鄧曉飛 解冰冰

隨著城市軌道交通工程的快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道施工不可避免的需要穿越既有建筑物，降低盾構(gòu)穿越施工引起的地層響應(yīng)，對維持既有建筑物的穩(wěn)定至關(guān)重要。本文依托合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程，采用MIDAS-GTS有限元分析軟件，分析了盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基引起的地層變形特征，提出了相應(yīng)的地表沉降控制方法，研究成果可為相關(guān)工程提供借鑒。

隨著我國城市建設(shè)水平的快速推進，城市軌道交通扮演著越來越重要的角色，而盾構(gòu)法廣泛應(yīng)用于相關(guān)隧道工程的修建。隨著地表建筑物數(shù)量日益增多，盾構(gòu)隧道近距下穿既有建筑物的情況不可避免，而掘進施工誘發(fā)的地表沉降對既有結(jié)構(gòu)影響顯著。因此，準確評估盾構(gòu)下穿施工引起的地層變形規(guī)律，提出相應(yīng)的控制措施，能夠有效降低施工擾動對既有結(jié)構(gòu)的影響。

本研究以合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線與合寧繞行線鐵路工程為依托，采用MIDAS-GTS軟件，建立三維有限元模型，分析盾構(gòu)下穿鐵路施工引起的地層變形規(guī)律，并改進peck沉降計算公式，研究成果可為相關(guān)工程提供參考依據(jù)。

一、工程概況

1.下穿區(qū)間

合肥地鐵2號線東延線工程于三十埠站至護城路站區(qū)間隧道下穿三十埠跨淮南鐵路橋和淮南線與合寧繞行線鐵路路基。區(qū)間縱斷面整體呈V型坡，出三十埠站后設(shè)4段下坡，分別為28‰、5‰、20‰、5‰，到達線路最低點；之后設(shè)置3段上坡，分別為3.66‰、15‰、25‰，進入護城路站。穿越地層主要為不透水硬塑狀黏土層。

區(qū)間線路長1841.943m（右線），線間距10～28米，隧道埋深約9.6～28m。隧道整體采用盾構(gòu)法施工。

2.隧道位置關(guān)系

區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的位置關(guān)系如圖1所示，地鐵區(qū)間線路為東西走向，鐵路為西北-東南走向，區(qū)間隧道與鐵路法線夾角約43°。在下穿范圍內(nèi)，地鐵左右線的線間距約為10m，隧道與路基豎向距離24.3m。

圖1 道岔與區(qū)間隧道相對位置圖

3.水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道主要穿越土層為少水硬塑狀黏土，層位穩(wěn)定，連續(xù)，層厚較大，一般厚30～35m。

4.隧道結(jié)構(gòu)尺寸

盾構(gòu)圓形隧道限界為Φ5400mm，根據(jù)國內(nèi)相似地鐵工程盾構(gòu)隧道穿過軟弱地層已有的設(shè)計、施工及運營經(jīng)驗，考慮綜合施工誤差為±100mm，后期沉降50mm，襯砌環(huán)內(nèi)徑可采用Φ5500mm的襯砌環(huán)內(nèi)徑。

二、數(shù)值模擬分析

1.假設(shè)條件

計算分析采用MIDAS GTS軟件構(gòu)建數(shù)值模型，主要假設(shè)如下：

（1）假定開挖地層各向同性且連續(xù)均勻分布，土體采用修正Mohr-Coulomb模型。

（2）盾構(gòu)、管片以及基坑圍護結(jié)構(gòu)均采用板單元，用線彈性材料模擬。

（3）忽略地下水的滲流作用

（4）模型四周邊界采用單向鉸支約束，下表面采用三向鉸接約束，上表面為自由面。

（5）先進行開挖，再以原場應(yīng)力20%的標準進行應(yīng)力釋放，然后施加支護并釋放剩余應(yīng)力，同時添加地面活荷載20kPa與軌道荷載70kPa。

2.計算參數(shù)

盾構(gòu)下穿淮南線（合寧繞行線），綜合采取加強盾構(gòu)外壁與土體之間間隙的注漿（特殊漿液）、控制掘進速度，同步注漿及其他措施，地層損失率可進一步降低，計算分析中采用5‰的地層損失率來計算，考察盾構(gòu)隧道施工對鐵路普速路基及道岔區(qū)的變形影響。

