盾构隧道下穿铁路箱涵结构变形特征分析

崔 涛

盾构隧道下穿铁路箱涵结构变形特征分析

崔 涛

摘 要：文章应用三维有限元法，分析盾构隧道下穿引起的既有铁路路基及箱涵结构变形，结果表明，铁路路基沉降规律大致符合Peck曲线，但由于箱涵结构的存在，沉降曲线左右不对称；箱涵最大竖向变形2.4 mm，路基最大竖向沉降3.95 mm。

关键词：盾构隧道；下穿既有铁路；箱涵结构；变形分析

崔 涛：中土建设集团有限公司，高级工程师，辽宁大连 110043

新建盾构隧道穿越既有铁路会导致不同程度的土体沉降，引起上部既有铁路路基变形。目前，国内通常采用Peck经验公式或其修正公式来预测盾构开挖引起的铁路路基变形，并应用到了诸多实际工程中。但是当铁路下方存在箱涵结构时，由于箱涵的整体刚度大、变形小，结构外壁与土体间容易产生相对滑动，导致土体位移场变化不同于均质地层或成层地层，铁路路基变形特征亦会与Peck曲线存在偏差，因此，对于该类工程，既有的预测方法不再适用。本文以合肥市轨道交通2号线下穿既有铁路工程为背景，采用三维有限元法研究分析盾构隧道开挖引起的铁路路基和箱涵结构变形特征。

1　工程概况

合肥地铁2号线科学大道站—怀宁路站区间需下穿既有铁路线路群，地铁隧道采用盾构法施工，区间隧道与铁路在平面上交角约75°。隧道管片内径5.4 m，外径6.0 m，线间距为9.5～10.3 m，埋深11.4 m，路基顶至隧道顶部的竖向净距约为17.6 m。既有铁路线路跨长江西路钢筋混凝土箱涵，底板至隧道顶部的净距约7.4 m，线路与箱涵水平净距约为1 m，垂直净距为7.5 m。铁路箱涵横断面为13 m+23 m+13 m三跨连续结构，箱涵纵向为7.3 m+12.3 m+10.3 m三跨分离式结构，结构与结构之间设有伸缩缝。箱涵主体采用的是C35钢筋混凝土结构，结构顶板厚度为1.1 m，侧墙和中隔板厚度为1.0 m，底板厚度为1.3 m，上部覆土厚度约为1.3 m。隧道所处土层为<10-3>层中等风化泥质砂岩层（图1）。

图1　隧道下穿铁路箱涵示意图 （单位：m）

2　三维有限元模型建立

本文应用Plaxis3D有限元软件，分析盾构下穿引起的铁路路基及箱涵结构变形特征。计算模型总宽度取260 m，纵向延伸210 m，高度为60 m，以消除边界效应对计算结果的影响。在模型底部施加完全固定约束，在四周施加水平约束，模型表面为自由边界。土体采用HS土体硬化模型。箱涵和管片都采用板单元模拟，板单元与土体之间设置了接触单元（界面）用于模拟板单元与土体间的错动。三维有限元模型见图2，土层参数见表1。

根据TB10002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》，采用中-活载（ZK/ZH）作为计算模型中的铁路列车荷载。计算铁路路基沉降时，选择集中荷载作用于隧道正上方布置形式，在计算箱涵的变形时以集中荷载作用于箱涵正上方布置形式。

表1　下穿土层物理力学指标

图2　三维有限元网格图

图3　隧道应力释放计算示意图

3　有限元计算分析

本工程中盾构隧道全断面穿越<10-3>中等风化泥质砂岩，地层弹性模量为1 000 MPa，工程性质较好，故采用应力释放的方法模拟计算盾构下穿铁路造成的影响。

根据文献[4]的研究成果，隧道开挖周边的应力释放系数可按式（1）计算：

式(1)中，β为应力释放系数；σr0为开挖前的径向应力；σθ为开挖周边环向应力；φ为土体内摩擦角。

式(2)、(3)中，μ为土体泊松比； p为隧道顶部的竖向应力。

根据本隧道中心埋深h=11.4m，计算得应力释放系数β=0.5，故在数值模拟时采用应力释放系数β 为0.5。

考虑到隧道左线、右线开挖阶段的影响，模拟分析中考虑4个阶段：阶段1，左线开挖至路基正下方；阶段2，左线隧道贯通；阶段3，右线开挖至路基正下方；阶段4，右线隧道贯通。

