運(yùn)行，列車甚至?xí)a(chǎn)生脫軌現(xiàn)象。因此，需要對盾構(gòu)隧道下穿施工所造成的路基沉降進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

3.1 施工過程路基整體沉降分析

表3為路基整體分別為左線隧道(施工1～5步)以及右線隧道(施工6～10步)在不同施工步下的最大沉降值。

表3 路基整體在不同施工步下的最大沉降值步驟最大沉降值/mm步驟最大沉降值/mm10.8266.2623.2376.9234.0487.4344.9499.0355.85109.79

根據(jù)表3可以看出，盾構(gòu)隧道的施工會給路基整體的沉降值造成影響，隨著施工的不斷進(jìn)行，沉降值逐漸增大。

左線隧道在開挖施工第1步到第5步的過程中，即從距離路基20 m到左線貫通這一過程中，沉降槽逐漸靠近路基右側(cè)，左線貫通時最大沉降槽的位置在左線隧道中心線正上方。

右線隧道在開挖的第6步到第10步過程中，路基整體沉降槽逐漸從左線隧道中心線位置向右方向靠攏，當(dāng)達(dá)到第10步，即右線隧道貫通時，沉降槽位置處于左右隧道中心線位置的正上方。路基整體沉降值在規(guī)定的10 mm之內(nèi)。

3.2 路基橫向變形分析

以實際施工步驟為基礎(chǔ)，模擬盾構(gòu)隧道下穿路基，對盾構(gòu)隧道下穿施工給路基造成影響所產(chǎn)生的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析，沉降結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 路基測線1沉降時程曲線圖

圖3 路基測線2沉降時程曲線圖

路基測線1和路基測線2處于各個施工步驟下的最大豎向沉降值分別如表4、表5所示。

根據(jù)圖2、圖3可知：

1) 盾構(gòu)隧道在施工過程中，由于施工步驟不同，給路基造成的沉降影響也會有所不同。隧道左右線從開挖施工到貫通這一過程中，路基測線1、2所表現(xiàn)出的沉降規(guī)律相似。盾構(gòu)隧道施工第2步時的路基沉降到達(dá)了路基測線1，第4步時的路基沉降達(dá)到了路基測線2，在這個過程中沉降大幅度增加，這是由于盾構(gòu)隧道開挖施工，導(dǎo)致盾殼脫離盾尾，并且隧道周圍地層損失，從而出現(xiàn)了較大的建筑空隙。

表4 路基測線1不同施工步驟下最大豎向沉降值步驟最大沉降值/mm步驟最大沉降值/mm10.3165.0621.7675.8832.7586.4744.3897.7854.87108.11

表5 路基測線2不同施工步下最大豎向沉降值步驟最大沉降值/mm步驟最大沉降值/mm10.2965.1621.6875.9532.6786.5344.4497.8354.97108.29

2) 左線隧道施工第1步至第5步過程中路基測線1與路基測線2累計最大沉降分別是4.87 mm和4.97 mm，這2條測線最大沉降槽的位置都處于左線隧道中心線正上方，大致呈對稱分布。在右線隧道施工的第6步至第10步這一過程中，測線1、2的沉降槽曲線都在向右側(cè)移動。路基測線1和路基測線2的最大豎向位移分別是8.11 mm和8.29 mm,最大沉降槽位置在兩左右隧道中心線的正上方，并且符合Peck曲線規(guī)律以對稱形式分布。2條測線在貫通時的最大沉降值都在路基10 mm的控制要求范圍內(nèi)，所以不需要對路基部分進(jìn)行加固。

3.3 路基縱向變形分析

根據(jù)以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，2條測線在貫通時的最大豎向沉降值之間相差0.18 mm，說明路基豎向位移受到盾構(gòu)隧道下穿施工影響所產(chǎn)生的差異沉降較小。為對路基差異沉降的規(guī)律與特點進(jìn)行分析，通過路基測線1、測線2與左線、右線隧道中心線及兩隧道中心線a、b、c、d、e、f等交點來對路基在不同開挖步下的差異沉降進(jìn)行分析。開挖左線及右線時a、b、c、d、e、f各點沿盾構(gòu)掘進(jìn)方向的沉降曲線如圖4、圖5所示。

圖4 路基測點a、c、e在依次開挖過程中的沉降曲線圖

圖5 路基測點b、d、f在依次開挖過程中的沉降曲線圖

1) 在左線隧道開挖過程中各交點的沉降都隨著開挖步驟的進(jìn)行而有所增加，開挖右線隧道時各交點的沉降規(guī)律和左線隧道的沉降規(guī)律相似。其原因是路基上的測點會受到盾構(gòu)隧道開挖掌子面位置與盾構(gòu)掘進(jìn)方向上豎向沉降值的影響，測點處沉降值會隨著盾構(gòu)隧道開挖掌子面離測點距離的增加而有所降低。相反，當(dāng)隧道開挖步驟不斷前進(jìn)時，掌子面離路基測點的距離會減少，路基測點的沉降值也會隨之增大。

2) 根據(jù)各交點的時程沉降曲線可知，雙線貫通后a點與b點的最大沉降值分別是7.70 mm和7.53 mm，兩點最大沉降值之間相差0.17 mm，位于左右線隧道中心線位置上的c點最大沉降值與d點的沉降值分別是8.29 mm和8.11 mm，兩點之間相差0.18 mm，e點和f點的最大沉降值分別是7.79 mm和7.62 mm，兩點之間相差0.17 mm。以上數(shù)據(jù)說明開挖隧道時路基產(chǎn)生的沉降值之間相差較小，并處在規(guī)定范圍內(nèi)。

3) 因為盾構(gòu)隧道施工時的持續(xù)性沉降是土體塑性變形所導(dǎo)致的，并且一般情況下發(fā)生在盾尾通過后的較長時間內(nèi)，所以開挖的沉降曲線一般情況下有著較為持久的沉降穩(wěn)定期。由于左線隧道開挖到貫通后又開始右線的開挖施工，模型的相對時間與距離都較短，圖4和圖5中各點的長期延續(xù)沉降階段延續(xù)曲線都相對較短。

4 結(jié)論

本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有普鐵路基的工程實際背景為基礎(chǔ)，為確保既有鐵路線路的正常使用與安全運(yùn)營，通過數(shù)值模擬分析來對盾構(gòu)隧道下穿施工引起的既有路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響進(jìn)行研究與仿真，為后續(xù)施工期間采取科學(xué)合理的安全措施提供指導(dǎo)。

1) 路基測線1與路基測線2的最大沉降值分布是8.11 mm和8.29 mm，沉降值均在規(guī)定的10mm控制要求范圍內(nèi)。

2) 路基沉降在第2步至第4步施工過程中的沉降有著顯著增大，原因是盾構(gòu)隧道開挖施工對隧道周圍底層造成影響，地層產(chǎn)生損失，并且盾殼脫離盾尾，出現(xiàn)有較大的建筑空隙。