本次計算分析結(jié)合合肥地層及施工經(jīng)驗，選擇適用于合肥地層典型的地層損失率，對盾構(gòu)施工的影響進行三維分析。應(yīng)力釋放系數(shù)在開挖階段選取0.2，拼裝盾構(gòu)管片完成階段選取0.8。主要的土體材料見表1。

表1 材料參數(shù)

3.模型尺寸

模型采用GTS NX模塊進行三維分析，分析部參照實際開挖步序。有限元模型如圖所示，模型長、寬、高分別為270m×1250m×60m。模擬過程按照先開挖左線隧道，后開挖右線隧道的順序展開，隧道模型整體穿越既有鐵路路基，其他相關(guān)風險源進行著重選取，模型詳見圖2。

圖2 區(qū)間隧道下穿淮南線與合寧繞行線三維模型

4.計算結(jié)果

（1）地層沉降分析

區(qū)間隧道施工后的地層變形及路基云圖如圖3、4、5所示：

圖3 水平位移云圖

圖4 垂直位移云圖

圖5 淮南線及合寧繞行線路基沉降云圖

經(jīng)計算結(jié)果可知，淮南線與合寧繞行線路基最大豎向位移5.12mm，水平位移0.348mm；鐵路路基坡腳沉降值為3.5mm，滿足安全要求。北側(cè)道岔（8號道岔） 最大沉降0.923mm，南側(cè)道岔（4號道岔）最大沉降 0.428mm；接觸網(wǎng)立柱最大沉降為3.465mm，最大差異沉降為1.265mm，均滿足控制要求。

（2）地層變形分析

為了進一步分析盾構(gòu)施工在一定范圍內(nèi)對鐵路路基產(chǎn)生影響，結(jié)合樹脂分析結(jié)果繪制沉降曲線。通過路基沉降曲線可知，盾構(gòu)開挖在距離路基40m左右的位置開始對鐵路路基產(chǎn)生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置影響幾乎為零。

三、工程技術(shù)措施與建議

1.嚴格控制地層損失

根據(jù)模擬結(jié)果可知，盾構(gòu)區(qū)間隧道施工過程中地層損失率控制在0.4%～0.5%以內(nèi)時能夠有效降低地層變形對既有鐵路線及相關(guān)建筑物的影響。

2.管片預(yù)留注漿孔

盾構(gòu)隧道穿越段沿管片環(huán)向增設(shè)二次補償注漿孔，根據(jù)實際的監(jiān)測結(jié)果按需求及時開展二次補充注漿。如果需要增強注漿效果，可通過在周邊地層預(yù)設(shè)注漿孔對周邊土體進行注漿加固，以此達到控制土體沉降與變形。

3.適當限速

列車限速60km/h，減速慢行。并根據(jù)鐵路線路監(jiān)測數(shù)據(jù)實時變化情況及時調(diào)整列車通行速度。

4.加強線路養(yǎng)護

施工期間，防護人員加強養(yǎng)護措施，及時檢查線路狀況，出現(xiàn)異常時能夠立即采取控制措施。

5.施工監(jiān)測

為了確保盾構(gòu)推進的安全性，在盾構(gòu)穿越既有鐵路線時必須進行實時監(jiān)測。對于盾構(gòu)施工中沉降量變化幅度較大部位，根據(jù)實際情況提高監(jiān)測頻率，確保監(jiān)測結(jié)果的準確性。

四、結(jié)語

本文依托合肥地鐵2號線盾構(gòu)隧道下穿淮南線及合寧繞行線工程，采用數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)施工誘發(fā)的地層變形特征，提出了工程控制措施，主要結(jié)論如下：

（1）盾構(gòu)隧道施工階段數(shù)值模擬采用5‰的地層損失率進行計算對鐵路路基及道岔區(qū)的變形影響，采用開挖荷載釋放0.2，拼裝盾構(gòu)管片荷載釋放系數(shù)0.8，結(jié)果表明地表位移計算值與沉降值接近，參數(shù)擬合合理。

（2）運用GTS NX模擬隧道開挖，通過路基沉降曲線發(fā)現(xiàn)，距路基40m位置開始對路基產(chǎn)生影響，在離開鐵路路基40m左右的位置幾乎無影響。

（3）通過采取一系列控制措施，使施工達到盾構(gòu)穿越鐵路變形控制的要求，使沉降在安全范圍之內(nèi)，在不影響周圍構(gòu)筑物的前提下保證施工順利進行。