天津盾構(gòu)隧道下穿鐵路對股道沉降的影響及控制技術(shù)

高 鵬

（中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855）

1 引言

隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，地鐵下穿既有火車股道工程日益增多。盾構(gòu)下穿施工不僅會影響到既有火車周邊附屬建筑物安全，還會引起既有城際鐵路股道的差異沉降；當(dāng)下穿股道的不均勻沉降或左右軌差異沉降過大時，將對列車行車及乘客生命安全造成嚴重威脅?，F(xiàn)有盾構(gòu)下穿既有城際鐵路股道的研究大多基于現(xiàn)場監(jiān)測資料實時分析股道變形規(guī)律，在不超過預(yù)警值的前提下，制定對盾構(gòu)下穿工程的相應(yīng)控制措施[1-2]。研究方法一般可分為理論公式和模型試驗法，理論公式法對現(xiàn)場情況進行較大程度的簡化，往往與實際復(fù)雜工況出入較大，尚存局限性；模型試驗法由于其尺寸效應(yīng)的存在及相關(guān)消耗巨大，應(yīng)用研究較少。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，反觀有限元數(shù)值模擬不僅能夠考慮實際各類地層性質(zhì)的影響，且可對盾構(gòu)掘進過程進行精細化模擬，較為全面地反映地層變形特征與沉降規(guī)律；基于此，已有學(xué)者得到很多有價值的研究成果[3-4]。馬相峰等[4]基于FLAC3D（美國ITASCA公司開發(fā)的仿真計算軟件）分析砂卵石地層注漿加固對雙線盾構(gòu)下穿鐵路沉降控制的有效性，齊勇等[6]等通過SAP2000研究便梁與注漿加固方案對地鐵盾構(gòu)機下穿既有城際鐵路的沉降控制效果。

現(xiàn)在，有關(guān)地鐵盾構(gòu)機穿越既有城際鐵路股道的精細化數(shù)值模擬仍較少，且往往采用摩爾庫倫本構(gòu)。本研究以天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間在某既有城際鐵路股道下部穿越作為研究背景，通過Plaxis3D有限元分析軟件精細化建模，采用反映土體掘進卸荷作用的HSS本構(gòu)模型，研究盾構(gòu)隧道下穿施工對火車股道的影響，并針對采取樁筏和非樁筏的不同加固舉措對盾構(gòu)隧道下穿既有城際鐵路股道的不同作用，為類似地鐵下穿既有城際鐵路項目施工提供經(jīng)驗借鑒。

2 工程概況

天津地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道呈東西走向，區(qū)間隧道呈長條形，沿線不僅具有很多年代久遠的建筑物，而且地下電纜、燃氣等各種管線十分龐雜。盾構(gòu)區(qū)間底板設(shè)計標(biāo)高范圍在3.9～6.4 m之間。區(qū)間隧道施工擬選用土壓式平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)管片材質(zhì)為鋼筋混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)；管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，厚度0.3 m。盾構(gòu)隧道區(qū)間最大埋深10.1 m，所處地層為圓礫層。地鐵區(qū)間隧道和城際鐵路股道示意圖如圖 1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿既有城際鐵路股道平面示意圖

3 數(shù)值分析模型的參數(shù)設(shè)置

3.1 土層分布及材料參數(shù)

借助Plaxis 3D對地鐵盾構(gòu)機從既有城際鐵路鐵軌股道下方穿越情況展開數(shù)值模擬分析，通過構(gòu)建三維有限元數(shù)值計算模型，對比分析有無樁筏加固措施對盾構(gòu)隧道下穿火車股道的影響，在計算時考慮的主要因素如下。

對隧道區(qū)間周圍土體構(gòu)建的三維有限元數(shù)值計算模型為硬化本構(gòu)模型（HSS），具有小應(yīng)變特性[7]。借助HSS模型能夠比較精準地對盾構(gòu)隧道下穿引起的沉降進行有效預(yù)測，從而對盾構(gòu)掘進引起的火車股道沉降進行精細化分析。因此，該研究借助HSS模型，利用初始小應(yīng)變剪切模量G0ref和閾值剪應(yīng)變γ0.7等關(guān)鍵參數(shù)，較為具體地反映土體小應(yīng)變特性[8-10]。土體物理力學(xué)參數(shù)、小應(yīng)變參數(shù)取值如表 1所示，其他材料參數(shù)如表 2所示（注：Embedded Beam為減去土體后有效重度，盾體重度為結(jié)構(gòu)設(shè)備等效重度）。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 材料參數(shù)

本文地下水埋深設(shè)置為-5 m，模型土層共計6層，土層序號由上到下①～⑥分別是素填土、粉質(zhì)黏土、沙土、圓礫等，土層分布及模型縱截面如圖 2所示。為便于分析，3條股道的編號從左至右依次記為1號、2號、3號股道。

