分析地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性

2020-08-25程磊

经济技术协作信息 2020年23期

◎程磊

引言：处于新构建盾构隧道范围内的右线隧道长度为2457 m，并且在里程SDK45+250.146～SDK45+295.146 这一范围内下穿既有铁路路基。普铁设有有砟轨道，运行时速可以达到160 km/h，属于国家一级电气化铁路，其中铁路路基包括表层和底层，厚度分别为4 m 和2 m。铁路轨道面到区间隧道结构的净距离大概是26 m，比隧道直径大了1 倍。左右线隧道的埋深有22 m，两者的中心线距离为28 m。进行隧道施工时，优先选择左线隧道，待左线隧道施工完成并停机后，再进行掘进右线隧道。

一、有限元模型构建

本论文运用底层-架构-实体三维模型（详情见图1 所示），岩土体使用的是摩尔-库伦本构。因为路基架构与隧道两者间的地点关系是相对而言的，将模型（图1）的尺寸设置为：x×y×z=100 m×100 m×65 m，x 代表的是平行盾构施工方向，y 代表的是垂直盾构施工方向，z 代表的是地层竖向。桩界面参数中，法向刚度模量、剪切刚度模量、最终剪力的取值分别是250 000 kN/m3、25 000 kN/m3、150 kN/m2。左右隧道中心线之间相距28 m，隧道埋深22 m。优先对左线隧道施工，施工完毕关停机器之后对有线隧道加以施工。盾构隧道的内外径分别是5.5、6.2 m，注浆层的厚度为0.33 m，利用二维板壳单元来对盾壳与管片进行模拟。另外，盾构管片每环是1.5 m，千斤顶力为100 kN/m2，掘进压力与注浆压力分别是120、150 kN/m2。

图1 数值计算整体模型图

二、计算结果分析

下表是路基总体在左线隧道（掘进第1 到第5 步）和右线隧道（掘进第6 到第10步）在不同掘进步骤下的沉降数值。

表1 路基整体在不同施工步下的最大沉降值

根据表1 可以看出，盾构隧道的施工会给路基整体的沉降值造成影响，伴随施工的持续开展，沉降数值会逐步变大。左线隧道在开挖施工第1 步到第5 步的过程中，即从和路基间距20m 处到左线贯通这个期间，沉降槽逐步接近路基右端，左线贯通的情况下沉降槽的地点恰好处于左线隧道核心线的上面。

右线隧道在掘进的第六步至第十步的时候，路基总体的沉降槽逐步由左线隧道中心线处朝右端靠近，当掘进至第十步的时候，也就是右线隧道贯通之后，沉降槽的地点恰在左边隧道和右边隧道中心线处的上面。路基整体沉降值在规定的10 mm 之内。

1.路基横向变形分析。以实际施工步骤为基础，模拟盾构隧道下穿路基，对盾构隧道下穿施工给路基造成影响所产生的沉降变形规律进行分析可得出：

（1）盾构隧道在施工过程中，由于施工步骤不同，给路基造成的沉降影响也会有所不同。左线隧道与右线隧道自掘进开始到贯通期间，路基的基测线所体现出的沉降特点近似。盾构隧道掘进第二步的时候路基下沉到路基测线1 的位置，第4 步时的路基沉降达到了路基测线2，在这个过程中沉降大幅度增加，此是因为盾构隧道掘进作业，导致盾壳脱离盾尾，并且隧道周围地层损失，从而出现了较大的建筑空隙。

（2）左线隧道掘进第1 到第5 步的情况下路基测线1 的最高沉降数值是4.87mm，路基测线2 的最高沉降数值是4.97mm，这2 条测线最大沉降槽的地点均在左线隧道中心线的上面，大概呈现为对称分布形态。在隧道右线掘进的第6 到第10 步这一过程中，测线1、2 的沉降槽曲线都在向右侧移动。路基测线1 和路基测线2 的最大竖向位移分别是8.11 mm 和8.29 mm，最大沉降槽地点在左线隧道与右线隧道中心线的上面，而且与Peck 曲线规律相一致呈现为对称形态。两条测线在贯通的过程中沉降的最高数值皆在路基10mm 的标准范畴内，为此无需对路基实施增固作业。

2.路基纵向变形分析。根据以上分析结果可以发现，两条测线在贯通过程中纵向沉降数值最高差值为0.18mm，证明路基纵向位移受盾构隧道掘进作业的影响十分有限。为深入剖析路基差异沉降的特征，利用路基测线1 和2 和隧道左右线的核心线、左右隧道中心线的交错点对路基在不同掘进步骤下的沉降情况加以深入剖析。隧道左右线掘进过程中a、b、c、d、e、f 各个点顺着盾构发掘方向会形成下沉曲线。

（1）在左线隧道开挖过程中各交点的沉降都随着开挖步骤的进行而有所增加，开挖右线隧道时各交点的沉降规律和左线隧道的沉降规律相似。其原因是路基上的测点会受到盾构隧道开挖掌子面位置与盾构掘进方向上竖向沉降值的影响，测点处沉降值会随着盾构隧道开挖掌子面离测点距离的增加而有所降低。相反，当隧道开挖步骤不断前进时，掌子面离路基测点的距离会减少，路基测点的沉降值也会随之增大。

（2）因为盾构隧道建设过程中的持续性沉降是土体塑性发生形状变化所造成的，而且通常状况下产生在盾尾完工后很长一段时间后，为此掘进的沉降曲线一般情况下有着较为持久的沉降平稳期。因为左线隧道从施工至贯通之后还要进行右线的掘进作业，模型的相对时间与距离都较短，各个点的长时间的连续沉降延续曲线时间都不会太长。