软土地区盾构侧穿铁路箱涵影响分析

周 航 生

(长春宏建工程设计有限公司天津分公司，天津 300143)



软土地区盾构侧穿铁路箱涵影响分析

周 航 生

(长春宏建工程设计有限公司天津分公司，天津 300143)

针对某地铁工程盾构区间绕避侧穿铁路箱涵，下穿铁路路基的工程情况，建立了整体有限元模型，分析了穿越工程对铁路路基及铁路箱涵的影响，并提出了应对措施，从而保证铁路运营和施工的安全性。

铁路路基,箱涵,盾构法，有限元模型

0 引言

随着地铁工程在各个城市不断扩张，地铁隧道工程与既有铁路工程交集越来越多。盾构隧道在软土地区一般采用盾构法施工[1]，工程的实施不可避免会对既有铁路造成影响，因此需要在事前设计阶段做好详细分析，施工阶段做好监测及保护措施，运营阶段跟踪监测并对地铁列车限速。

本文将通过有限元软件Midas/GTS模拟建立整体分析模型，分析下部地铁盾构开挖过程对其上方既有运营铁路的影响。

1 工程简介

线路出站后从北侧绕避铁路箱涵，依次穿越铁路路基、公园及市政桥，至下一站。区间线间距9.8 m～15.6 m；左线分布三组平曲线，曲线半径分别为1 000 m，450 m，500 m；右线分布三组平曲线，曲线半径分别为700 m，450 m，450 m。

区间线路纵断面呈“人”字坡，左线出站后分别以8.97‰坡度上坡、4.16‰坡度下坡至下一站；右线出站后分别以9.03‰ 坡度上坡、4.28‰坡度下坡至下一站；区间覆土厚度7.07 m～11.77 m。

地铁区间采用盾构法施工，内径5.5 m，外径6.2 m，衬砌采用0.35 m厚C50钢筋混凝土。

2 有限元模型

2.1 计算原则

1)数值模拟计算模型范围应根据隧道施工的影响范围、既有铁路结构的实际工作影响范围，边界条件不受二者影响的原则确定。

2)数值模拟计算采用的地层力学参数应符合实际的力学状态。

3)数值模拟计算采用弹塑性分析。

4)数值模拟计算的假定和过程模拟应符合实际的施工力学状态和地铁结构的工作状态。

2.2 计算模型

地铁区间盾构隧道采用板单元模拟，其尺寸、属性按实际情况给定。土体及箱涵均采用实体单元模拟，箱涵桩基采用桩单元模拟，模型尺寸取100 m×100 m×60 m。

本次计算为了分析盾构左右线开挖顺序对箱涵及地表的影响，分别建立了左线先行与右线先行的模型。有限元模型如图1所示，土体上表面自由，其他各边界均法向固定。箱涵—隧道位置关系见图2。

计算模型主要穿过杂填土、粘质粉土②1、淤泥及淤泥质粘土④1、淤泥质粉质粘土④2、淤泥质粉质粘土夹粉土⑥1等5层土体，同时有箱涵、钻孔桩、管片、盾构注浆等材料。根据地勘资料及混凝土材料参数，各种材料的参数取值见表1。

表1 材料参数取值

2.3 计算假定

采用摩尔库仑弹塑性分析。

模型范围选择的依据：根据弹性理论，对于单一圆形洞室，当侧压力系数为0时，其在半径为2.67及7.72倍洞室半径的圆环处，其切向应力分别为初始应力的1.1倍及1.01倍；当侧压力系数为1时，其在半径为3.16及10倍洞室半径的圆环处，其切向应力分别为初始应力的1.1倍及1.01倍。根据本工程实际情况，模型边界均取隧道半径的8倍以上，能够满足计算精度要求。

假定计算边界处不受隧道开挖的影响，即该处为静止的原始应力状态，变形为零，用约束来模拟。

盾尾空隙、土体扰动及同步注浆采用0.5 m厚等代层模拟。Loganathan和Poulos在1998年把空隙参数定义为等代层模型[2]，结合均匀弹性半空间隧道的解析方法，预测在粘土层中盾构施工引起的地层移动。后在有限元分析应用中，扩展了等代层的定义，将盾尾空隙、土体扰动层及注浆层概化为一个均匀的等代层考虑，能够在一定程度上反映这些因素的综合影响，在满足计算精度的条件下简化模型。等代层的参数在考虑盾构所在土层的条件下，适当缩减。

