金瓊

(中鐵十七局集團有限公司第二工程有限公司，陜西西安 710043)

地鐵盾構(gòu)下穿施工引起的既有線路軌道變形分析

金瓊

(中鐵十七局集團有限公司第二工程有限公司，陜西西安 710043)

基于有限元軟件ABAQUS建立了盾構(gòu)隧道下穿施工—高速鐵路結(jié)構(gòu)間的相互作用模型，研究了盾構(gòu)開挖過程中軌道沉降規(guī)律，相關(guān)結(jié)論可為施工單位和工務(wù)養(yǎng)護部門提供參考。

盾構(gòu)，軌道變形，有限元，不均勻沉降，高速鐵路

0 引言

近年來，城市軌道交通因其快速、便捷、方便、舒適、占地少、載客量大以及運營安全等特點作為支撐城市正常運行的大動脈而在全國各大城市得到了迅速大規(guī)模的發(fā)展。與此同時，經(jīng)過高速鐵路建設(shè)和對既有鐵路的高速化改造，我國已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模以及最高運營速度的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路和城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然會使兩者的線路在特定的空間位置產(chǎn)生交叉，為了減小土地占用和對既有交通的影響，同時為了降低工程建設(shè)成本和對周圍環(huán)境的影響，新建城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有鐵路線路成為現(xiàn)在主要形式。

但是下穿施工對既有高速鐵路線路影響較大，尤其是高鐵要滿足高速、高平順性、高安全性等方面的要求，下穿施工不可避免的會對既有鐵路地基產(chǎn)生擾動，引起地層不同程度的沉降和路基下沉、軌道結(jié)構(gòu)變形，不僅對隧道和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，而且會影響既有線路的正常運營，嚴(yán)重的會造成既有鐵路破壞，引起無法預(yù)測的安全事故，造成不可估量的經(jīng)濟損失。因此，結(jié)合工程案例，基于線下基礎(chǔ)和線上軌道結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系，建立有限元模型分析盾構(gòu)下穿施工過程中軌道結(jié)構(gòu)的變形沉降規(guī)律，為高速鐵路的安全運行提供參考具有重要意義。

1 下穿施工有限元模型

1.1 模型假設(shè)

本文建立下穿施工模型時，參考某城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有高速鐵路路基地段案例，并對此進行以下簡化:

1)土體為呈水平分布的各向同性彈塑性材料，并忽略自重應(yīng)力;

2)不考慮盾構(gòu)下穿施工的時間效應(yīng)，認(rèn)為土體的沉降、軌道結(jié)構(gòu)的變形只和開挖步有關(guān)，忽略土體的固結(jié)和蠕變作用;

3)開挖中，對于被挖土體單元的處理，模型采用“生死單元”的方法，被殺死的單元視為“空氣單元”，彈性模量降為很低。

1.2 無砟軌道——路基

無砟軌道采用的是CRTSⅡ型板式結(jié)構(gòu)，模型自上而下主要包括鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層、底座板(見圖1)。路基上底座板寬2.95m，高0.3m;CA砂漿層寬2.55m，高0.03m;軌道板寬2.55 m，高0.29 m，除扣件采用線彈簧模擬外，其余各部件均采用實體單元(見表1)。

表1 無砟軌道各結(jié)構(gòu)參數(shù)

路基分為基床表層和基床底層兩部分，其中基床表層高0.4m，由級配碎石材料組成，基床底層高2.3m，由改良土組成。

圖1 無砟軌道模型

1.3 地基土體及襯砌

隧道左右兩側(cè)范圍內(nèi)的土體，選取范圍不小于5倍洞徑，取為130m，左右兩個隧道凈距5 m，土體深度35 m，盾構(gòu)隧道管片長度為1.2 m，隧道開挖長度取管片環(huán)的30倍，即36 m。模型尺寸為x×y×z=130 m×35 m×36 m。路基以及無砟軌道結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道正交。地基土體自上而下分為4層，即雜填土、粉細砂、中粗砂、粉質(zhì)粘土，采用 Drucker-Prager本構(gòu)模型，具體參數(shù)如表 2所示。

管片采用C40混凝土材料，密度為2 500 kg/m3，彈性模量為3.45×107MPa，泊松比0.167，寬1.2m，厚0.2m。

2 開挖過程中變形分析

2.1 左線隧道施工

本文擬雙線隧道埋深10 m，開挖直徑6.2m，左右兩隧道凈間距5m。整個過程分為13個開挖步，每個開挖步向前開挖6m，其中1～6為左線隧道施工、7～12為右線隧道施工，第13分析步為沉降最終穩(wěn)定。

圖2 左隧道施工中無砟道床垂向位移云圖

圖3 左隧道施工中地基土體垂向位移云圖

從圖2，圖3左隧道施工過程中無砟軌道和地基土體的垂向沉降云圖可以看出:

1)盾構(gòu)開挖造成隧道土體的擾動和卸載，引起隧道向圓心處收縮以及上方路基、線路結(jié)構(gòu)物的沉降，地基土體沉降峰值發(fā)生在開挖隧道正上方，路基土體最終沉降峰值發(fā)生在左隧道中心線上方。

2)地基土體和無砟軌道結(jié)構(gòu)都隨著開挖的進行，沉降值不斷增大;開挖過程中土層沉降槽面積不斷增大。

3)隧道下穿施工過程中需采取控制沉降變形的輔助措施來減小地層損失，尤其是高速鐵路下部基礎(chǔ)，否則會引起路基等不均勻沉降，增大列車與軌道間的動力響應(yīng)，增加線路的養(yǎng)護維修費用。

