葛 安 祥

(青島市市政工程管理處，山東 青島 266022)

1 概述

隧道下穿鐵路引起的鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道結(jié)構(gòu)和道床的破壞，對(duì)鐵路運(yùn)營安全也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。國內(nèi)對(duì)隧道在粘土、砂土、軟土等地層中盾構(gòu)下穿鐵路引起的地表位移及控制技術(shù)已經(jīng)研究很多[1-4]，然而盾構(gòu)在軟巖地層中下穿鐵路的研究和工程實(shí)例較少。本文結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，初步得出該類工程施工引起鐵路線路沉降規(guī)律，為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

2 工程概況

膠濟(jì)鐵路東起青島西止?jié)希?904年建成通車，2006年電氣化改造后，膠濟(jì)鐵路全線共設(shè)各類車站35個(gè)站，線路全長約393 km，為客貨共線，是山東境內(nèi)聯(lián)結(jié)沿海與內(nèi)陸的主要鐵路干線之一。

青島地鐵8號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間在里程左DK9+494.606～左DK9+499.688，右DK9+497.099～右DK9+502.142處下穿膠濟(jì)鐵路。盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路施工為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

3 盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路的數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

為預(yù)測(cè)在嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鐵路的影響，采用三維數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程進(jìn)行了模擬分析。使用MIDAS GTSNX(版本號(hào)270)建立的整體模型如圖1所示，盡量消除邊界效應(yīng)的影響。計(jì)算模型沿鐵路線路方向40 m，垂直線路方向65 m，模型高35 m。雙線隧道頂部距離鐵路路基頂約16 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加水平位移約束，模型表面為自由邊界。土體采用硬土模型模擬。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算中按照盾構(gòu)設(shè)計(jì)推進(jìn)參數(shù)，先進(jìn)行左線掘進(jìn)、后進(jìn)行右線掘進(jìn)。數(shù)值計(jì)算中盾構(gòu)掘進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)模擬刀盤開挖，管片拼裝等完整施工過程。盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)鐵路路基變形的影響如下。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，左線下穿段施工完成后，鐵路路基最大沉降發(fā)生在左線正上方位置，最大沉降量為1.95 mm，如圖2所示。

右線下穿完成后，鐵路路基沉降量繼續(xù)增大，最大沉降量發(fā)生在左、右線中間位置，軌道最大沉降量2.80 mm，如圖3所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，盾構(gòu)下穿會(huì)引起鐵路路基沉降，對(duì)鐵路運(yùn)營存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但如果合理控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)連續(xù)施工的前提下可基本滿足鐵路軌道變形要求。

4 Peck法沉降估算

工程中普遍采用的經(jīng)驗(yàn)公式基本是以Peck于1969年提出的盾構(gòu)隧道施工階段地面沉降估算公式為基礎(chǔ)的。它適用于埋深大、半徑小的隧道開挖。Peck認(rèn)為，在不排水情況下，隧道開挖所形成的地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積，假定地層損失在整個(gè)隧道長度不均勻分布，同時(shí)假定沉降槽的形狀為正態(tài)分布曲線，如圖4所示。隧道施工所產(chǎn)生的地表沉降分布的預(yù)計(jì)公式如下：

(1)

(2)

其中，S(x)為距離隧道中心x處地表沉降值；Smax為隧道中心線處地表最大沉降量；Vl為施工引起的單位長度地層損失；i為地表沉降槽的寬度系數(shù)，即自隧道中心至沉降槽曲線反彎點(diǎn)的距離，m。

沉降槽寬度系數(shù)i，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式求得：

(3)

其中，Z為地面至隧道中心深度，m；φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角。

按盾構(gòu)隧道正常施工時(shí)0.2%的地層損失率進(jìn)行計(jì)算，左線隧道先行掘進(jìn)施工，最大地面沉降位于左線隧道中心正上方，其值為1.62 mm，左線隧道施工完成，右線隧道施工對(duì)地面的影響累積后，其地面最大沉降出現(xiàn)在兩盾構(gòu)隧道施工的中間位置，最大沉降為2.92 mm。該計(jì)算結(jié)果與上述數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果接近，見圖5。

5 結(jié)語

結(jié)合數(shù)值模擬分析和理論計(jì)算，得出了以下結(jié)論：

1)采用Peck法進(jìn)行沉降估算，當(dāng)?shù)貙訐p失率按照0.2%進(jìn)行計(jì)算時(shí)得出的沉降結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果接近；

2)理論分析和數(shù)值模擬，可初步得出盾構(gòu)施工引起鐵路線路沉降規(guī)律，為后續(xù)工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。