雙線盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道群影響分析

杜棣賓

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010）

0 引言

近年來，我國(guó)城市地鐵工程建設(shè)迅猛發(fā)展，同時(shí)也存在著大量區(qū)間隧道穿越鐵路線路的現(xiàn)象。地鐵區(qū)間隧道施工引起地層的變形及應(yīng)力釋放，會(huì)造成地表沉降以及對(duì)鐵路路基的擾動(dòng)。該文結(jié)合工程案例，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

該工程地鐵盾構(gòu)隧道穿越鐵路股道群路基段、碎石道床、鋼筋混凝土軌枕，鐵路列車運(yùn)行速度45~110 km/h。地鐵盾構(gòu)隧道外徑6 m，管片采用通用環(huán)，管片環(huán)寬1.5 m。

地鐵與鐵路線路平面交角最小約67°，地鐵隧頂距鐵路股道群豎向距離約14 m。二者平、剖面相對(duì)位置關(guān)系如圖1~2 所示。

圖1 地鐵隧道與鐵路平面相對(duì)位置關(guān)系

圖2 地鐵隧道與鐵路剖面相對(duì)位置關(guān)系

該工程所處地層主要為黏土層，隧底以下為泥質(zhì)砂巖（全風(fēng)化）。地層力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 地層參數(shù)表

該工程地下水類型為上層滯水和基巖裂隙水。地層的透水性、富水性較弱，水量微弱。

2 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地面沉降機(jī)理

大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降經(jīng)歷先行沉降、開挖面隆沉、盾構(gòu)通過時(shí)沉降、盾尾沉降、后期沉降等五個(gè)階段[1-2]。各階段產(chǎn)生變形的主要原因如表2 所示。

表2 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地表沉降階段及主要原因

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》，并結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃乒こ探?jīng)驗(yàn)，鐵路股道群路基隆沉按照≤10 mm 控制。

3 盾構(gòu)隧道下穿股道群安全性分析

3.1 基于Peck 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

Peck 基于大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，提出預(yù)測(cè)地層損失及地表沉降的估算方法。隧道施工造成的地面沉降槽體積應(yīng)和地層損失體積保持一致，隧道施工造成的橫向地面沉降分布數(shù)據(jù)，可近似擬合為正態(tài)分布曲線[4]。

式中，Sx——地表沉降值（橫向）；Vl——每延米地層損失值；x——隧道中心線與地表點(diǎn)水平距離；Smax——隧道中心線位置地表最大沉降值；i——沉降槽寬度系數(shù)（隧道中心線與沉降反彎點(diǎn)距離）；φ——地層內(nèi)摩擦角；Z——隧道中心線位置的隧道埋深[5]。

針對(duì)不同的地層損失率，分別計(jì)算兩條地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道群后地表沉降曲線，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 地面沉降曲線（Peck 經(jīng)驗(yàn)公式估算）

計(jì)算結(jié)果顯示，不同地層損失率下，雙線盾構(gòu)隧道分別穿越鐵路股道群路基后，地面最大沉降值如表3所示。由此可見，地層損失率控制在0.7%以內(nèi)，地面沉降滿足10 mm 的變形控制要求。

表3 不同地層損失率下隧道穿越后地表最大沉降值

結(jié)合當(dāng)?shù)氐貙拥亩軜?gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，地層損失率控制在0.5%以內(nèi)，可滿足鐵路股道群路基的變形控制要求。

3.2 有限元模擬計(jì)算

根據(jù)工程實(shí)際情況，建立有限元模型，對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿股道群進(jìn)行模擬，在地層損失率為0.5%的前提下進(jìn)行有限元分析，模型如圖4 所示。

圖4 盾構(gòu)隧道穿越鐵路股道群有限元模型

分析計(jì)算結(jié)果如圖5 所示，第一條地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起鐵路路基最大沉降值為3.4 mm，最大沉降位于第一條盾構(gòu)隧道中心線處上方。第二條地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)完成時(shí)，鐵路路基最大沉降位于第一條盾構(gòu)隧道與第二條盾構(gòu)隧道中間，鐵路路基最大沉降值為4.6 mm。

圖5 有限元分析鐵路股道群路基沉降云圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)Peck 經(jīng)驗(yàn)公式、有限元模擬計(jì)算結(jié)果，鐵路股道群路基沉降計(jì)算值如表4 所示，均可滿足鐵路路基變形控制指標(biāo)的要求。

表4 鐵路股道群路基沉降計(jì)算值 /mm

4 盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道群施工控制措施

（1）加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制，包括：土倉(cāng)壓力控制、掘進(jìn)速度控制、出土量控制、糾偏控制、管片拼裝質(zhì)量控制、壁后注漿環(huán)箍注漿控制、地層損失量控制[6]、加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、信息化施工等。

（2）穿越前100 m 設(shè)置試驗(yàn)段[7]，根據(jù)試驗(yàn)段參數(shù)指導(dǎo)后續(xù)施工。

（3）下穿段采用配筋加強(qiáng)型、增設(shè)注漿孔管片[8]。

（4）行車限速，充分了解鐵路行車計(jì)劃，并利用好鐵路列車行車間隔，做好施工組織方案。

（5）盾構(gòu)機(jī)通過后，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果排查軌道狀態(tài)，必要時(shí)采取起道調(diào)砟的方式確保軌道平順，滿足鐵路安全運(yùn)營(yíng)的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

目前該地鐵盾構(gòu)隧道已掘進(jìn)完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所反饋的數(shù)據(jù)，單條地鐵盾構(gòu)隧道掘進(jìn)完成后路基最大沉降值3.1 mm，雙條地鐵盾構(gòu)隧道施工完成后路基最大沉降值4.5 mm，與計(jì)算分析結(jié)果基本一致，滿足變形控制指標(biāo)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

該文依托工程案例，對(duì)雙線盾構(gòu)隧道穿越鐵路股道群路基情況進(jìn)行研究分析，提出相應(yīng)的施工控制措施，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證計(jì)算分析的合理性。

（1）基于Peck 經(jīng)驗(yàn)公式，分別對(duì)雙線盾構(gòu)隧道穿越引起的鐵路路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，基于0.5%的地層損失率，單條地鐵隧道下穿引起地面沉降約4.1 mm，雙條地鐵隧道下穿引起地面沉降約5.6 mm。

（2）建立有限元模型，對(duì)雙線盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道群進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單條地鐵隧道下穿引起地面沉降約3.4 mm，雙條地鐵隧道下穿引起地面沉降約4.6 mm。與Peck 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。

（3）提出針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的針對(duì)性措施。

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果揭示，單條盾構(gòu)隧道掘進(jìn)完成后路基最大沉降值3.1 mm，雙條盾構(gòu)隧道掘進(jìn)完成后路基最大沉降值4.5 mm，滿足變形控制要求。