3.1箱涵变形分析

图4　各工况箱涵变形云图

理论与实践表明，集中荷载作用于箱涵正上方时对箱涵结构的影响最大，根据有限元计算结果，不同施工阶段下箱涵的变形云图如图4所示，箱涵横断面最终变形如图5所示。

图5　箱涵横截面最终变形矢量图

图6　合武下行线路基各阶段沉降曲线

图7　隧道开挖影响区域示意图

计算结果显示，箱涵的最大沉降量为2.4 mm，最大值发生在箱涵东南侧，由于新建盾构隧道与箱涵结构南侧边墙的水平净距只有1 m左右，使得箱涵南侧呈现出整体下倾。对箱涵底部变形曲线做进一步计算，将箱涵右侧中隔板与右侧侧墙长度l=13 m作为研究长度（即规范中的l），则箱涵倾斜度为δ/l=2.4 mm/13 m=0.184‰，小于规范要求的3‰限制条件。

3.2路基变形分析

图6给出了合武下行线路基不同开挖阶段下的沉降曲线，由图6可见：

(1）路基最大沉降发生在右线隧道贯通阶段，最大沉降值为3.95 mm：

(2）左线隧道开挖引起路基沉降呈单峰形态，沉降最大处位于左线隧道正上方；

(3）当右线隧道开挖完成之后，路基沉降量最大处位于左右线隧道中间线的正上方，且图6中右半侧曲线与Peck曲线相符；

(4）左线隧道开挖引起箱涵上方路基最大沉降量远大于右线隧道开挖引起箱涵上方路基最大沉降量，这与Peck预测法存在着一定的差异。产生这种差异的原因在于，左线隧道开挖会对箱涵右下部土体（图7中的A区域）产生扰动，减小了箱涵右下侧土体的约束作用，使箱涵发生了局部变形，进而造成了路基顶面的沉降，而右线隧道开挖时，其影响区域仅延伸至B区域，与箱涵结构存在一定的间隔，故右线隧道开挖对箱涵及其上方路基的影响较小。

4　结论

(1）合肥地铁2号线盾构隧道下穿既有铁路时，引起的铁路基沉降最大值为3.95 mm。

(2）盾构隧道下穿既有铁路下部箱涵结构时，引起的箱涵最大沉降量为2.4 m m，最大横向倾斜度为0.184‰，满足规范3‰的要求。

(3）盾构下穿引起的铁路路基沉降规律大致符合Peck曲线，但由于右线隧道与箱涵结构存在一定的间距，其开挖对箱涵及上方铁路路基的影响较小，使得沉降槽曲线左右两侧不对称。

参考文献

[1] 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).

[2] 边金, 陶连金, 郭军. 盾构法隧道引起的地表变形分析[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(2).

[3] 王国栋, 肖立, 张庆贺. 盾构在道路和铁路下推进引起的沉降对比研究[J]. 铁道建筑, 2010(10).

[4] 庄丽. 散粒体的加卸载与应力释放特性[D]. 上海: 同济大学, 2009.

[5] 徐冬健. 盾构隧道沉降数值模拟[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2009.

来稿日期 2014-05-05

责任编辑 朱开明

Deformation Analysis on Shield Tunneling Passing beneath Railway Box Culvert Structure

Cui Tao

Abstract:Using the three-dimensional fi nite element method, the paper makes analysis of the deformation of existing railway subgrade, culvert and box type structure induced by shield tunneling underpass. The results show that railway subgrade settlement generally conforms to the Peck curve. However due to the existence of box culvert structure, settlement curve shows left and right asymmetry. Box culvert has maximum 2.4 mm vertical deformation, and subgrade has maximum 3.95 mm vertical settlement.

Keywords:shield tunnel, passing beneath existing railway, box type culvert structure, deformation analysis

中图分类号：U449.82