盾构隧道施工对临近既有线沉降影响的数值分析

屈克军

摘 要：确保临近既有线的运营安全是新建隧道施工的关键问题之一。针对某新建城际铁路双线盾构隧道存在多次临近既有京广线施工的复杂情况，基于合理假定条件，采用数值分析方法全面模拟计算了新建隧道临近并行既有线、下穿单线和下穿多线等关键施工过程中盾构掘进对临近既有线沉降的影响，对比分析了拟采用的施工措施对既有线沉降的控制效果，为保障临近既有线的运营安全奠定了理论基础。数值分析结果表明：临近并行和下穿单线施工时，可分别采用隔离桩保护和注浆加固地层的处理措施控制地表沉降且效果较好;下穿多线施工时，列车荷载对地表沉降的影响较大，考虑列车荷载后盾构施工诱发的地表沉降最大值由0.44 mm增大至1.32 mm，盾构穿越宜在无列车行驶时进行。

关键词：盾构隧道;临近施工;既有线;沉降;数值模拟;控制措施

中图分类号：U455.43

文献标志码：A

近年来，我国城市地下轨道交通得到了快速发展，轨道线路密度的逐渐增大，新建盾构隧道临近既有构筑物施工的现象极为普遍且难以避免。隧道开挖过程即为土体卸载过程，同时伴随着隧道周边地层的应力释放和位移释放过程，由此新建隧道施工对周边地层造成扰动诱发地表变形，过大的地表变形危及临近既有线结构安全，从而对既有线的运营安全造成重要影响[1-3]。确保既有线的运营安全已成为新建隧道临近施工所要解决的关键问题之一。

目前学者们及工程师们针对铁路隧道盾构施工对临近既有线安全影响问题开展了大量的研究及分析工作。阮雷[4]等通过数值模拟计算，针对武汉地铁区间盾构隧道下穿合武铁路工程，分析了埋深以及底层加固对既有线路基沉降的影响。丁智[5]等依托杭州地铁4号线穿越1号线工程，通过数值模拟分析了隧道间净距以及角度对既有线变形以及衬砌内力的变化规律。蔡向辉[6]通过建立轨道路基下穿隧道有限元模型分析了盾构施工与列车运行之间的相互作用。马文辉[7]、白廷辉[8]等针对盾构下穿既有地铁线提出了相关盾构施工参数经验。朱红霞[9]、王立新[10]、杜明芳[11]等分别在软土地层、黄土地层和大粒径卵石地层中开展了盾构下穿既有线的相关分析工作。

综合前述成果，在盾构近距离施工对既有线安全影响领域的研究中，数值计算是主要手段，施工参数、施工控制措施和特殊土层下的影响规律是主要研究内容，此外新建隧道与既有线的相对位置关系总体较为单一，基本为一次或两次穿越，对可能出现的新建隧道多次临近既有线施工的复杂情况却鲜有涉及。事实上，若出现前述复杂情况，新建隧道的施工难度、既有线的变形控制难度以及施工风险大增，对隧道建设者考验极大。本文以某新建城际铁路双线盾构隧道先后10次下穿既有京广线为项目背景，以既有线沉降作为控制目标，采用数值分析方法全面分析了新建盾构隧道临近并行既有线、下穿单线和下穿多线等关键过程中盾构施工对临近既有线沉降的影响。

1 项目概况

长株潭城际铁路树木岭隧道全长12 860 m，采用左右双线设计。该隧道包括四个车站、隧道进出口和DK8+902.5—DK9+743洞身三段明挖段、两个盾构机工作井和三段盾构、三段暗挖区间，其中盾构区间总长约为6.6 km。隧道盾构区间采用土压平衡式盾构施工，盾构机直径为9.33 m，两隧道中线间距为18 m。盾构管片的砼强度等级为C50，其主要几何尺寸为外径9.0 m，内径8.1 m，厚为0.45 m，平均宽度为1.8 m，双边楔形量32 mm。管片由五块标准块、两块临近块和一块封顶块组成，抗渗等级为P12级，管片壁后空隙采用同步注浆法施工。在树木岭隧道进口工作井—树木岭站区间范围内新建双线盾构隧道多次下穿既有京广铁路正线及联络线，施工难度大、施工风险高，作为国家重要干线，确保既有京广铁路线的运营安全具有重要意义。

