盾构隧道小角度斜交穿越铁路路基变形影响规律分析

杨三资

（1、北京市基础设施投资有限公司，北京 100101 2、绍兴京越地铁有限公司，浙江 绍兴 312016）

近年来，我国的城市轨道交通建设发展迅速，盾构隧道工程已经十分普及，但也面临着越来越复杂的施工环境。盾构隧道施工不可避免地对周边地层产生扰动，当下穿铁路碎石道床时，将使道床以及周围地面产生沉降，甚至影响铁路正常运营。

目前，针对盾构隧道穿越铁路已经展开了一定程度的研究。马健等[1]以杭州4 号线盾构下穿既有地铁1 号线为依托，分析了盾构隧道掘进参数对既有隧道竖向变形的影响规律；曾铁梅等[2]以武汉某地铁盾构隧道为例，研究了地铁盾构隧道对地表线路的影响；程巧建[3]通过对厦门地铁二号线穿越工程仿真模拟以及监测数据分析，研究得出了盾构下穿高速铁路路基以及轨道变形影响的时空分布规律；杜明芳等[4]通过有限元软件分析不同角度穿越（18°，36°，54°，72°，90°）发现了穿越角度不同对路轨的影响有着巨大的影响。

目前，很多学者研究了盾构隧道与既有构筑物在不同相对位置大角度（下穿、上穿、平行、垂直）对既有构筑物变形的影响规律，但对盾构隧道小角度穿越既有地面线路研究较少。

在地铁16 号线穿越工程中，盾构隧道共下穿5 条铁路线路，两条为过渡京沪铁路，两条为过渡永丰铁路，一条为过渡材料线，5 条线路均为有砟道床，设计速度80km/h，下穿角度为11.5°～17.5°，下穿风险大，有必要对铁路路基以及地面沉降进行严密监测。本文依托此工程，结合数值模拟与现场监测，重点研究小角度穿越时对铁路路基以及地面的影响，为今后类似工程提供重要借鉴。

1 工程概况

新建盾构隧道与既有铁路总平面位置关系如图1 所示。

图1 工程位置关系总平面图

地铁区间穿越深度为地面下约16m。本段区间采用盾构法施工，隧道外径3.20m，隧道内径2.90m，管片宽度1.2m，管片厚度0.3m，左右线间距约为18.2m～21.2m。工程剖面位置关系如图2 所示。

图2 工程位置关系剖面图

2 工程地质与水文情况

2.1 场地地层分布

该地区涉及勘探钻孔最大深度为54.00m。按照地层沉积年代、成因类型、地层岩性及其物理力学性质对地层进行划分，共划分为4 个大层，地层力学性质如表1 所示。盾构施工处于细砂层与砂卵石层，大部分位于卵石层。铁路路基下约有5m 的杂填土层，土质稳定性较差。

2.2 区间场地水位情况

根据勘察资料，丰益桥南站路～丰台站区间施工阶段水位位于北京高程22.2～25.5m（自东向西逐步升高）。

3 仿真模拟

为计算盾构施工对铁路路基的沉降影响，采用Ansys 有限元软件模拟小角度盾构隧道穿越后地表以及铁路路基沉降。

3.1 有限元仿真模拟

本文采用Ansys 有限元软件模拟盾构隧道穿越工程，为使模拟结果跟接近实际情况，建模范围取垂直于线路方向结构外缘两侧各约5D（D 为隧道结构外径）[5-6]，竖直方向结构覆土根据实际情况取值，结构底部以下大于5D，因此模型尺寸为600m×200m×50m，地应力场按自重应力场分析。铁路路基轨道断面采用标准断面，隧道衬砌管片采用Ansys 中的Shell163 单元模拟，土体以及道床采用Solid45 单元模拟，符合Drucker-Prager 准则。模型中土层参数参见表1。

表1 地层物理力学参数

盾构机顶推力设置为300kN/m2，注浆压力设置为200kN/m2。有限元三维模型以及结构位置如图3 所示。盾构管片以及既有铁路路基参数见表2。

图3 有限元三维模型示意图

表2 盾构管片、既有铁路路基物理力学参数

3.2 工况分析

Ansys 对于盾构隧道施工过程的模拟，可以采用单元逐次“激活”与“钝化”的方式进行，对盾构隧道开挖通过下列步骤进行[5]，第一步,钝化第一部分盾构隧道单元，添加掘进压力；第二步，钝化第二部分盾构隧道单元，激活第一部分盾构隧道的管片和衬砌，并施加掘进压力和注浆压力；第三步，钝化第三部分盾构隧道单元，激活第二部分盾构隧道的管片和衬砌，并施加掘金压力和注浆压力。左右盾构隧道都按照该步骤进行模拟开挖，先进行右线开挖模拟，开挖完成后进行左线开挖模拟。

4 仿真模拟结果

通过对Ansys 有限元软件的仿真模拟，可以得到如图4 的数值模拟结果。

图4 有限元软件沉降位移云图

双线穿越后软件计算的地面累计最大变形量达到-2.38mm，轨道路基累计沉降变形量达到-2.27mm。且根据有限元计算结果可得盾构隧道穿越时轨道路基最大沉降位置为隧道与轨道路基交叉区域。