圖4 左隧道施工中鋼軌垂向位移

從圖4左隧道施工過程中鋼軌垂向位移曲線可以看出:

1)盾構(gòu)開挖引起的土層向圓心處收縮經(jīng)過上方路基、軌道結(jié)構(gòu)的傳遞后，鋼軌也發(fā)生跟隨性位移，其垂向位移峰值發(fā)生在左隧道中心線上方，最大達3.37mm。

2)隨著開挖的進行，鋼軌垂向沉降值不斷增大;沿著開挖方向，右軌因為先于左軌接觸開挖面，所以右軌的沉降比左軌大。

3)盾構(gòu)開挖斷面對鋼軌的橫向影響區(qū)域達到28 m左右，即隧道開挖直徑的4倍～5倍;兩軌在開挖過程中沉降速率先增大后減小，沉降差也先增大后逐漸減小趨于0，沉降差最大值發(fā)生在開挖面位于線路中心線正下方。

2.2 右線隧道施工

圖5 右隧道施工中無砟道床垂向位移云圖

圖6 右隧道施工中地基土體垂向位移云圖

圖7 右隧道施工中鋼軌垂向位移

從圖5～圖7右隧道施工過程中各結(jié)構(gòu)沉降云圖和鋼軌垂向位移曲線可以看出:

1)待左隧道貫通，右隧道開挖過程中，地基土體和軌道結(jié)構(gòu)的沉降值繼續(xù)增大，且隨著開挖的進行，之前逐漸穩(wěn)定的不均勻沉降又呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定趨勢。

2)右線隧道開挖過程中土層沉降槽面積不斷增大，盾構(gòu)開挖對鋼軌的橫向影響區(qū)域穩(wěn)定在30 m，即隧道開挖直徑的4倍～5倍。

3)待左線隧道貫通，右線隧道開挖過程中兩軌沉降峰值不斷從左隧道中心移至兩隧道中心線正上方，且兩軌沉降差、沉降速率均先增大后減小。

4)土層沉降峰值最終穩(wěn)定在隧道中心正上方，路基土體和鋼軌最終沉降峰值發(fā)生在兩隧道中心線上方，開挖后鋼軌沉降可達4.95mm，因此需要采取沉降控制措施減小基礎(chǔ)和鋼軌的沉降，工務(wù)部門要及時檢修線路，防止盾構(gòu)施工對列車運行造成危害。

3 開挖沉降控制措施

常規(guī)的變形控制分為兩種:主動控制和被動控制。主動控制就是在盾構(gòu)施工過程中，對盾構(gòu)的各種施工參數(shù)進行調(diào)整，根據(jù)地面沉降觀測結(jié)果來及時的調(diào)整施工參數(shù)，最終達到控制地面沉降的標(biāo)準(zhǔn);被動控制是根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生較大的沉降或者建筑物出現(xiàn)傾斜時，采取工后壓密地層或者采取建筑物糾偏等加固措施來恢復(fù)正常的施工措施。常見的沉降處理對策如下所示:

1)減小開挖推進中對圍巖的擾動:在施工中盡量減小對圍巖的擾動，保持盾構(gòu)線路平直圓滑，防止盾構(gòu)機發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橫向移動或蛇形運動，以減小推進過程中與圍巖間的摩擦阻力。

2)防止盾尾空隙沉降與地基隆起:首先，壁后注漿材料要根據(jù)圍巖狀況來選擇滲透性好的材料并優(yōu)先選擇固結(jié)強度大的材料;其次，壁后注漿盡量與盾構(gòu)推進同步;再次，要采取措施降低由二次注漿引起的地層沉降。

3)防止一襯的變形:為了防止襯砌管片的變形，在對接頭螺栓充分緊固的同時，要使用形狀保持裝置以保證管片的拼裝精度和管片的整體剛度。

4 結(jié)語

本文參考某城市軌道交通盾構(gòu)下穿既有高速鐵路路基地段工程案例，建立盾構(gòu)下穿既有高速鐵路線路各部件實體模型，對施工過程進行模擬，并對盾構(gòu)開挖過程中軌道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律進行了探討，結(jié)論如下:

1)盾構(gòu)施工會擾動周圍土體，引起土層向圓心處收縮，經(jīng)過上方路基、軌道結(jié)構(gòu)的傳遞后，鋼軌也發(fā)生跟隨性位移，盾構(gòu)施工過程中，軌道垂向變形會不斷增大，在盾構(gòu)開挖完畢后逐步趨于穩(wěn)定并達到最大值，最大值發(fā)生于兩隧道中心線正上方，并且沉降曲線符合高斯曲線分布。

2)盾構(gòu)開挖面位于鐵路線路中心線正下方時，軌道沉降變形速率和兩軌沉降差達到最大值，通過線路中心線后其值會逐漸減小。雙線隧道貫通后，上部高速鐵路軌道仍會存在一定的橫向變形。

3)盾構(gòu)開挖斷面對鋼軌的橫向影響區(qū)域達到隧道開挖直徑的4倍～5倍，開挖過程中土層沉降槽面積不斷增大。

4)單條隧道開挖過程中，兩軌沉降峰值均發(fā)生在該隧道中心正上方，待另一條隧道開挖過程中，兩軌沉降峰值不斷從該隧道中心移至兩隧道中心線正上方。

5)隨著開挖的推進，軌道結(jié)構(gòu)層間會存在沉降差，誘發(fā)沉降曲線波谷位置出現(xiàn)離縫趨勢，輪軌反復(fù)沖擊作用會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生周期性“拍打”現(xiàn)象，加快層間離縫的發(fā)展，影響軌道的使用壽命。

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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 瓊(1982-)，男，工程師