張曉濤

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南鄭州 450001）

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，地鐵隧道施工穿越鐵路構(gòu)筑物的工程實(shí)例越來(lái)越多，下穿的構(gòu)筑物條件環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，危險(xiǎn)也隨之增大。綜合分析國(guó)內(nèi)各成功案例可發(fā)現(xiàn)幾類工程：①盾構(gòu)隧道下穿鐵路線路路基，多以預(yù)注漿加固路基、鋼結(jié)構(gòu)架空加固鐵道降低影響；②盾構(gòu)隧道下穿大跨徑鐵路橋梁，隧道距離鐵路橋樁臺(tái)較遠(yuǎn)；③暗挖法施工隧道近距離下穿鐵路橋梁。而關(guān)于盾構(gòu)隧道近距離下穿鐵路橋涵的成功案例較少。本文結(jié)合洛陽(yáng)地鐵工程實(shí)例，利用有限元數(shù)值模擬的方法分析盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路箱涵的影響規(guī)律。

1 工程概況

洛陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線啟明南路站～塔灣站區(qū)間隧道設(shè)計(jì)為兩分離盾構(gòu)法隧道，區(qū)間于CK20+600.00附近下穿焦柳鐵路，與鐵路線路的夾角約83°。其中焦柳鐵路框構(gòu)橋處區(qū)間結(jié)構(gòu)以上覆土約5.1m，水位深約12m。盾構(gòu)區(qū)間與鐵路軌面豎向凈距約19.7m，與焦柳鐵路框構(gòu)橋工程樁水平凈距最近約為4.06m，豎向凈距約5.1m。區(qū)間穿越的地層主要有黃土狀粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、卵石地層等。地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于卵石層中，埋深為9.2～13.1m。

2 模型設(shè)置

2.1 模型計(jì)算基本假定

（1）假設(shè)土體已經(jīng)進(jìn)行降水處理，不考慮滲流對(duì)開挖的影響，管片、注漿層和土體接觸緊密，無(wú)縫隙[1]。

（2）假設(shè)同種材料、同一土層均視為各向同性且質(zhì)量均勻，且假設(shè)土為彈塑性關(guān)系材料，管片襯砌以及注漿層為彈性關(guān)系材料。

（3）土體模型采用DP屈服準(zhǔn)則。

（4）初始應(yīng)力分析階段只考慮土體自重對(duì)隧道開挖的影響，不考慮雙線隧道在開挖過(guò)程中施工對(duì)土體工程性能的影響[2]。

2.2 計(jì)算模型及邊界條件

根據(jù)區(qū)間隧道與鐵路相互關(guān)系建立數(shù)值計(jì)算模型，模型邊界尺寸橫向x為100m，豎向y為50.7m，縱向z為60m。模型中盾構(gòu)管片及注漿參數(shù)以實(shí)際工程數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，厚度0.35 m，環(huán)寬1.5m，注漿層0.2m，隧道埋深6.2m。

模型邊界條件：對(duì)隧道軸線方向，模型前后兩面邊界施加縱向水平約束；對(duì)隧道橫向方向，模型左右兩面邊界施加橫向水平約束；對(duì)模型底面邊界施加豎向約束[3]。

2.3 地層、材料參數(shù)

根據(jù)啟塔區(qū)間土體的地質(zhì)特點(diǎn)，建模過(guò)程中將其分為五個(gè)均勻土層[4]。在計(jì)算模型中，土體材料的模擬均采用彈塑性關(guān)系材料[5]，參數(shù)參見《洛陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線啟明南路站～塔灣站區(qū)間詳細(xì)勘察階段巖土參數(shù)建議值表》進(jìn)行分析確定，取值見表1。

表1 土層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.4 開挖過(guò)程模擬

利用開挖面與盾尾之間的注漿層單元模擬盾構(gòu)機(jī)盾殼，模擬過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)每一步推進(jìn)兩個(gè)管片環(huán)寬[6]。具體實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）開挖一個(gè)管片寬長(zhǎng)度的隧道土體；

（2）賦予盾殼力學(xué)參數(shù)，模擬盾構(gòu)機(jī)對(duì)周圍土體的支撐作用；

（3）給開挖面施加土倉(cāng)壓力保持開挖面的穩(wěn)定平衡，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)，直到盾體全部進(jìn)入隧道。

用開挖步循環(huán)模擬盾構(gòu)隧道開挖過(guò)程，計(jì)算每一步內(nèi)土體、注漿層、管片系統(tǒng)的應(yīng)力、應(yīng)變，最后得到土層、管片的位移、應(yīng)力等重要數(shù)據(jù)分析邊界條件的影響。同時(shí)，開挖方向上設(shè)定一環(huán)襯砌長(zhǎng)度為1.5m，每襯砌2環(huán)為一個(gè)計(jì)算開挖步。

