盾构下穿道路和铁路的数值模拟对比分析

王国栋

0 引言

随着盾构隧道施工技术的不断完善，盾构法施工得到了越来越广泛的应用。但是，由于开挖面支护压力、注浆压力、注浆量、建筑空隙等施工参数和地质条件的限制，盾构掘进不可避免的会对周围体层产生扰动，产生地面沉降［1-4］。数值计算是分析和处理岩土工程问题的一种重要方法，目前常用的计算软件有ABAQUS，ANSYS，FLAC，COMSOL等等，其中，ABAQUS以其强大的非线性处理能力和自动调节收敛限度的功能，在基坑开挖、隧道施工等问题的模拟中得到广泛应用［5，6］，但是用数值模拟的方法对盾构下穿铁路时造成的铁路地基沉降规律研究还不是很多，也鲜有文章对盾构穿越不同环境进行数值模拟的详细分析对比［7］，因此有必要对此领域开展研究，以探求盾构在穿越道路以及铁路的地表变形规律和差异。

1 工程概况

天津市津滨轻轨西段地下线工程，西起天津站，东接已建成并投入运营的河东区中山门站。天津站～七经路站盾构施工区间段，从天津站开始，至七经路站结束。工程采用土压平衡式盾构机掘进，管片外径6200mm，内径5500mm，厚350mm，长1200mm，每环由6块组成，错缝拼装。主要土层自上而下依次为①填土、③3黄色粉质粘土、④5黄灰色粉土、⑤1灰色粉质粘土、⑦5黄色粉砂、⑧2灰褐色粉质粘土、⑩粘土。该区间段沿线两侧建筑物较多，地下管线复杂，地面交通比较繁忙，盾构掘进施工中须穿越天津站全部23条铁路股道，是西段工程五个区间段中最困难的施工段之一。

2 数值模拟

2.1 建模及参数

如图1所示，模型宽100 m、高50 m，道路段隧道中心埋深14 m、铁路段隧道中心埋深22 m，两盾构中心水平间距13 m。

图1 计算模型

土体本构采用DP模型，道砟层、管片、注浆材料采用线弹性材料。隧道开挖的应力释放率取为80%［9］。采用齐次边界条件，约束底部竖向位移和左右两侧边界的水平位移。铁路荷载转换为静荷载计算［8］，考虑到铁路股道间距，转化为二维问题为100 kN/m。推进参数按实际工况取值。各材料参数取值如表1所示。

表1 材料物理力学参数

2.2 模拟结果

1)盾构穿越道路结果。

图2为不同施工步骤下的地表沉降，STEP1平衡地应力;STEP2右线应力释放;STEP3右线开挖、拼装管片、注浆;STEP4左线应力释放;STEP5左线开挖、拼装管片、注浆。从沉降数据可以看出，总沉降量为31.3mm，由于先施工的右线隧道注浆压力和注浆量与后施工的左线不同，造成了沉降槽最低点向右偏移(5.2 m处)。从STEP2与STEP3的对比可以看出，地表沉降主要由应力释放引起，而开挖、拼装管片、注浆步骤引起的沉降所占比例很小。右线施工对总沉降的贡献率较大，占总沉降的88.5%，这一方面与盾构施工参数有关，因为右线施工在前，施工参数的调整尚处于摸索阶段，导致了较大的地表沉降;另一方面，左线盾构施工时，同一断面处的右线盾构隧道开挖、注浆等步骤已经完成，右线隧道周围土体得到一定程度的加固，所以左线隧道开挖导致的沉降较小。

图2 不同施工步骤下地表沉降（一）

2)盾构穿越铁路结果。

图3为不同施工步骤下的地表沉降，各步骤含义与图2相同，不再赘述。从沉降数据可以看出，总沉降量为19.7mm，曲线变化规律也与图2相似，但最大沉降点的偏心量(3.1 m)没有图2明显。从STEP2与STEP3的对比也可以看出，地表沉降主要由应力释放引起，而开挖、拼装管片、注浆步骤引起的沉降所占比例很小。右线施工对总沉降的贡献率较大，占总沉降的76.1%，但是其贡献率要小于盾构在道路下施工的情况。

图3 不同施工步骤下地表沉降（二）

3 与监测结果的对比

为配合盾构在建(构)筑物下推进施工，掌握盾构在关键施工部位对土体及周围环境影响，以便迅速调整，优化施工方法，对整个区间段实施了地表沉降全程监测。选取有代表性的监测断面与数值分析的结果进行比较。

1)盾构穿越道路结果。

图4是右线盾构通过道路时地表沉降数值计算与监测值的对比，由图4可以看出，数值解与监测结果比较吻合。但是在与盾构中心水平距离较远处，数值解的沉降量小于实测值。这与地表堆载，建筑物的影响有关。左线盾构在通过道路时地表监测点与右线的地表监测点不同，故没有考虑左右线的叠加效应(即总沉降)。

图4 右线施工引起的地表沉降与监测对比

图5 两线盾构施工引起的地表总沉降与监测对比

2)盾构穿越铁路结果。

图5是左右线盾构都通过铁路时地表沉降数值计算与监测值的对比，由图5可以看出，数值解与监测结果基本吻合，但是监测数据在最大沉降点的偏心方面规律性不明显;距离盾构中心较远处的数值解与监测值有一定的差异。

4 结语

1)数值模拟结果表明，盾构在道路和铁路下方推进时引起的沉降分别在30mm和20mm左右，与监测值较为吻合。沉降量的差异与盾构埋深、施工参数、土体参数及地表荷载等有关。沉降量过大对车辆尤其是列车的安全运营不利，可以采取土体加固、增加注浆量和及时补浆等措施加以改进。

2)右线隧道施工对地表沉降的影响远大于左线，在盾构过道路段，右线盾构对地表沉降的贡献达88.5%;在盾构过铁路段，右线盾构对地表沉降的贡献为76.1%，说明右线盾构先期施工时对周围土体注浆产生的加固作用显著，另外右线盾构施工对道路和铁路沉降的贡献率不同反映了盾构推进参数及列车荷载等周围环境的差异。

3)盾构过道路段，地表最大沉降点偏心量为5.2 m，与监测值较为符合;盾构过铁路路段，地表最大沉降点偏心量为3.1 m，与监测值相比有一定差异，与实际推进过程中参数的不断调整变化有关。

4)二维模拟也存在一定的局限性，对于盾构推进的土舱压力等参数及两盾构开挖面之间的纵向间距不能进行很好的模拟，因此，有必要建立三维的计算模型，对该类工程进行更加深入的分析和研究。

［1］ 孙玉永，周顺华，宫全美.软土地区盾构掘进引起的深层位移场分布规律［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(3):500-506.

［2］ 曹剑锋，韦 凯.软土地区盾构下穿铁路地表变形规律研究［J］.甘肃科技，2008，24(4):111-113.

［3］ 璩继立，葛修润.软土地区盾构隧道施工沉降槽的特征分析［J］.工业建筑，2005，35(1):42-46.

［4］ 杨天亮，李 新，董金奎，等.地铁盾构铁路下推进引起的地面沉降分析［J］.矿山测量，2009(1):12-14.

［5］ 陈卫忠，伍国军，贾善坡.ABAQUS在隧道及地下工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［6］ 费 康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［7］ 龚 伦，郑余朝，仇文革.列车动载引起下穿隧道振动三维数值分析［J］.现代隧道技术，2008，45(4):23-28.

［8］ TB 10001-2005，铁路路基设计规范［S］.

［9］ 范新健.天津地铁盾构隧道施工引起土体变形及环境保护措施研究［D］.上海:同济大学，2009.