同时根据有限元计算结果，可以得到随隧道推进时铁路路基以及地面最大沉降变化趋势，图5 表示铁路路基最大沉降随隧道推进时的变化，左右线隧道推进各划分为7 个阶段。右线推进时路基以及地面沉降均大于左线推进时的沉降，且盾构右线或左线穿越时垂直下穿所造成的既有轨道沉降最大，垂直下穿沉降量占全部沉降量的29.4%。

图5 铁路路基以及地面最大沉降变化示意图

5 监测方案

为了研究盾构隧道小角度穿越时对地面既有线路基沉降的影响，确定本次监测的主要内容为铁路运营线路变形、周边地表沉降监测以及监测。同时鉴于铁路运营线路路基沉降的人工监测频率较低，且容易受到行车影响，为了更好的反映出穿越期间的线路变化情况，增加对铁路路基进行24 小时不间断自动化监测。

监测项目主要包括以下四个方面：（1）影响范围内地表沉降人工监测；（2）铁路路基沉降人工监测；（3）铁路路基沉降自动化监测；（4）接触网杆沉降。

本项目采用基于液位测量的沉降变形自动监测系统。自动化监测点沿铁路安全护栏敷设，采用底座及调节支架安装固定，导线、联通液管、通信线缆采用PVC 套管进行保护，该系统监测原理是根据连通管的差压进行测量，在墩台某一固定基准点处设置基准点传感器和设备箱（含储液罐、电池、采集设备、无线传输设备），各测量点传感器固定于被测结构上且通过柔性连通管和数据线与基准点相连接；当结构发生沉降变形时，结构上的测量点传感器自动测量、采集高程变化，将数据通过设备箱传输至数据中心。

该监测系统测试量程1～200mm，最大允许误差（精度）±0.1mm，适用温度范围-30℃～+40℃。在监测范围内,沿既有铁路两侧及两股线路中间,平行于轨道布设测线,测点布置在既有铁路路基上,远离盾构穿越位置处每8～10m 布置一个测点,盾构穿越处测点加密,每3～5m 布置一个测点。共布设30 个路基自动化沉降测点，自动化监测点布置图如图6 所示。

图6 路基沉降自动化监测点布置示意图

6 监测数据结果

穿越期间既有线路基沉降人工监测累计变形为-1.9mm，路基沉降自动化监测累计变形为-2.64mm，接触网杆沉降累计变形为-1.2mm。盾构穿越施工引起既有结构整体趋势呈沉降趋势，其中自动化监测时程曲线如图7 所示。穿越工程中由于盾构机顶推力的存在，路基以及地表皆存在盾构初期抬升上升的现象，抬升幅度最大为1.25mm，随着时间推移，路基与地面开始沉降，地表人工监测显示地表沉降自穿越开始10 天左右稳定，路基沉降人工监测以及路基自动化监测显示路基沉降自穿越开始8 天左右稳定，由于有砟轨道的材料特性以及其采取了相应的抗沉降措施，路基的变形比地表先稳定。

图7 路基沉降自动化监测曲线图

将Ansys 计算结果与实际测量沉降值进行比较，发现有限元计算所得的沉降趋势以及最大沉降量均与实测监测值相吻合，有限元计算结果符合实际，可以通过有限元模型以及实测数据相结合的方式来研究小角度穿越工程对路基的影响。

提取盾构下穿施工结束后路基沉降自动化监测点（ZDH1-1～ZDH1～10、ZDH2-1～ZDH2-10、ZDH3-1～ZDH3-10）的沉降值，如图8 所示。内侧路基也就是下行京沪线与下行永丰线之间的沉降最大，整体沉降的拟合曲线呈V 型，由散点图可以发现双盾构中心线处的沉降较其两侧的沉降略小。

图8 下穿后路基沉降自动化监测变化示意图

7 结论

结合有限元软件以及相关的监测数据，分析了小角度穿越时对铁路路基的影响规律，得到了以下的结论：

7.1 由有限元计算可以发现小角度双线盾构隧道穿越时沉降会产生叠加效应，该工程中右线穿越时最大沉降为-1.86mm，之后盾构左线穿越时最大沉降达到-2.38mm，沉降出现了叠加现象。不管盾构右线还是左线穿越时，垂直下穿的沉降量最大。

7.2 由仿真模拟结果以及监测数据可以发现，双线盾构隧道穿越时的影响范围呈带状分布，并且越靠近盾构隧道中心线沉降值越大，但由于双线隧道的相互影响，中心线处沉降值并非最大，隧道穿越时对既有线路基影响最大为内侧路基（该工程中的永丰线上下行），路基监测要加强对该区域的监测，必要时可采取相应措施来减少路基沉降。

7.3 由于盾构顶推力的存在，盾构穿越初期会出现路基抬升的现象，对于铁路路基而言，抬升也会影响线路的平顺性，在穿越初期应加强对路基抬升的监测，必要时应该采取一定的措施来保证铁路路基的平顺性。

7.4 由路基沉降自动化监测数据可以发现，小角度构穿越时沉降最大区域位于路基以及盾构隧道交叉区域，由仿真模拟结果中也可以发现该区域的沉降最大，未来面对小角度穿越工程时应对该区域加强关注，在该区域采取必要的减小沉降的措施，来保证穿越工程的安全可靠。