地铁盾构下穿施工引起的既有线路轨道变形分析

金琼

(中铁十七局集团有限公司第二工程有限公司，陕西西安 710043)

地铁盾构下穿施工引起的既有线路轨道变形分析

金琼

(中铁十七局集团有限公司第二工程有限公司，陕西西安 710043)

基于有限元软件ABAQUS建立了盾构隧道下穿施工—高速铁路结构间的相互作用模型，研究了盾构开挖过程中轨道沉降规律，相关结论可为施工单位和工务养护部门提供参考。

盾构，轨道变形，有限元，不均匀沉降，高速铁路

0 引言

近年来，城市轨道交通因其快速、便捷、方便、舒适、占地少、载客量大以及运营安全等特点作为支撑城市正常运行的大动脉而在全国各大城市得到了迅速大规模的发展。与此同时，经过高速铁路建设和对既有铁路的高速化改造，我国已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。高速铁路和城市轨道交通的大规模建设必然会使两者的线路在特定的空间位置产生交叉，为了减小土地占用和对既有交通的影响，同时为了降低工程建设成本和对周围环境的影响，新建城市轨道交通盾构下穿既有铁路线路成为现在主要形式。

但是下穿施工对既有高速铁路线路影响较大，尤其是高铁要满足高速、高平顺性、高安全性等方面的要求，下穿施工不可避免的会对既有铁路地基产生扰动，引起地层不同程度的沉降和路基下沉、轨道结构变形，不仅对隧道和周边环境的安全产生不利影响，而且会影响既有线路的正常运营，严重的会造成既有铁路破坏，引起无法预测的安全事故，造成不可估量的经济损失。因此，结合工程案例，基于线下基础和线上轨道结构的耦合关系，建立有限元模型分析盾构下穿施工过程中轨道结构的变形沉降规律，为高速铁路的安全运行提供参考具有重要意义。

1 下穿施工有限元模型

1.1 模型假设

本文建立下穿施工模型时，参考某城市轨道交通盾构下穿既有高速铁路路基地段案例，并对此进行以下简化:

1)土体为呈水平分布的各向同性弹塑性材料，并忽略自重应力;

2)不考虑盾构下穿施工的时间效应，认为土体的沉降、轨道结构的变形只和开挖步有关，忽略土体的固结和蠕变作用;

3)开挖中，对于被挖土体单元的处理，模型采用“生死单元”的方法，被杀死的单元视为“空气单元”，弹性模量降为很低。

1.2 无砟轨道——路基

无砟轨道采用的是CRTSⅡ型板式结构，模型自上而下主要包括钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆层、底座板(见图1)。路基上底座板宽2.95m，高0.3m;CA砂浆层宽2.55m，高0.03m;轨道板宽2.55 m，高0.29 m，除扣件采用线弹簧模拟外，其余各部件均采用实体单元(见表1)。

表1 无砟轨道各结构参数

路基分为基床表层和基床底层两部分，其中基床表层高0.4m，由级配碎石材料组成，基床底层高2.3m，由改良土组成。

图1 无砟轨道模型

1.3 地基土体及衬砌

隧道左右两侧范围内的土体，选取范围不小于5倍洞径，取为130m，左右两个隧道净距5 m，土体深度35 m，盾构隧道管片长度为1.2 m，隧道开挖长度取管片环的30倍，即36 m。模型尺寸为x×y×z=130 m×35 m×36 m。路基以及无砟轨道结构与盾构隧道正交。地基土体自上而下分为4层，即杂填土、粉细砂、中粗砂、粉质粘土，采用 Drucker-Prager本构模型，具体参数如表 2所示。

管片采用C40混凝土材料，密度为2 500 kg/m3，弹性模量为3.45×107MPa，泊松比0.167，宽1.2m，厚0.2m。

2 开挖过程中变形分析

2.1 左线隧道施工

本文拟双线隧道埋深10 m，开挖直径6.2m，左右两隧道净间距5m。整个过程分为13个开挖步，每个开挖步向前开挖6m，其中1～6为左线隧道施工、7～12为右线隧道施工，第13分析步为沉降最终稳定。

图2 左隧道施工中无砟道床垂向位移云图

图3 左隧道施工中地基土体垂向位移云图

从图2，图3左隧道施工过程中无砟轨道和地基土体的垂向沉降云图可以看出:

1)盾构开挖造成隧道土体的扰动和卸载，引起隧道向圆心处收缩以及上方路基、线路结构物的沉降，地基土体沉降峰值发生在开挖隧道正上方，路基土体最终沉降峰值发生在左隧道中心线上方。

2)地基土体和无砟轨道结构都随着开挖的进行，沉降值不断增大;开挖过程中土层沉降槽面积不断增大。

3)隧道下穿施工过程中需采取控制沉降变形的辅助措施来减小地层损失，尤其是高速铁路下部基础，否则会引起路基等不均匀沉降，增大列车与轨道间的动力响应，增加线路的养护维修费用。

图4 左隧道施工中钢轨垂向位移

从图4左隧道施工过程中钢轨垂向位移曲线可以看出:

1)盾构开挖引起的土层向圆心处收缩经过上方路基、轨道结构的传递后，钢轨也发生跟随性位移，其垂向位移峰值发生在左隧道中心线上方，最大达3.37mm。

2)随着开挖的进行，钢轨垂向沉降值不断增大;沿着开挖方向，右轨因为先于左轨接触开挖面，所以右轨的沉降比左轨大。

3)盾构开挖断面对钢轨的横向影响区域达到28 m左右，即隧道开挖直径的4倍～5倍;两轨在开挖过程中沉降速率先增大后减小，沉降差也先增大后逐渐减小趋于0，沉降差最大值发生在开挖面位于线路中心线正下方。

2.2 右线隧道施工

图5 右隧道施工中无砟道床垂向位移云图

图6 右隧道施工中地基土体垂向位移云图

图7 右隧道施工中钢轨垂向位移

从图5～图7右隧道施工过程中各结构沉降云图和钢轨垂向位移曲线可以看出:

1)待左隧道贯通，右隧道开挖过程中，地基土体和轨道结构的沉降值继续增大，且随着开挖的进行，之前逐渐稳定的不均匀沉降又呈现先增大后逐渐稳定趋势。

2)右线隧道开挖过程中土层沉降槽面积不断增大，盾构开挖对钢轨的横向影响区域稳定在30 m，即隧道开挖直径的4倍～5倍。

3)待左线隧道贯通，右线隧道开挖过程中两轨沉降峰值不断从左隧道中心移至两隧道中心线正上方，且两轨沉降差、沉降速率均先增大后减小。

4)土层沉降峰值最终稳定在隧道中心正上方，路基土体和钢轨最终沉降峰值发生在两隧道中心线上方，开挖后钢轨沉降可达4.95mm，因此需要采取沉降控制措施减小基础和钢轨的沉降，工务部门要及时检修线路，防止盾构施工对列车运行造成危害。

3 开挖沉降控制措施

常规的变形控制分为两种:主动控制和被动控制。主动控制就是在盾构施工过程中，对盾构的各种施工参数进行调整，根据地面沉降观测结果来及时的调整施工参数，最终达到控制地面沉降的标准;被动控制是根据监测数据，当地层发生较大的沉降或者建筑物出现倾斜时，采取工后压密地层或者采取建筑物纠偏等加固措施来恢复正常的施工措施。常见的沉降处理对策如下所示:

1)减小开挖推进中对围岩的扰动:在施工中尽量减小对围岩的扰动，保持盾构线路平直圆滑，防止盾构机发生偏转、横向移动或蛇形运动，以减小推进过程中与围岩间的摩擦阻力。

2)防止盾尾空隙沉降与地基隆起:首先，壁后注浆材料要根据围岩状况来选择渗透性好的材料并优先选择固结强度大的材料;其次，壁后注浆尽量与盾构推进同步;再次，要采取措施降低由二次注浆引起的地层沉降。

3)防止一衬的变形:为了防止衬砌管片的变形，在对接头螺栓充分紧固的同时，要使用形状保持装置以保证管片的拼装精度和管片的整体刚度。

4 结语

本文参考某城市轨道交通盾构下穿既有高速铁路路基地段工程案例，建立盾构下穿既有高速铁路线路各部件实体模型，对施工过程进行模拟，并对盾构开挖过程中轨道结构的沉降规律进行了探讨，结论如下:

1)盾构施工会扰动周围土体，引起土层向圆心处收缩，经过上方路基、轨道结构的传递后，钢轨也发生跟随性位移，盾构施工过程中，轨道垂向变形会不断增大，在盾构开挖完毕后逐步趋于稳定并达到最大值，最大值发生于两隧道中心线正上方，并且沉降曲线符合高斯曲线分布。

2)盾构开挖面位于铁路线路中心线正下方时，轨道沉降变形速率和两轨沉降差达到最大值，通过线路中心线后其值会逐渐减小。双线隧道贯通后，上部高速铁路轨道仍会存在一定的横向变形。

3)盾构开挖断面对钢轨的横向影响区域达到隧道开挖直径的4倍～5倍，开挖过程中土层沉降槽面积不断增大。

4)单条隧道开挖过程中，两轨沉降峰值均发生在该隧道中心正上方，待另一条隧道开挖过程中，两轨沉降峰值不断从该隧道中心移至两隧道中心线正上方。

5)随着开挖的推进，轨道结构层间会存在沉降差，诱发沉降曲线波谷位置出现离缝趋势，轮轨反复冲击作用会导致结构层间产生周期性“拍打”现象，加快层间离缝的发展，影响轨道的使用寿命。

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Research on the existing railway track deformation caused by down-traversing shield tunnel construction of subway

Jin Qiong

(The 2nd Engineering Co．，Ltd of China Railway 17 Bureau Group Corporation，Xi’an 710043，China)

Based on finite element software ABAQUS，a couplingmodel of down-traversing tunnel and high-speed railway structure was built to study the law of track settlement.The related conclusions can provide a reference for the construction and maintenance departmentworks.

shield construction，track deformation，finite element，uneven settlement，high-speed railway

U216.3

A

1009-6825(2015)29-0161-03

2015-08-07

金 琼(1982-)，男，工程师