圖2 土層分布及模型橫截面示意圖

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

圖 3為三維有限元分析模型。模型按照四面體網(wǎng)格形式展開劃分，網(wǎng)格總計約為9萬個單元，初始應(yīng)力場為重力場。在管片與土體、盾體和土體間對界面單元進行設(shè)置，模擬土體與管片盾體之間產(chǎn)生的相互影響。由于盾構(gòu)掘進為軸對稱模型，為減少計算時間，取半邊對稱模型進行分析。盾構(gòu)掘進直徑為6 m，因為地鐵盾構(gòu)掘進時，通常影響范圍為6～10倍盾構(gòu)掘進半徑。另外，為全面考慮地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有城際鐵路股道全過程沉降變化并降低邊界條件的不良影響，三維有限元分析模型尺寸為23 000 mmh 85 000 mmh 35 000 mm（高h長h寬），模型上表面設(shè)置成位移自由形式，側(cè)面采取法向位移約束形式，底部對x，y，z三個不同方位的位移同時進行約束。

圖3 三維有限元分析模型

襯砌及盾構(gòu)機采用板單元模擬，在分析樁筏基礎(chǔ)對盾構(gòu)掘進引起火車股道沉降的影響時，在實際工況中，樁筏基礎(chǔ)在地面以下建立，筏板借助實體單元形式，x方向長48 m，y方向?qū)?5 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；樁基采用Embedded Beam梁單元，樁長18 m，超隧道拱底6 m，共設(shè)置4排樁，每排樁數(shù)為6根，樁數(shù)共計24根；共取3條股道進行分析，間距為1.5 m。

城際鐵路動車的設(shè)計活載借助中國客車標(biāo)準活載（ZK活載），添加ZK城際鐵路動車的豎向靜力活載。展開模型分析時，對ZK特種活載在路基上方均勻分布的情況進行全面分析，城際鐵路軌道荷載P= 45 kN/m，活載Q= 250/1.6= 156.25 kN/m，另外分布寬度d= 3.2 m；由此計算得到地面承壓大小為q= （P+Q）/d= 62.89 kPa，出于確保安全的考慮，地面施加荷載采取65 kPa的面壓力。

為預(yù)測盾構(gòu)掘進分步施工帶來的股道沉降，對盾體設(shè)置面收縮以模擬實際盾體在縱向上的直徑變化，對隧道分步掘進進行模擬分析，每一步施工步距為2.4 m，共計22個掘進步，掘進長度為59 m。隧道掘進先后次序與實際工程次序完全一樣，掘進在時間上不能出現(xiàn)重疊，一直到完工為止。

4 結(jié)果與分析

4.1 無樁筏加固股道沉降分析

為消除邊界條件影響，左線盾構(gòu)一次性掘進7環(huán)至始發(fā)點x，坐標(biāo)為-1.25 m，再次掘進5環(huán)后位于1號股道正下方，掘進7環(huán)后位于2號股道正下方，掘進9環(huán)后位于3號股道正下方，終點坐標(biāo)為34.75 m。為驗證模型，選取左側(cè)股道對應(yīng)監(jiān)測點位置的左右軌道沉降值，與實際監(jiān)測值作對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同掘進面距離下1號股道沉降模擬值與監(jiān)測值對比

由圖 4可知，股道最大沉降預(yù)警值為6 mm，模擬與監(jiān)測值均未超過該值，且沿左右股道長度方向沉降值曲線走勢與監(jiān)測值吻合較好；隨著盾構(gòu)的掘進，模擬值與監(jiān)測值吻合程度升高。因此，認為所建模型有效。1號股道沉降值隨著盾構(gòu)推進逐漸增大，最大沉降約4.6 mm，左右軌沉降差最大為0.33 mm，均小于紅色預(yù)警值。

不同掘進面距離下2號股道左右軌沉降模擬值如圖 5所示，橫坐標(biāo)為股道中心線距盾構(gòu)掘進面距離，縱坐標(biāo)為股道沉降值，灰色區(qū)域表示掘進面未到達股道，因此距離為負，2號股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進逐漸增大，最終穩(wěn)定在4.8 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.35 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。

圖5 不同掘進面距離下2號股道左右軌沉降模擬值

不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值如圖 6所示，3號股道沉降值隨著盾構(gòu)的推進逐漸增大，最終穩(wěn)定在5.2 mm左右，左右軌沉降差值最大僅0.41 mm，兩者均小于6 mm的紅色預(yù)警值。最大沉降隨著股道離盾構(gòu)掘進面距離的增大而增大，排列順序為3號＞2號＞1號，沉降出現(xiàn)累積增大趨勢。因此，離初始挖開面距離越遠的股道，越需要對其進行可靠的安全性評估，防范工程事故的發(fā)生。

