盾构地铁隧道穿越既有铁路桥的沉降分析

于德海，舒娇娇，秦凯凯

(1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁 大连 116026；2.云南省建设投资控股集团有限公司，云南 昆明 650217)

随着我国城市化进程越来越快，地下工程开发规模与建设速度也日益加强，特别是能有效缓解城市交通压力的城市轨道建设。由于轨道交通大多分布于市内繁华区域，大型构筑物比较多，地下管道错综复杂，往往给建设施工带来不小的难度。盾构施工法因其具有适应性强、对周围影响小、高效等特点，在地铁工程中得到了广泛的应用。但在盾构施工过程中，不仅要注重盾构隧道本身的安全，还要考虑施工对周围环境的影响，当引起的周围地层变形超过一定程度时，将会对附近构筑物、建筑物的安全和使用造成严重影响。

周宁等[1]和张云等[2]对盾构隧道施工的理论公式进行了进一步推导；易宏伟等[3]探讨了盾构施工对软黏土的扰动机制；吕培林等[4]研究了软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律；郑宜枫等[5]研究了软土施工时超大直径水泥盾构对周围土体的影响；邓小鹏等[6]和王庆武等[7]研究了隧道施工过程中隧道岩爆的倾向性，进行了岩爆预测。张鹏[8]和朱合华等[9]在铁路隧道模拟中注重考虑了管片的影响。当前的研究主要集中在盾构施工对围岩的影响[3-9]和盾构掘进对邻近构(建)筑物的扰动[10-12]，而对盾构隧道穿越既有铁路桥的沉降研究较少。

本文以大连地铁2号线香沙路段为依托，采用三维有限元程序Midas及现场监测数据研究了盾构下穿铁路桥所造成的沉降影响。

1 工程概况

大连地铁2号线是大连市第一条建成运营的地铁线路，也是大连市第三条建成运营的城市轨道交通线路。香沙路段为盾构法施工，盾构段长度612.865 m(右线)，651.387 m(左线)，线间距29.1～36.0 m。铁路桥段地形起伏较大，地面高程13.28～19.97 m，地面分布有住宅区和道路，场地开阔，不平坦(图1)。铁路桥位于地铁隧道上方，右线隧道位于铁路桥外右侧10 m、竖向20 m处，左线隧道位于铁路桥内10 m、竖向20 m处。工程掘进隧道为圆形隧道，埋藏深度大约25 m，隧道外径为6.6 m，内径为5.8 m，衬砌管片厚度为0.5 m，管片宽度为1.3 m，衬砌管环由6个预制装配式管片组装而成。

图1 工程概况Fig.1 Engineering situation

2 数值模型的建立

2.1 数值模型

数值模型沿x、y、z三轴的计算尺寸分别为80 m×45 m×53 m。其中y轴代表掘进方向，x轴代表横断面，z轴代表竖向方向。所建模型中，上部为铁路桥面，两侧为桥台，实际隧道采用Mohr-Coulomb本构模型，平均埋深取13.6 m，距离桥面约19.6 m，隧道外径根据盾构机尺寸取为6 m。管片模型以实体单元模拟，宽1.3 m，厚0.5 m，采用弹性本构关系，见图2。

数值模型采用位移边界条件，上面为地表，可作为自由面；侧面限制x、y方向的位移；前后面限制y、x方向的位移；底面为固定边界，限制x、y、z方向的位移。

2.2 地质体参数

根据现场地质勘察报告，隧道上覆地质体分别为素填土、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩，到铁路桥下部，强风化岩部分变为粉质黏土，导致地层发生突然性的沉降，具体参数见表1。

2.3 施工过程模拟

隧道总长度为45 m，盾构从0 m掘进至45 m，每推进一环，即1.3 m后施加管片，掌子面与管片的间隔距离约5 m。土舱压力为0.45 MPa，沿y轴方向向前推进。在施工过程中，首先开挖地铁隧道右线，将隧道右线开挖完成后，再开挖左线隧道，如图3所示。

