盾构隧道施工对既有铁路轨道与排洪涵管影响的数值分析

黄生文，施成华，彭立敏，丁祖德，谢顺意

(中南大学，长沙 410075)

0 引言

随着城市的发展，地铁网络逐步形成，地下铁道几乎覆盖了大城市的大部分主干道及繁华地段。其他地下市政工程与地铁相遇、相邻、相交的概率大大增加，带来了大量相互影响问题。特别是盾构隧道的施工，情况越来越复杂，致使施工的相互影响问题日益突出。因此，开展盾构隧道施工变形特征及对影响因素研究，以确保类似隧道施工安全意义重大。

国内外很多学者对盾构隧道施工技术和作用机制进行了大量的研究，如:臧延伟等［1］以上海市轨道交通工程为例，利用有限元模拟旋喷压力等施工参数来严格控制变形，优化了方法，有效地控制了铁路干线的变形;吕培林等［2］对隧道下穿铁路的施工期及其后续阶段的线路沉降进行观测，并根据观测数据，从沉降发展的时间历程、施工各阶段沉降量所占比例和地面沉降槽的特征等进行了分析研究。且相关研究［3-6］发现:隧道下穿铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，加大了轮轨间的冲击力，加速轨道结构和基床的破坏，对铁路运营安全也会产生严重影响。总体而言，隧道施工对既有隧道及其管线影响相关的规律性研究还较少。本文以福州地铁l号线地质资料为背景，考虑到可能出现的多种因素，利用三维有限元程序MIDAS对近距离双线平行隧道盾构施工进行动态模拟，分析盾构隧道施工对地表铁路轨道的影响，总结地表铁路轨道和排洪涵管受列车荷载、地层损失率、注浆率等因素的影响关系。

1 工程概况

罗汉山站—福州火车站区间为全地下盾构区间，线路出罗汉山站后沿罗汉山站西侧山腰经规划的西园路、站西路并下穿铁路咽喉区到达福州火车站。本区间段共计有4段平面曲线，线间距为11．7～16．8m，纵断面为V型坡，最大纵坡25‰，最小纵坡4‰，区间隧道覆土最大厚46．6 m，最小厚13．6 m。

本段盾构区间沿着规划站西路，向南下穿福州火车站咽喉区(车站正线14股股道)，平面与其约成60°，线间距11．0 ～14．65 m。管片环宽1．2 m，外径6．2 m，壁厚0．35 m。对咽喉区铁路进行了改造，废除了原有铁路，替换以新建的股道，物探揭示下方布置有2座涵洞。盾构隧道与铁道平面关系见图1。

图1 盾构隧道与铁路平面关系图Fig．1 Plan layout showing relationship between shield-bored tunnel and railway

表1 土层参数Table 1 Ground parameters

2 隧道开挖有限元模型

参考地质纵断面图，同时兼顾计算效率，按最不利情况取隧道埋深为15．6 m。整体计算模型取横向宽80 m，高45 m，纵向长200 m。地层采用实体单元，Mohr-Coulomb材料模拟，管片采用shell单元，用弹性材料模拟，模型四周边界采用滚轴约束，下表面采用固定约束，上表面采用自由约束。

图2给出了基于MIDAS/GTS的整体计算模型网格，图3为列车轨道、盾构隧道与涵洞相对位置示意图。

图2 整体计算模型网格Fig．2 Mesh of integral calculation model

图3 局部模型示意图Fig．3 Local model

3 隧道开挖模拟方法

根据计算要求，针对列车荷载、地层损失和盾尾注浆条件，对不同工况下地表沉降特征进行模拟分析。

1)列车荷载模拟。对应的列车荷载，每股荷载按照3．4 m范围内作用54 kPa均布荷载来考虑。

2)开挖过程模拟。在有限元软件中对土方开挖的模拟以及隧道衬砌的支护是通过“杀死”或“激活”对应的土体以及衬砌单元实现的，即所谓“生死单元”。

3)地层损失模拟。盾构掘进的过程即是地层损失发生并对周围环境产生影响的过程，本次计算中，结合软件对地层损失的模拟方法，计算并设置了相对应的盾构隧道体积收缩量［6］。

