城轨矿山法近接对高铁盾构隧道变形影响研究

曲 强，睢忠强，王 婷，王 杨，彭 斌，魏 盼，刘建友

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；2.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

目前我国高速铁路网络不断扩展，相应的隧道数量不断累积，高速铁路隧道和其他建(构)筑物互相穿越的情况也越来越多，在工程的建设过程中，面临着一系列的技术问题，如高速铁路变形隧道控制标准.邻近高速铁路工程的风险管理.邻近高速铁路隧道变形预测.变形监测方法.邻近高速铁路隧道变形控制技术等难题。

已有不少学者[1-7]聚焦盾构隧道近接其他铁路或公路等工程的变形研究。而在城区的高速铁路，为了减少对地面空间的占用，高速铁路多以隧道的形式进入市区，如莞蕙城际铁路东莞市区的松山湖隧道主要位于城区内，全长38 km；运营开通的京张高铁北京五环路段内也采用隧道方式进城，而城区城市轨道交通路网密集，近接施工不可避免。城轨工程邻近高速铁路大直径盾构隧道沉降变形规律是目前研究的热点问题之一，现在鲜有报道的工程案例[8-10]，对近接工程影响高速铁路大直径盾构隧道的规律缺乏足够认识。因此，研究城轨近接施工对高速铁路大直径盾构隧道的影响，保障高速铁路隧道的安全，意义重大。

常规对于盾构隧道的模拟多视为均质圆筒，忽略实际中管片存在的各种接缝，使得实际得到的结果偏于保守[11]，带来了潜在的安全隐患或过度设计；轨道精细化建模已发展到一定程度[12-16]，而盾构隧道内轨道的精细化建模鲜有研究[17-18]，尤其是涉及到三维近接盾构隧道施工的非线性静力分析。建立城轨区间穿越盾构隧道时既有轨道的三维精细化模型，研究在超前大管棚和深孔注浆加固措施下的高铁盾构隧道管片.轨下预制仰拱结构及无砟轨道的变形响应。

1 工程概况

1.1 工程背景

北京地铁12号线下穿清华园盾构隧道段采用矿山法施工。地铁结构拱顶距盾构管片最近约1.6 m，既有盾构隧道尚在沉降期范围内，地铁穿越施工风险极大，穿越工程相对位置关系如图1所示。

图1 北京地铁12号线与京张高铁盾构隧道位置关系(单位：m)

大钟寺站站—蓟门桥站区间与清华园盾构隧道夹角84°，线路为东西走向，区间埋深25.4～32.6 m。考虑地铁结构与盾构隧道距离较近，在既有盾构隧道前.后10 m范围内施作管棚加固，新建区间结构拱顶90°范围采用φ180 mm大管棚(厚度Δt=12 mm)，管棚外插角α=1°～3°，环向间距300 mm，管棚总长L=32.5 m[19]。采用双液浆对隧道轮廓线外2.5 m范围内全断面进行深孔注浆加固，加固范围为京张高铁隧道前后17 m。

1.2 地质概况

穿越段地层从上到下依次为①1杂填土.④1黏土.④3粉细砂.⑥2粉土.⑦卵石-圆砾，矿山法区间隧道洞身位于⑦卵石-圆砾等粗颗粒地层，地层情况描述见表1。

表1 地层情况描述

2 数值计算模型

2.1 模型参数

计算采用ABAQUS有限元计算软件，建立三维实体模型，模拟地铁矿山法隧道下穿施工对既有京张高铁清华园盾构隧道结构的影响。数值模型如图2.图3所示。

图2 数值分析模型(单位：m)

图3 矿山法区间与清华园隧道相对位置关系

模型的尺寸为沿新建隧道方向长90 m，垂直隧道方向宽64 m，高60 m，离散单元数238 370个，节点数367 372。采用实体单元(C3D8R)模拟各土层.12号线注浆加固层.初期支护结构及清华园盾构管片，管棚采用桁架单元(Truss)。各土层.结构材料参数见表2.表3。

表2 土层材料参数

表3 结构材料参数

2.2 接触设置

忽略螺栓，轨道与预制仰拱现浇，两者不发生相对位移，预制仰拱和盾构管片螺栓连接，相对位置视为稳定。管片与围岩之间设为硬接触，摩擦系数为0.4；管片之间及预制仰拱之间为硬接触，切向摩擦系数为0.1[20]，轨道与预制仰拱及轨道部分之间设为绑定约束。

2.3 计算工况

考虑地铁开挖一次进尺2 m，施工工况共28步，主要工序为：工况10.工况13.工况22和工况28，各工况模拟情况见表4。

表4 计算工况

3 结果分析

3.1 初始状态模拟

模型中第1阶段为隧道施工的初始阶段，计算出土体及结构在自重作用下的位移场和应力场，运算结束后，反复多次提交计算，减小开挖卸载后的上浮，并形成初始应力场[21]，如图4所示。