圖6 不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值

綜上分析可知，3號股道沉降值最大?；诖?，探討最危險的3號股道在不同掘進面距離下的左右股道長度方向沉降值。其對比曲線如圖 7所示，橫坐標(biāo)為股道長度方向坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為股道沉降值。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤正上方即對應(yīng)股道長度方向x=0m處，約5.3mm。最大差異沉降隨著掘進面的推進先增大后減小，最大值出現(xiàn)在距掘進面0 m左右位置，為0.46 mm，距掘進面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定；出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是盾構(gòu)刀盤正上方對應(yīng)土體擾動最大。當(dāng)盾構(gòu)越過股道后，由于襯砌鋪裝及同步注漿，土體沉降開始減弱，直至趨于穩(wěn)定。

圖7 不同掘進面距離下沿3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

4.2 有樁筏加固股道沉降分析

為對比盾構(gòu)隧道下穿火車股道情況下樁伐基礎(chǔ)對股道的保護作用，本節(jié)分析在樁筏基礎(chǔ)加固的情況下，沉降最大的3號股道在距掘進面不同距離時的沉降分布規(guī)律及差異沉降曲線。除增加樁筏基礎(chǔ)保護外，其他條件均與無樁筏基礎(chǔ)工況一致。

圖 8為3號股道不同掘進面距離下監(jiān)測點沉降分布，橫坐標(biāo)為股道距掘進面距離，縱坐標(biāo)為股道沉降值。左右軌沉降值均隨盾構(gòu)掘進面的推進先增大后減小，最大沉降值不超過1.4 mm，左右軌最大沉降差為0.081 mm，出現(xiàn)在距掘進面約4.8 m處，該值遠小于未加樁筏基礎(chǔ)情況下的股道沉降值，最大沉降值約為未進行地基加固工況下的1/4左右。

圖8 不同掘進面距離下3號股道左右軌沉降模擬值

圖 9為3號股道在不同掘進面距離下左右股道長度方向的沉降值對比曲線；橫坐標(biāo)為股道長度方向坐標(biāo)值，縱坐標(biāo)為股道沉降值。由圖可知，無論是左股道或右股道，沉降最大值均出現(xiàn)在盾構(gòu)刀盤正上方即對應(yīng)股道長度方向x=0 m處，約1.1 mm，且左右軌最大沉降差值也出現(xiàn)在此處，約為0.085 mm，遠遠小于未加固方案。沉降值隨著掘進面的推進逐漸增大，沉降差隨著掘進面的推進先增大后減小，距掘進面12 m后沉降差趨于穩(wěn)定。

圖9 不同掘進面距離下沿3號股道左右軌長度方向沉降模擬值

5 結(jié)論

根據(jù)天津地鐵某區(qū)間下穿既有城際鐵路地質(zhì)資料，選取區(qū)間隧道斷面，通過Plaxis 3D建立動態(tài)掘進模型，研究盾構(gòu)隧道下穿既有城際鐵路股道掘進對火車股道的影響，同時分析不同掘進面處、有無樁筏基礎(chǔ)、股道與掘進面不同初始距離影響下股道及左右軌沉降規(guī)律，主要結(jié)論如下。

（1）股道沉降值隨著盾構(gòu)掘進面的臨近逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，同一股道左右軌沉降差值呈先增大后減小的趨勢；無樁筏基礎(chǔ)下最大沉降均值約5.2 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后減小為1.4 mm，無樁筏基礎(chǔ)下最大沉降差均值約0.46 mm，采用樁筏基礎(chǔ)后縮小至0.085 mm；

（2）無樁筏基礎(chǔ)時，股道最大沉降隨股道離掘進面初始距離的增大而增大，呈現(xiàn)累積效應(yīng)；采用樁筏基礎(chǔ)加固后，該值變化微小。由于股道最大沉降出現(xiàn)在隧道掘進面正上方，實際施工時應(yīng)注意下穿隧道掘進面正上方對應(yīng)區(qū)域股道沉降變化情況，做好相應(yīng)監(jiān)測工作。

（3）采用樁筏基礎(chǔ)對火車股道下方土體進行加固可有效減小下穿隧道掘進引起的股道沉降，最大沉降點沉降值可減小約73%，差異沉降可減小約82%。因此，對于土質(zhì)較差或周邊環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，為保證沉降在合理可控范圍內(nèi)，確保對周邊環(huán)境影響最小，可考慮采用樁筏基礎(chǔ)對地基進行加固，從而實現(xiàn)下穿隧道的順利施工及上部股道的安全運營。