土压平衡盾构下穿铁路沉降影响分析

葛 安 祥

(青岛市市政工程管理处，山东 青岛 266022)

1 概述

隧道下穿铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，不仅加大了轮轨间的冲击力，加速轨道结构和道床的破坏，对铁路运营安全也会产生严重影响。国内对隧道在粘土、砂土、软土等地层中盾构下穿铁路引起的地表位移及控制技术已经研究很多[1-4]，然而盾构在软岩地层中下穿铁路的研究和工程实例较少。本文结合理论分析和数值模拟，初步得出该类工程施工引起铁路线路沉降规律，为后续类似工程的设计、施工提供参考。

2 工程概况

胶济铁路东起青岛西止济南，于1904年建成通车，2006年电气化改造后，胶济铁路全线共设各类车站35个站，线路全长约393 km，为客货共线，是山东境内联结沿海与内陆的主要铁路干线之一。

青岛地铁8号线盾构区间在里程左DK9+494.606～左DK9+499.688，右DK9+497.099～右DK9+502.142处下穿胶济铁路。盾构下穿胶济铁路施工为一级风险源。

3 盾构下穿胶济铁路的数值模拟

3.1 模型的建立

为预测在严格控制盾构掘进参数的情况下，盾构掘进对铁路的影响，采用三维数值计算的方法对盾构掘进过程进行了模拟分析。使用MIDAS GTSNX(版本号270)建立的整体模型如图1所示，尽量消除边界效应的影响。计算模型沿铁路线路方向40 m，垂直线路方向65 m，模型高35 m。双线隧道顶部距离铁路路基顶约16 m。几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加水平位移约束，模型表面为自由边界。土体采用硬土模型模拟。

3.2 计算结果分析

计算中按照盾构设计推进参数，先进行左线掘进、后进行右线掘进。数值计算中盾构掘进设计参数模拟刀盘开挖，管片拼装等完整施工过程。盾构掘进对铁路路基变形的影响如下。

根据计算结果，左线下穿段施工完成后，铁路路基最大沉降发生在左线正上方位置，最大沉降量为1.95 mm，如图2所示。

右线下穿完成后，铁路路基沉降量继续增大，最大沉降量发生在左、右线中间位置，轨道最大沉降量2.80 mm，如图3所示。

根据计算结果，盾构下穿会引起铁路路基沉降，对铁路运营存在一定风险，但如果合理控制盾构掘进参数，保证盾构连续施工的前提下可基本满足铁路轨道变形要求。

4 Peck法沉降估算

工程中普遍采用的经验公式基本是以Peck于1969年提出的盾构隧道施工阶段地面沉降估算公式为基础的。它适用于埋深大、半径小的隧道开挖。Peck认为，在不排水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，假定地层损失在整个隧道长度不均匀分布，同时假定沉降槽的形状为正态分布曲线，如图4所示。隧道施工所产生的地表沉降分布的预计公式如下：

(1)

(2)

其中，S(x)为距离隧道中心x处地表沉降值；Smax为隧道中心线处地表最大沉降量；Vl为施工引起的单位长度地层损失；i为地表沉降槽的宽度系数，即自隧道中心至沉降槽曲线反弯点的距离，m。

沉降槽宽度系数i，可用以下经验公式求得：

(3)

其中，Z为地面至隧道中心深度，m；φ为隧道周围地层内摩擦角。

按盾构隧道正常施工时0.2%的地层损失率进行计算，左线隧道先行掘进施工，最大地面沉降位于左线隧道中心正上方，其值为1.62 mm，左线隧道施工完成，右线隧道施工对地面的影响累积后，其地面最大沉降出现在两盾构隧道施工的中间位置，最大沉降为2.92 mm。该计算结果与上述数值模拟计算结果接近，见图5。

5 结语

结合数值模拟分析和理论计算，得出了以下结论：

1)采用Peck法进行沉降估算，当地层损失率按照0.2%进行计算时得出的沉降结果与数值模拟分析结果接近；

2)理论分析和数值模拟，可初步得出盾构施工引起铁路线路沉降规律，为后续工程的设计、施工提供参考。