盾构区间下穿既有线的影响分析

荀 亮 亮

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)



盾构区间下穿既有线的影响分析

荀 亮 亮

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

以某项目某段盾构区间下穿既有地铁U形槽结构为例，采用有限元分析方法，通过模拟盾构区间下穿U形槽结构的施工过程，研究了盾构区间穿越过程中对地铁U形槽结构的影响，根据分析结果采取有效的防治措施，确保了既有线的正常运营和新建工程的施工安全。

盾构区间，既有线，有限元分析，U形槽结构

近年来，随着轨道交通建设步伐的日益加快，轨道交通线网越来越交错复杂，于是，新建地下工程临近既有结构以及新建地下工程穿越既有结构成为了越来越普遍的现象。控制新建地下工程穿越既有结构时所引起的变形，确保既有结构的正常运营和新建工程的施工安全是轨道交通建设中的重、难点。

本文以某项目某段盾构区间下穿既有地铁U形槽结构为例，采用有限元分析方法，通过模拟盾构区间下穿U形槽结构的施工过程，研究盾构区间穿越过程中对地铁U形槽结构的影响。

1 工程概况

1.1 区间概况

区间采用盾构法施工，结构覆土厚度9.6 m～12.5 m，结构内径7.9 m，外径8.8 m，管片厚度0.45 m，盾构管片采用错峰拼装，管片分为7块(1块封顶块，2块邻接块，4块标准块)，环宽1.5 m。

盾构区间断面如图1所示。

1.2 地质概况

本工程沿线通过地区的第四纪覆盖层厚度一般在50 m～100 m，局部地区覆盖层厚度小于50 m。本工程地形由南向北逐渐升高，自然地面标高为37.66 m～46.65 m。表层为人工填土层，其下为新近沉积的粉土、粉质黏土、砂土地层，往下为第四纪全新世冲洪积的黏性土、粉土与砂土互层，再下为第四纪晚更新世冲洪积的以粗粒的圆砾卵石土夹砂土层为主，圆砾卵石土层之间夹厚度不等的黏性土、粉土层。本段区间主要穿越地层为④粉土、⑤卵石地层。

区间穿越范围内包含两层地下水，地下水类型为上层滞水(一)和层间水(四)。

上层滞水(一)：随季节、大气降水及地表水的补给变化而变化，分布呈无规律性，初勘仅钻孔QCCC50揭露稳定水位埋深在7.0 m，含水层主要为③层砂质粉土黏质粉土，位于区间结构上方。

层间水(四)：本工程初步勘察钻探揭露该层稳定水位埋深在24.40 m～29.70 m，稳定水位标高为12.15 m～19.27 m，含水层主要为⑦层卵石圆砾及其夹层及其以下地层，位于区间结构下方。

2 盾构区间下穿既有地铁U形槽结构风险工程相对位置关系

盾构区间下穿既有地铁U形槽结构。地铁U形槽为双线结构，处于高架和地下过渡区段；采用明挖法施工，土钉加固，现状设置有全断面的拱形保护外壳，下穿段地铁U形槽结构埋深6.8 m～7.85 m。区间结构顶与地铁U形槽结构底距离约4.9 m。

盾构区间下穿既有U形槽结构风险工程断面图见图2。

3 有限元分析

本工程采用有限元数值计算模型进行模拟计算(见图3)，考虑围岩与结构的共同作用、分步施工过程。计算程序采用MIDAS/GTS有限元分析软件，取60 m×45 m×45 m范围内对盾构区间下穿既有线U形槽结构进行三维计算。考虑本工程为大直径盾构近距离下穿U形槽，盾构施工前，在盾构穿越范围内采用深孔注浆加固U形槽结构底板下方3 m至盾构隧道底1 m范围内的土体，加固后土体无侧限抗压强度不小于0.3 MPa。

盾构区间与U形槽关系模型见图4。

3.1 左线盾构施工下穿U形槽结构

左线区间施工纵向步距根据盾构管片的环宽按照1.5 m进行开挖施工，计算结果如图5所示。

根据上述计算分析，当左线盾构区间恰好穿过U形槽结构时，U形槽结构产生的位移最大，盾构区间上方的土体沉降最大。

3.2 右线盾构施工下穿U形槽结构

右线区间施工纵向步距根据盾构管片的环宽按照1.5 m进行开挖施工，计算结果如图6所示。

根据上述计算分析，当右线盾构区间恰好穿过U形槽结构时，U形槽结构产生的位移最大，盾构区间上方的土体沉降最大。

U形槽竖向位移见图7，水平位移见图8，地面位移见图9。

4 结果分析

根据有限元计算结果，按照盾构区间左线先行于右线，且左、右线不同时下穿既有地铁U形槽结构的施工方案，当右线盾构区间恰好穿过U形槽结构时，隧道拱顶最大沉降为7 mm，U形槽底板最大竖向位移为1.55 mm，最大水平位移为0.6 mm，地面最大沉降为5.5 mm。

盾构区间在垂直下穿U形槽结构施工时，随盾构的推进，地面沉降及U形槽结构变形逐渐加大，结构最大变形发生在盾构开挖面的正上方。但根据以往盾构施工经验，盾构施工的工后沉降需采取二次注浆等措施控制。

根据计算结果可知，U形槽的沉降、附加应力等基本满足运营及受力要求，但还需根据检测评估结果确定合理的变形控制指标。

5 结语

通过有限元计算分析结果可知，盾构区间垂直穿越既有结构时，结构变形随盾构的推进变形逐渐加大，最大变形发生在盾构开挖工作面的正上方，结构产生的竖向位移大于水平位移。同时，在穿越前，提前对U形槽下方的土体进行加固处理，有效的减小了盾构穿越时对U形槽的影响。

建议后续类似工程施工时，及时布置测点，加强对既有结构的监控量测，调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，确保匀速、均衡、连续通过；选择合理的同步注浆和二次注浆浆液及注浆参数，及时进行同步注浆，填充管片与土体间的空隙；盾构通过后，根据监测结果，必要时从洞内采取径向注浆加固盾构隧道与管线间的土体。在近距离穿越时，应提前改良穿越区的土体，以满足沉降等要求。

[1] GB 50157—2013，地铁设计规范[S].

Analysis on the impact of shield interval under-crossing existing railway line

Xun Liangliang

(ChinaRailway5thSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Beijing102600,China)

Taking the U-shape groove structure of the shield interval under-crossing existing subway as an example, applying finite element analysis method, through simulating shield interval under-crossing U-shape structure construction process, the paper studies the impact of shield interval crossing process upon the subway U-shape groove, and adopts effective preventive measures according to analysis results. As a result, it guarantees normal operation of existing subway line and new-built engineering construction safety.

shield interval, existing railway line, finite element analysis, U-shape groove structure

1009-6825(2016)16-0188-02

2016-03-25

荀亮亮(1981- )，男，工程师

U455.43

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