图4 模型初始状态云图

3.2 地铁区间施工对既有盾构隧道竖向位移影响

3.2.1 盾构隧道竖向变形

从图5(云图采用特征线显示，下同)可以看出，工况10，地铁开挖对盾构隧道的影响尚未波及，具有较好的整体性，未发生错台，由于轨道及其自重作用下，整体竖向位移增大，拱顶处管片出现了一定的沉降，中部最大值为0.248 mm；工况13，管片底沉降最大达1.456 mm；紧接着工况22，沉降范围较上阶段增大，有向地铁双线隧道中部移动的趋势，沉降值增至2.011 mm，幅度变化了38.1%；工况28，地铁左线上方的盾构管片底沉降1.901 mm，同时右线上方对应位置沉降值减小到了1.884 mm。

图5 盾构隧道典型阶段竖向位移云图(单位：m)

选取典型施工阶段盾构隧道底部节点竖向位移随隧道中心距离绘制点线图，如图6所示，其中从数值看具有以下规律：工况10(-0.185 mm)<工况13(-1.032 mm)<工况28(-1.896 mm)<工况22(-1.998 mm)。

图6 盾构隧道典型阶段竖向位移曲线

从峰值出现的位置看：工况10盾构隧道产生的竖向位移与其他阶段相比数值较小，近似为一条水平线。工况13，峰值位于右线隧道上方，呈现单峰；工况22，峰值位置保持不变数值增大为1.998 mm，在左线正上方位置出现了一个小的峰值：高铁-1.498 mm。工况28在左右隧道的相应位置正上方盾构隧道拱底处出现了2个峰值，其中最大值位于左线一侧，为1.896 mm。

3.2.2 预制仰拱竖向变形

如图7所示，工况10，由于轨道及预制仰拱自重作用下，整体竖向沉降增大，中部预制仰拱结构出现了一定的沉降，最大值为0.629 mm；工况13，对应位置附近的右侧预制仰拱沉降数值达到1.544 mm；工况22，沉降范围扩展到地铁左线上方的预制仰拱，沉降值也增到了2.429 mm，幅度变化了57.3%；工况28，地铁左线上方的预制中仰拱的上部也对称出现了2.297 mm的沉降，同时右线上方对应位置的竖向变形减小到-2.284 mm，减幅为6.0%。

图7 预制仰拱典型阶段竖向位移云图(单位：m)

3.2.3 轨道竖向变形

如图8所示，工况10，由于轨道自重作用下，整体竖向位移增大，无砟轨道结构中部出现了一定的沉降，最大值为0.418 mm；工况13，右线轨道开挖位置附近的无砟轨道沉降达到1.642 mm，此时左线还未受到影响；工况22，沉降范围较上阶段增大，沉降值也增至2.188 mm，幅度变化了33.3%，左线钢轨部分位置出现明显沉降；工况28，地铁左线上方轨道也对称出现了2.086 mm的沉降，同时右线上方对应位置的竖向变形减小到2.058 mm，减幅为5.9%。

图8 轨道典型阶段竖向位移云图(单位：m)

如图9所示，从最值出现的位置看：工况10，最大值位于无砟轨道中部位置，这时轨道整体承受竖直向下的均布力，产生了类似梁的挠曲变形；工况13，最值位于右线隧道上方对应的无砟轨道处，呈现单峰，且右线轨道沉降大于左线；工况22，原有最值出现位置保持不变同时数值增大，在左线正上方位置出现了一个小的峰值：-1.553 mm。工况28最值位于地铁左右线中心处。施工完成后在左右隧道的相应位置出现了2个峰值，即“W”形，最大沉降值为2.142 mm，较前一阶段有小幅回落，这是由于两条沉降曲线叠加的结果。

3.3 地铁施工对既有线水平位移影响

3.3.1 盾构隧道水平变形

如图10所示，工况10，管片水平变形较小；工况13，对应位置的管片向掌子面移动了0.284 mm，而上方管片发生向内收敛位移，数值为0.328 mm；工况22，对应位置的管片向掌子面移动了0.388 mm，上方管片发生向内收敛位移，而地铁右线处管片向内收敛值为0.335 mm，增幅为0.21%；工况28，地铁左右线中心轴线上方高铁盾构管片均发生了收敛变形，最大值为0.266 mm。

图10 盾构隧道典型阶段水平位移云图(单位：m)

选取典型施工阶段高铁盾构隧道中部节点水平位移随盾构隧道中心距离绘制如图11所示的曲线，工况10，盾构隧道的整体变形较小，仅在两个端部发生了向开挖面方向的位移。工况13，隧道拱顶正上方的盾构管片产生向外变形，高铁盾构隧道其他部位则发生远离开挖方向的位移，呈现弓字形；类似的，工况22和工况28，在地铁左右线拱顶处的盾构隧道发生了向掌子面方向的位移，其他部分则相反。其中从数值看具有以下规律：工况10(-0.048 mm)<工况28(-0.258 mm)<工况13(-0.303 mm)<工况22(-0.317 mm)。

图11 盾构隧道典型施工阶段水平位移曲线

3.3.2 预制仰拱水平变形

如图12所示，工况10，预制仰拱整体发生远离开挖方向的水平位移。工况13，对应位置的预制仰拱向掌子面移动了0.338 mm。工况22，对应位置的预制仰拱向掌子面移动了0.368 mm。工况28，地铁左右线中心轴线上方预制仰拱均发生了向掌子面方向的移动，最大值为0.473 mm。