地层损失率

式中:V1为地层损失量;V为竣工隧道体积。

4)管片接缝、注浆、刀盘推力、盾体摩擦的模拟。参考修正惯用计算法对管片刚度进行折减，折减系数取0．8;通过调整荷载释放率来模拟盾构施工时的不同注浆效果;不考虑盾体摩擦，认为可以通过盾构的泡沫系统将此项因素减少到可忽略的程度。可用注浆率来确定注浆质量和效果。

注浆率

式中:Q1饱和注浆量;Q2为实际注浆量。

4 计算结果分析

1)列车荷载的影响。由图4—6可知:地表沉降和轨道板沿线沉降随列车股数的增加而增大，无列车荷载作用时，地表沉降槽沿两隧道中心呈对称分布，隧道施工完成时，其最大沉降量为2．9 mm，位于两隧道中线处;5股列车荷载作用下，最大沉降量为3．2 mm，位于两隧道中线处。相比0股列车，5股列车时的地表沉降增加了约0．3 mm。对于轨道地表情况，由于轨道与隧道中线呈斜交，地表沉降槽稍向左洞倾斜。不同列车荷载作用下，各涵洞沿线沉降随着列车荷载的增加而增大，隧道施工完成后，无列车时，排洪涵洞最大沉降量为2．9mm;5股列车荷载作用下，排洪涵洞最大沉降量为3．2 mm。

图6 不同股数列车荷载下排洪涵洞沉降分布曲线Fig．6 Distribution of drainage culvert settlement trough under different quantities of train’s load

2)地层损失的影响。由图7—9可看出，地表沉降和轨道板沿线沉降随着地层损失率的增大而增大。不同地层损失率下，地表沉降槽均沿两隧道中心呈对称分布。无地层损失时，隧道施工结束时地表的最大沉降量为3．2 mm，位于两隧道中线上方;当地层损失率为0．25%时，最大沉降量为5．1mm;当地层损失率为0．5%时，最大沉降量6．4 mm;当地层损失率为1．0%时，最大沉降量为8．5 mm。相比无地层损失时，地表沉降分别增大了1．9 mm、3．2 mm 和5．3 mm。同样，地表的铁路轨道沿线沉降随着地层损失率的增大而增大，变化规律与地表沉降类似。同时，从图中可明显看出，随着地层损失率的增大，地表及轨道沿线沉降槽变深、变陡，轨道沿线差异沉降增大，这说明施工时要尽量减少对地层的扰动，降低地层损失率。不同地层损失率作用下，各涵洞沿线沉降随着损失率的增加而增加，隧道施工完成后，地层无损失时排洪涵洞最大沉降量为3．2mm;地层损失率为1%时，排洪涵洞最大沉降量为 8．3 mm。

图7 不同地层损失率下地表沉降槽分布曲线Fig．7 Distribution of ground surface settlement trough under different ground loss ratios

3)盾尾注浆效果的影响。由图10—12可看出，地表沉降和轨道板沿线沉降随着注浆效果的提高而减小。不同注浆效果下，地表沉降槽均沿两隧道中心呈对称分布。无注浆效果时，隧道施工结束时地表的最大沉降量为3．2 mm，位于两隧道中线上方;当注浆效果为20%时，最大沉降量为2．8 mm;当注浆效果为40%时，最大沉降量为2．0 mm;当注浆效果为60%时，最大沉降量为1．2 mm。相比无注浆时，地表沉降分别减小了 0．4 mm、1．2 mm 和2．0 mm。同样，地表的铁路轨道沿线沉降随着注浆效果的增大而减小，变化规律与地表沉降类似。无注浆效果时，轨道地表沉降最大位于两隧道中线上方，为3．1 mm;当注浆效果为20%时，最大值减小到1．7mm;当注浆效果为40%时，最大沉降减小到1．2 mm;当注浆效果为60%时，最大沉降减少为0．7 mm。可见，盾构施工时，注浆是关键，提高注浆效果能有效控制地表沉降。不同注浆效果下，各涵洞沿线沉降随着注浆效果的增加而减小，隧道施工完成时，无注浆时排洪涵洞最大沉降量为3．2 mm;注浆效果为60%作用下，排洪涵洞最大沉降量为1．2mm。