2.5 選取計(jì)算分析斷面

為了準(zhǔn)確得到洛陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線啟明南路站～塔灣站區(qū)間隧道的地表沉降特性以及施工對(duì)既有1號(hào)線的影響，選取4個(gè)典型觀測(cè)斷面，其中橫、縱分析斷面的具體分布位置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)斷面布置示意圖

3 啟塔區(qū)間施工擾動(dòng)特性分析

3.1 啟塔區(qū)間施工全過(guò)程地表監(jiān)測(cè)沉降分析

為了進(jìn)一步研究啟塔區(qū)間雙線隧道開挖地表縱橫向沉降特性，整理各監(jiān)測(cè)斷面在關(guān)鍵掘進(jìn)距離下的沉降值，繪制監(jiān)測(cè)斷面在不同掘進(jìn)距離下的變化曲線，圖2和圖3分別是左線、右線隧道中心線監(jiān)測(cè)斷面在不同掘進(jìn)距離下的沉降變化曲線。

圖2 左線隧道中心線豎向沉降曲線

圖3 右線隧道中心線豎向沉降曲線

由圖2可知，隨著左線掘進(jìn)距離的推進(jìn)，位于左線正上方的隧道中心線監(jiān)測(cè)斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值出現(xiàn)差異，但整體變化趨勢(shì)相似。在左線開挖過(guò)程中，隨著掘進(jìn)距離的推進(jìn)，位于掘進(jìn)已完成的隧道正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)大量沉降，位于未開挖完成的隧道上端監(jiān)測(cè)點(diǎn)則出現(xiàn)一定程度的隆起，隆起量在1.5mm以內(nèi)。如圖中左線隧道開挖30m時(shí)，在Z坐標(biāo)30m～-5m范圍內(nèi)均表現(xiàn)出沉降，在-5m～-15m范圍內(nèi)則出現(xiàn)了1mm左右的隆起，在-15m～-30m幾乎沒(méi)有豎向沉降，可以視為對(duì)其影響較小。同時(shí)，待左線貫通時(shí)該監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值達(dá)到最大，最大沉降值出現(xiàn)在該監(jiān)測(cè)斷面中部位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為9.671mm。在此之后，隨著右線隧道的開挖，由于地層上隆的疊加，左線中心線監(jiān)測(cè)斷面的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降逐漸減小，減小的量值隨著右線開挖的部位不同而有所差異，該監(jiān)測(cè)斷面的最大沉降量仍然位于左線隧道中間部位的正上方，待雙線貫通后，該監(jiān)測(cè)斷面的最大沉降值為7.173mm。由此可知，啟塔區(qū)間右線的開挖使得縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)上隆了2.498mm，占雙線隧道開挖影響的25.83%，因此，左線的開挖對(duì)該監(jiān)測(cè)斷面的影響十分明顯，但也不能忽略右線開挖的影響，在隧道施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該段左線隧道中心線的監(jiān)測(cè)。

由圖3可知，右線隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化歷程與左線隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)類似，整個(gè)過(guò)程的變化規(guī)律也有相同之處。在隧道左線開挖過(guò)程中，位于右線隧道上方的監(jiān)測(cè)斷面產(chǎn)生較小上隆，隨著掘進(jìn)距離的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)段上隆量值逐漸增大，隨著開挖部位的不同而出現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的不均勻上隆。當(dāng)左線開挖至18m時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面x=15m～5m的變化率逐漸減小，表明在左線開挖18m處對(duì)區(qū)域15m～5m的影響最大。在左線貫通后，該監(jiān)測(cè)斷面的上隆量最大，達(dá)到2.262mm。隨著右線開挖的進(jìn)行，右線隧道中心線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化與左線監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化類似，其中位于掘進(jìn)已完成的隧道正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)大量沉降，位于未開挖完成的隧道上端監(jiān)測(cè)點(diǎn)則出現(xiàn)一定程度的隆起。雙線隧道貫通后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降趨于穩(wěn)定，最大沉降值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)斷面中間部位，量值達(dá)到7.173mm。由此可知，啟塔區(qū)間右線開挖使得右線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降增加了9.435mm，占雙線隧道開挖影響的76.02%，因此，右線監(jiān)測(cè)斷面受右線隧道開挖影響較大，在新建隧道的施工過(guò)程中，要加強(qiáng)左右中心線監(jiān)測(cè)斷面的監(jiān)測(cè)。

圖4、圖5為橫向監(jiān)測(cè)斷面1和橫向監(jiān)測(cè)斷面2在不同掘進(jìn)距離下的沉降變化曲線。

圖4 橫向監(jiān)測(cè)斷面1豎向沉降曲線

圖5 橫向監(jiān)測(cè)斷面2豎向沉降曲線

從圖4可知，隨著開挖面的前移，出現(xiàn)顯著的時(shí)空效應(yīng)，地表土體豎向沉降最大值逐漸增加。盾構(gòu)開挖面到達(dá)橫向監(jiān)測(cè)斷面1，該處地表產(chǎn)生沉降，隨著盾構(gòu)開挖面推進(jìn)，沉降趨于穩(wěn)定，沉降區(qū)域?yàn)樽缶€隧道上方地表處，左線開挖時(shí)地表沉降分布形態(tài)呈“U”型，地表最大沉降9.250mm，位于左線隧道中心的正上方。盾尾脫出測(cè)線所在橫斷面后，地表以左線隧道中心線為軸線產(chǎn)生對(duì)稱分布的沉降槽，隨著盾構(gòu)不斷推進(jìn)，沉降槽逐步加寬加深，并在盾構(gòu)完全穿越路基后趨于穩(wěn)定[7]。