图12 预制仰拱典型阶段水平位移云图(单位：m)

选取典型施工阶段预制仰拱中部节点位移随隧道中心距离绘制点线图，如图13所示，工况10，地铁隧道尚未开挖至盾构隧道明显影响区域，预制仰拱整体向背离开挖区域移动，工况13，预制仰拱向开挖区域移动，且达到峰值0.282 mm；工况22，预制仰拱向开挖区域移动，且达到峰值0.317 mm；工况28，预制仰拱向背离开挖方向移动，且仰拱中心处的位移达到最大值0.098 mm。

图13 典型施工阶段仰拱水平位移曲线

3.3.3 轨道水平变形

如图14所示，工况10，高铁轨道整体发生了远离开挖方向的水平位移。工况13，对应位置的轨道左右线均向掌子面移动，且左线移动幅度较右线大，移动了0.368 mm。工况22，变形趋势同工况13，轨道水平移动了0.400 mm。工况28，此时，地铁左右线中心轴线上方高铁轨道均发生了向掌子面方向的移动，且左线较明显，数值最大值为0.210 mm。

图14 轨道各阶段水平位移云图(单位：m)

选取典型施工阶段各股钢轨水平位移随盾构隧道中心距离绘制如图15所示的曲线，工况10，高铁左右线钢轨发生了相反方向的运动：左线向开挖方向移动，右线向背离开挖方向移动，且左线移动幅度较大，但数值均小于0.1 mm。工况13，高铁双线钢轨均向开挖区域移动，且左线右股钢轨达到峰值0.347 mm。工况22，其上方的高铁轨道向开挖区域移动，且左线右股的水平位移达到峰值0.399 mm。工况28，高铁双线钢轨整体向背离开挖面移动，具体表现不同：高铁左线钢轨在距盾构隧道中心左右各10 m附近，水平位移分别达到局部区域的极值，而中部位移相对上一阶段保持不变0.142 mm，呈现双峰形状；高铁右线钢轨在距盾构隧道中心左右各20 m附近及盾构隧道中心处，水平位移分别达到局部区域的极值，且中部水平位移最大为0.143 mm，呈现三峰形状。

图15 典型施工阶段钢轨水平位移图

3.4 模型验证

3.4.1 清华园盾构隧道自动化监测布置

采用静力水准传感器对京张高铁盾构隧道进行自动化第三方监测复核，分别选取5个断面。如图16(a)所示，所在管节编号分别为：环770.环776.环780.环785.环790。基准点布设在环755。

每个隧道断面左右两侧拱腰处分别布设1个静力水准传感器，测点编号如图16(b)(以环770为例)，电信号采用串联形式连接。由于洞内无网络，因此从监测区域内引信号线至2号竖井。因监测区域至洞口处距离为1.5 km，需从基准点引着隧道管节编号环450，布置1个中继器增强信号，从环450至洞口处，布置1个采集箱，对隧道进行实时自动化监测。

图16 监测断面及自动化测点示意

3.4.2 监测数据和数值模拟计算结果对比

提取京张高铁清华园盾构管片左侧监测点数据并与数值模拟结果进行对比，如图17.图18所示，盾构管片左测点实际监测数据累计沉降最大值为2.25 mm，施工阶段数值模拟最大沉降为2.011 mm，误差为8.9%，模拟计算结果与监测值较为接近，此外，初始阶段都表现出上浮现象，之后阶段整体表现出沉降趋势，证明通过有限元软件模拟预测管片变形发展规律是可靠的。

图17 现场监测管片变形曲线

图18 数值模拟管片变形曲线

4 结论

以北京地铁12号线大钟寺站—蓟门桥站矿山法隧道区间下穿京张高铁清华园盾构隧道为背景，利用ABAQUS有限元软件模拟区间施工过程对既有隧道影响，并结合现场监测数据，分析在超前大管棚和深孔注浆加固下的高铁盾构隧道.预制仰拱及无砟轨道的变形响应，得到以下结论。

(1)从竖向位移看，工况10，盾构隧道.预制仰拱及轨道结构整体承受竖直向下的均布力，产生了类似梁的挠曲变形。工况13，最值位于右线隧道上方对应的盾构隧道处，呈现单峰，且右线轨道沉降大于左线；工况22，原有最值出现位置保持不变同时数值增大，在左线正上方位置出现了一个小的峰值。工况28，最值位于地铁左右线中心处。施工完成后在左右隧道的相应位置出现了2个峰值，即“W”形，较前一阶段有小幅回落，这是由于两条沉降曲线叠加的结果。

(2)从水平位移看，预制仰拱中心处的水平位移在工况10.工况13形状为“几”字形；而盾构隧道水平直径处的水平位移形状表现出类似竖向位移的特点；高铁右线钢轨在距盾构隧道中心左右各20 m附近及盾构隧道中心处，水平位移分别达到局部区域的极值，整体呈现三峰形状。

(3)数值模拟计算结果与监测数据相比误差为8.9%，验证了计算结果的相对准确性，可为同类工程提供参考。