注浆加固土的力学参数可适当的提高。

过程模拟：1)初始地应力；2)既有箱涵施工模拟；3)盾构左右线的分步施工模拟，左右线分别先开挖。

3 结果及分析

3.1 计算结果

两线开挖后竖向位移见图3，箱涵及桩基位移见图4，图5。

3.2 计算结果分析

1)从路基沉降计算结果看，右线先行开挖工况最终路基沉降为8.64 mm，左线先行开挖工况最终路基沉降为8.25 mm，可见就控制路基沉降而言，左线先行施工略有优势，但两种工况均将路基沉降控制在10 mm之内。

2)从地表沉降看，右线先行开挖工况最终地表沉降为9.86 mm，左线先行开挖工况最终地表沉降为9.74 mm，低于地表沉降控制值30 mm。

3)从箱涵及桩基变形情况看，右线先行开挖时，箱涵水平位移与竖向位移分别为1.96 mm和4.36 mm，桩基水平位移与竖向位移分别为0.96 mm和3.85 mm；左线先行开挖的计算结果较右线先行开挖略大，但箱涵最大变形及桩基最大变形均在5 mm及1 mm左右。

4)计算结果表明，盾构隧道开挖对铁路箱涵及路基的影响都在规范控制范围之内，但理论模拟难以反映盾构开挖的全过程，对施工误差、开挖掘进的土层损失、同步注浆和二次注浆等无法做到精确分析，实际施工过程中还应做好过程控制，尽量减小施工误差、降低地层损失、加强注浆，减少盾构施工对铁路的影响。

4 结论及建议

工程研究的重点是控制箱涵结构变形和路基沉降，保障铁路安全运营。

1)根据理论计算，采用右线盾构先行施工的施工方法对盾构下穿铁路时路基沉降更为有利，但如受实际施工组织方案影响，采用左线先行对铁路的影响也处于规范要求的可接受范围之内，地铁盾构隧道施工对既有铁路无重大影响。应做好在隧道穿越过程中的施工控制，加强监测，根据监测数据及时反馈，调整支护参数与施工方法。

2)做好施工应急预案，与铁路部门密切配合，发现异常及时采取处理措施，确保铁路运营安全。

3)根据以往施工经验，推进速度不宜过快(难以保证同步浆液的注入量和盾尾密封油脂的饱满压入)也不宜过慢(增加对盾构周边土体的扰动，增大沉降)。推进速度宜控制在20 mm/min～30 mm/min。在此推进速度下保证盾构均衡匀速推进、连续性施工，杜绝盾构停滞，以减少盾构对土体的扰动，减少地表沉降。

在穿越铁路施工时必须预先控制好盾构的姿态，控制和掌握盾构单次纠偏的幅度，使纠偏尽量均匀且稳定，以减少纠偏对周围土体造成的影响。在该地段尽量不进行纠偏，直接通过。

4)对盾构穿越段铁路中心线外各30 m范围内的地表、铁路箱涵变形、铁路轨道沉降、盾构区间变形等进行实时监测[3,4]。

5)为保证铁路运营和施工安全，建议列车限速至40 km/h以内。

[1] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社,2010.

[2] Loganathan N,Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998(15)：26-28.

[3] TB 10121—2007，铁路隧道监控量测技术规程[S].

[4] 夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术[M].上海：同济大学出版社,1999.

The influence analysis on shield side crossing railway box culvert in soft soil area

Zhou Hangsheng

(Tianjin Branch, Changchun Hongjian Engineering Design Limited Company, Tianjin 300143, China)

According to the engineering situation of shield section avoidance routing side crossing railway box culvert of a subway engineering, underpass railway sub-grade, this paper established the overall finite element model, analyzed the influence of crossing engineering to railway sub-grade and railway culvert, and put forward corresponding measures, so as to ensure the safety of railway construction and operation.

railway sub-grade, box culvert, shield method, finite element model

1009-6825(2017)12-0150-03

2017-02-16

周航生(1990- )，男，硕士，助理工程师

U455.43

A