3 计算结果

3.1 地表沉降分布规律

由地表沉降监测可知，掘进初期地表沉降较小，即地表受到初期扰动，随着隧道盾构开挖的推进，隧道上部土体的平衡被打破，沉降逐渐增大，直到盾构开挖通过监测点一定距离，隧道上部土体不受到扰动，土体达到平衡，形成最终沉降。由此可以得出经历5个阶段的地表沉降规律，即初期扰动沉降、开挖面前部沉降、盾构机正上方沉降、盾构通过沉降、后期固结沉降，如图4所示。

图2 计算模型Fig.2 Numerical model

不同阶段地表沉降如图5所示。从图可以看出，地表沉降整体为一个凹槽形，即隧道中心线地表沉降大，隧道两边沉降较小，按隧道横截面轴线左右对称，符合地表沉降机理，并与现场监测数据一致；从地表沉降经历的5个历程分析，可以看出，地表沉降槽随着盾构机的不断推进而加深加宽，且其变化幅度是不均匀的。第一阶段沉降较小，为土层中应力重分布所产生的沉降，至第二阶段沉降明显加大，影响范围加宽，此处土体受到盾构机直接挤压，产生扰动，导致较大沉降，其余阶段随着盾构机的推进及支护的进行，沉降槽变化率逐步减小。

图6给出了隧道开挖20 m、40 m时的位移变化图。由图可知，距离开挖隧道越近，总体位移越大。盾构开挖小于20 m时，其沉降位移沿着横向与纵向都有扩展；当隧道开挖至40 m时，沉降位移主要沿着纵向扩展，横向扩展不太明显。

表1 各土层主要物理力学参数Table 1 Soil material parameters

图3 开挖模拟Fig.3 Excavation simulation

图4 地表沉降规律变化曲线Fig.4 Curve of the surface subsidence

图5 不同阶段地表沉降图Fig.5 Different stages of surface subsidence

图6 掘进20 m、40 m时位移云图Fig.6 Displacement of drilling of 20 m and 40 m

3.2 不同深度地表沉降分析

图7描述的是不同深度处地层的沉降量。如图所示，地表最大沉降量为6 mm；距离地表6 m处，底部为素填土，此处沉降量约为8.5 mm；距离地表11 m处，底部地层为全风化土，沉降量约为10.2 mm；距离地表17 m处，底部地层为中风化钙质板岩，最大沉降量约为14 mm。另外由图可以看出，由隧道开挖引起的上部土体沉降呈漏斗形，即隧道正上方沉降最大，两边沉降递减，沉降曲线基本对称，但地表右侧受右线隧道开挖影响，沉降量略大于左侧。从不同深度监测值可知，随着地层深度的增加，沉降量也逐渐增大，且越靠近隧道顶部，沉降量越大，这主要是由于围岩地层在隧道开挖后应力释放，且受到盾构机土舱压力、刀盘剪切力、摩擦力等复杂力的作用，使土体受到扰动产生沉降。

图7 不同深度地层沉降量Fig.7 Subsidence at different depths

3.3 铁路桥桥桩的沉降分析

由于模拟桥桩在土层中埋深为5～6 m，隧道距离地面约15 m，因此，桥桩底部处于隧道拱顶上，且桩身在破裂面之上，属于短桩范畴，故桥桩变形主要以土体的竖向沉降变形为主。

对距离右线隧道最近的第一列桥桩(QD01-01～QD01-07)进行模拟与监测，可以看出，实测沉降值都比模拟沉降值大，这是因为在实际工程中，铁路动荷载对地表有持续性的冲击作用，桥桩处在动荷载作用下，沉降较大，而在模拟计算中，将动荷载简化为静荷载，且部分岩土体参数可能偏高，故其沉降较小。

4 结论

(1)地表沉降经历了5个阶段，即初期扰动沉降、开挖面前部沉降、盾构机正上方沉降、盾构通过沉降、后期固结沉降。

(2)不同深度的上部土体沉降呈漏斗形，即隧道正上方沉降最大，两边沉降递减，沉降曲线基本对称，但地表右侧受右线隧道开挖影响，沉降量略大于左侧。

(3)桥桩底端处于隧道拱顶上，且整个桩身处于破裂面之上，桥桩变形主要以受土体作用而产生的竖向沉降变形为主。