5 结论与讨论

1)对于不同股数列车荷载作用，隧道施工结束时，最不利情况下的地表最大沉降为3．2 mm，轨道沿线最大沉降3．1mm，钢轨差异沉降0．14mm，管涵最大沉降3．2 mm。根据《铁路线路维修规则》，相邻两股钢轨水平高差不得超过6 mm。可见，在现有条件下进行盾构施工，能够保证既有铁路轨道的安全，排洪涵洞也不会因为下沉而造成裂缝。

2)进一步考虑到地层损失率的影响，当地层损失率超过0．5%时，地表沉降已接近相关规范限值(根据《铁路线路维修规则》，轨面沉降值不得超过10 mm)。为安全起见，在盾构施工时，建议采取同步注浆等措施，减少地层损失率，将其控制在0．5%以内，而且，以现有的施工技术来看，将地层损失率控制在0．5%以内是完全可以做到的。

3)盾构隧道下穿排洪涵管时，在不同股数列车荷载下，能4够满足隧道施工安全及排洪涵管变形控制要求，这说明在临近既有构筑物段隧道施工采用现有加固方案是可行的;进一步考虑到地层损失率的影响，将地层损失率控制在0．5%以内，排洪涵洞不会因为其下部的基桩下沉而造成裂缝。

4)注浆效果对抑制地表与涵洞沉降作用明显，施工时应合理利用和控制。

5)在现有场地条件下，可不采取另外的加固措施，即可保证盾构穿越时地表铁轨的安全。为确保施工安全，建议盾构施工时采用1．2倍静止土压力的顶推力，将地层损失率控制在0．5%以内，减少超挖并采取同步注浆等控制措施。

［1］ 臧延伟，张栋梁，罗酷．盾构下穿铁路地基加固施工参数优化［J］．铁道建筑，2006(5):70-75．

［2］ 吕培林，周顺华．软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析［J］．中国铁道科学，2007，28(2):12-17．(LV Peilin，ZHOU Shunhua．Analysis on upper rail settlement in soft ground resulting from shield tunneling across main railway line［J］．China Railway Science，2007，28(2):12-17．(in Chinese))

［3］ 田海波，宋天田．轨道交通9号线下穿铁路工程风险及对策研究［J］．地下空间与工程学报，2007，3(1):147-153．(TIAN Haibo，SONG Tiantian．Research of risks and countermeasures on project of Metro beneath the railway［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007，3(1):147-153．(in Chinese))

［4］ 郭玉海．盾构穿越铁路的沉降综合控制技术［J］．市政技术，2003，21(4):204-207．(GUO Yuhai．A synthetic technique of settlement control for shield underrun the railroads［J］．Municipal Engineering Technology，2003，21(4):204-207．(in Chinese))

［5］ 郭庆昊，原文奎，张志勇．盾构法隧道下穿既有地铁车站影响分析［J］．城市轨道交通研究，2008(11):50-55．(GUO Qinghao，YUAN Wenkui，ZHANG Zhiyong．Numerical analysis of the interaction between shield tunnel and the existing subway station［J］．Urban Mass Transit，2008(11):50-55．(in Chinese))

［6］ 魏纲．盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究［J］．岩土工程学报，2010(10):1354-1361．(WEI Gang．Selection and distribution of ground loss ratio induced by shield tunnel construction［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010(10):1354-1361．(in Chinese))