隨著右線盾構(gòu)臨近分析斷面1，地表豎向位移表現(xiàn)為隆起的趨勢(shì)。隨著右線盾構(gòu)穿越鐵路框架箱涵，最大沉降值點(diǎn)由左線隧道中心線逐漸移動(dòng)到兩線中間線附近，且在左右線中間線附近匯聚形成更大更深的沉降槽。左線盾構(gòu)隧道拱頂上方地表沉降值最大為6.241mm，小于地表沉降控制值30mm，滿足施工安全要求。

僅左線開挖時(shí)地表沉降呈“U”型分布，左右線開挖完成后地表沉降變?yōu)椤癢”型。從總體分析，雙線隧道開挖橫向監(jiān)測(cè)斷面的主要沉降區(qū)域位于-30m～30m處，在施工過(guò)程中應(yīng)作為主要監(jiān)測(cè)區(qū)域。

由圖5可知，橫向監(jiān)測(cè)斷面2與監(jiān)測(cè)斷面1的變化歷程相同。

3.2 鐵路樁基及框架箱涵變形分析

3.2.1 鐵路框架箱涵變形分析

地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工過(guò)程對(duì)既有框架涵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加變形，分析典型步序下框架涵結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 典型開挖步序下框架涵豎向位移云圖

從圖6a）可以看出，左線隧道開挖過(guò)程中，框架涵受影響產(chǎn)生了豎向位移，當(dāng)盾構(gòu)開挖至30m時(shí)，框架箱涵已經(jīng)產(chǎn)生了豎向沉降，其左側(cè)框架底部出現(xiàn)豎向位移，量值達(dá)到10.208mm。

隨著盾構(gòu)掘進(jìn)地層損失的疊加，開挖過(guò)程中框架涵的最大沉降不斷減小，左線貫通后隧道中心線上方箱涵底板處最大沉降9.872mm。右線盾構(gòu)下穿框架箱涵時(shí)，最大豎向沉降變形值為9.503mm，隨盾構(gòu)掘進(jìn)地層損失的疊加，右線貫通后最終沉降值為7.349mm。最大變形部位位于左側(cè)框架的底板處，框架箱涵結(jié)構(gòu)受盾構(gòu)施工影響范圍增大[8]。

3.2.2 鐵路樁基變形分析

地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工過(guò)程對(duì)鐵路樁基產(chǎn)生一定的附加變形，分析典型步序下各樁基的豎向變形，樁基在典型開挖步序下的豎向位移云圖如圖7所示。

圖7 典型開挖步序下樁基豎向位移云圖

從圖7可以看出，在左線隧道開挖過(guò)程中，路基產(chǎn)生了豎向位移，當(dāng)盾構(gòu)左線掘進(jìn)30m時(shí)，距離左線最近的樁基受到的影響最大，其最大上隆量為3.065mm，其余樁基隨距離增加影響減小。左線貫通后樁基的最大上隆量為3.470mm，最大上隆量位于最靠近左線的樁基底部，各樁基豎向位移的差異沉降為3.125mm。雙線貫通后樁基最大上隆量達(dá)到4.282mm，各樁基豎向位移的差異沉降為2.607mm。最大變形部位在最靠近兩隧道的樁基底部[9]。

4 結(jié)論與建議

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表沉降的影響范圍主要分布在雙線隧道中間位置兩側(cè)的一定范圍內(nèi)，單線貫通路基沉降形態(tài)呈“單谷曲線”，雙線貫通后，路基沉降呈“雙谷曲線”；最大沉降位置均在隧道中心軸線正上方。路基沉降隨隧道埋深增大呈“單谷曲線”，最大沉降移至雙線中間位置[10]。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)框架箱涵的影響主要在掘進(jìn)隧道的中心線位置，隨著隧道掘進(jìn)地層損失疊加，沉降值減小，雙線貫通后影響范圍將擴(kuò)大。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)樁基結(jié)構(gòu)物的影響也隨著樁基與隧道距離的減小逐漸增大，隧道的埋深未超出樁基深度，盾構(gòu)的掘進(jìn)對(duì)樁底豎向位移、不均勻變形等方面存在較大影響。

建議在盾構(gòu)掘進(jìn)到鐵路箱涵時(shí)對(duì)相關(guān)構(gòu)筑物及周邊地層進(jìn)行加固，可對(duì)控制隧道開挖引起的地表沉降、上部橋梁等結(jié)構(gòu)物變形產(chǎn)生重要作用。