◎程磊

引言：處于新構(gòu)建盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的右線隧道長度為2457 m，并且在里程SDK45+250.146～SDK45+295.146 這一范圍內(nèi)下穿既有鐵路路基。普鐵設(shè)有有砟軌道，運行時速可以達(dá)到160 km/h，屬于國家一級電氣化鐵路，其中鐵路路基包括表層和底層，厚度分別為4 m 和2 m。鐵路軌道面到區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的凈距離大概是26 m，比隧道直徑大了1 倍。左右線隧道的埋深有22 m，兩者的中心線距離為28 m。進(jìn)行隧道施工時，優(yōu)先選擇左線隧道，待左線隧道施工完成并停機后，再進(jìn)行掘進(jìn)右線隧道。

一、有限元模型構(gòu)建

本論文運用底層-架構(gòu)-實體三維模型（詳情見圖1 所示），巖土體使用的是摩爾-庫倫本構(gòu)。因為路基架構(gòu)與隧道兩者間的地點關(guān)系是相對而言的，將模型（圖1）的尺寸設(shè)置為：x×y×z=100 m×100 m×65 m，x 代表的是平行盾構(gòu)施工方向，y 代表的是垂直盾構(gòu)施工方向，z 代表的是地層豎向。樁界面參數(shù)中，法向剛度模量、剪切剛度模量、最終剪力的取值分別是250 000 kN/m3、25 000 kN/m3、150 kN/m2。左右隧道中心線之間相距28 m，隧道埋深22 m。優(yōu)先對左線隧道施工，施工完畢關(guān)停機器之后對有線隧道加以施工。盾構(gòu)隧道的內(nèi)外徑分別是5.5、6.2 m，注漿層的厚度為0.33 m，利用二維板殼單元來對盾殼與管片進(jìn)行模擬。另外，盾構(gòu)管片每環(huán)是1.5 m，千斤頂力為100 kN/m2，掘進(jìn)壓力與注漿壓力分別是120、150 kN/m2。

圖1 數(shù)值計算整體模型圖

二、計算結(jié)果分析

下表是路基總體在左線隧道（掘進(jìn)第1 到第5 步）和右線隧道（掘進(jìn)第6 到第10步）在不同掘進(jìn)步驟下的沉降數(shù)值。

表1 路基整體在不同施工步下的最大沉降值

根據(jù)表1 可以看出，盾構(gòu)隧道的施工會給路基整體的沉降值造成影響，伴隨施工的持續(xù)開展，沉降數(shù)值會逐步變大。左線隧道在開挖施工第1 步到第5 步的過程中，即從和路基間距20m 處到左線貫通這個期間，沉降槽逐步接近路基右端，左線貫通的情況下沉降槽的地點恰好處于左線隧道核心線的上面。

右線隧道在掘進(jìn)的第六步至第十步的時候，路基總體的沉降槽逐步由左線隧道中心線處朝右端靠近，當(dāng)掘進(jìn)至第十步的時候，也就是右線隧道貫通之后，沉降槽的地點恰在左邊隧道和右邊隧道中心線處的上面。路基整體沉降值在規(guī)定的10 mm 之內(nèi)。

1.路基橫向變形分析。以實際施工步驟為基礎(chǔ)，模擬盾構(gòu)隧道下穿路基，對盾構(gòu)隧道下穿施工給路基造成影響所產(chǎn)生的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析可得出：

（1）盾構(gòu)隧道在施工過程中，由于施工步驟不同，給路基造成的沉降影響也會有所不同。左線隧道與右線隧道自掘進(jìn)開始到貫通期間，路基的基測線所體現(xiàn)出的沉降特點近似。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)第二步的時候路基下沉到路基測線1 的位置，第4 步時的路基沉降達(dá)到了路基測線2，在這個過程中沉降大幅度增加，此是因為盾構(gòu)隧道掘進(jìn)作業(yè)，導(dǎo)致盾殼脫離盾尾，并且隧道周圍地層損失，從而出現(xiàn)了較大的建筑空隙。

（2）左線隧道掘進(jìn)第1 到第5 步的情況下路基測線1 的最高沉降數(shù)值是4.87mm，路基測線2 的最高沉降數(shù)值是4.97mm，這2 條測線最大沉降槽的地點均在左線隧道中心線的上面，大概呈現(xiàn)為對稱分布形態(tài)。在隧道右線掘進(jìn)的第6 到第10 步這一過程中，測線1、2 的沉降槽曲線都在向右側(cè)移動。路基測線1 和路基測線2 的最大豎向位移分別是8.11 mm 和8.29 mm，最大沉降槽地點在左線隧道與右線隧道中心線的上面，而且與Peck 曲線規(guī)律相一致呈現(xiàn)為對稱形態(tài)。兩條測線在貫通的過程中沉降的最高數(shù)值皆在路基10mm 的標(biāo)準(zhǔn)范疇內(nèi)，為此無需對路基實施增固作業(yè)。

2.路基縱向變形分析。根據(jù)以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩條測線在貫通過程中縱向沉降數(shù)值最高差值為0.18mm，證明路基縱向位移受盾構(gòu)隧道掘進(jìn)作業(yè)的影響十分有限。為深入剖析路基差異沉降的特征，利用路基測線1 和2 和隧道左右線的核心線、左右隧道中心線的交錯點對路基在不同掘進(jìn)步驟下的沉降情況加以深入剖析。隧道左右線掘進(jìn)過程中a、b、c、d、e、f 各個點順著盾構(gòu)發(fā)掘方向會形成下沉曲線。

（1）在左線隧道開挖過程中各交點的沉降都隨著開挖步驟的進(jìn)行而有所增加，開挖右線隧道時各交點的沉降規(guī)律和左線隧道的沉降規(guī)律相似。其原因是路基上的測點會受到盾構(gòu)隧道開挖掌子面位置與盾構(gòu)掘進(jìn)方向上豎向沉降值的影響，測點處沉降值會隨著盾構(gòu)隧道開挖掌子面離測點距離的增加而有所降低。相反，當(dāng)隧道開挖步驟不斷前進(jìn)時，掌子面離路基測點的距離會減少，路基測點的沉降值也會隨之增大。

（2）因為盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中的持續(xù)性沉降是土體塑性發(fā)生形狀變化所造成的，而且通常狀況下產(chǎn)生在盾尾完工后很長一段時間后，為此掘進(jìn)的沉降曲線一般情況下有著較為持久的沉降平穩(wěn)期。因為左線隧道從施工至貫通之后還要進(jìn)行右線的掘進(jìn)作業(yè)，模型的相對時間與距離都較短，各個點的長時間的連續(xù)沉降延續(xù)曲線時間都不會太長。

三、結(jié)論

本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有普鐵路基的工程實際背景為基礎(chǔ)，為保證既有鐵路線路的穩(wěn)定運用和安全運行，通過數(shù)值模擬分析來對盾構(gòu)隧道下穿掘進(jìn)導(dǎo)致的既有路基架構(gòu)造成的不良影響加以探究與仿真，為后期掘進(jìn)過程中采用恰當(dāng)、高效的安全舉措提供借鑒和參考。