2 数值模拟分析基础

2.1 数值模拟方法

本文采用岩土领域专业软件Midas GTS进行数值仿真计算。为简化模拟，分析中未考虑隧道纵向影响，将空间三维问题转换为平面应力应变二维问题处理。在二维有限元模型土体及铁路路基采用四节点平面单元模拟，管片采用二节点弹性梁单元模拟，边界方面，左右边界为水平约束，底部边界为竖向约束。为有效模拟盾构隧道临近既有京广线施工过程，对模型采取了合理假定如下：（1）將地表和各层土体假定为均匀、水平层状分布，土体为各向同性的理想弹塑性体并采用Mohr-Coulomb准则;（2）不考虑岩土体的构造应力和地下水的影响;（3）轨道结构牢固固定在铁路路基上，不考虑路基与轨道结构间的相对变形;（4）因无实际资料，不考虑施工前既有线路基及轨道结构的初始变形;（5）管片的刚度折减系数取为0.8，应力释放率取为20%;（6）地层参数等建模信息参照工程地质勘查报告中的数值取用，详见下表1所示。

2.2 京广线沉降控制指标

以沉降控制作为既有京广线的安全控制目标，根据项目建设时的相关规范和标准[12-13]，对京广线沉降采用三重控制指标，具体内容为：（1）地表最大累计隆起和沉降限值分别为10 mm和30 mm;（2）轨道高低偏差不超过10 mm（即 10 m弦测量的最大矢度值为10 mm）;（3）为确保铁路正常运营要求，地表沉降限值为6 mm。

3 临近并行既有线施工过程对既有线沉降影响分析

3.1 计算模型

里程YDK1+440—YDK2+226段新建双线盾构隧道临近并行既有京广铁路线，根据两者之间的平面位置关系，选取距离既有线最近的横断面予以分析，此处隧道埋深17.06 m，土层至上而下分别为0填土、1-2粉质黏土、7-2细圆砾土、1-2泥质粉砂岩、1-3泥质粉砂岩，盾构隧道位于1-2和1-3泥质粉砂岩层中。新建双线盾构隧道与既有京广线的平面位置关系见图1所示，其中在里程YDK1+810.42—YDK2+226的局部区域拟设置双排直径为0.6 m间距为0.4 m的高压旋喷桩对临近京广线予以隔离保护。限于篇幅部分建模参数未予详述，软件中所建立的宽为100 m，深为50 m的二维有限元模型见图2所示。

3.2 施工模拟

为降低施工风险，隧道盾构掘进顺序为先右线后左线。此外为分析隔离桩保护对既有线沉降的控制效果，分别进行了有、无隔离桩工况下的数值计算，其中对于有隔离桩的工况，隔离桩施工先于右线隧道开挖完成。

3.3 计算结果分析

图3中的（a）和（b）分别给出了无隔离桩时先右线后左线隧道盾构施工后的有限元模型沉降云图，分析图中结果可知：（1）右线隧道施工完成后，因土体卸载导致的拱顶挤压变形沉降值为6.59 mm，与此同时隧道上方形成了一个以拱顶为中心、宽度约为34.66 m的地面沉降槽，沉降槽最深处位于隧道正上方地面，其沉降值为2.15 mm，距右线最近的既有线路基位于地面沉降槽范围内，受此影响既有线路基沉降值为0.48 mm;（2）随着左线隧道施工的完成，左、右线的拱顶沉降值分别为6.43 mm和6.48 mm，既有线路基受盾构施工影响范围以及地面沉降槽宽度均增大，沉降槽宽度由右线完成后的34.66 m增大到52.61 m，沉降槽最深处距两条隧道的对称面两侧约2 m，最大沉降值为2.45 mm，小于铁路正常运营的地表沉降限值要求（6 mm），路基沉降量略有增大，最大值为0.52 mm。

图4中的（a）和（b）分别给出了设置隔离桩后先右线后左线隧道盾构施工后的有限元模型沉降云图，分析图中结果可知：（1）随着右线隧道施工的完成，隧道拱顶的沉降值为6.04 mm，因隔离桩的影响，所形成的地面沉降槽最深处偏移至拱顶正上方左侧2 m位置，最大沉降值为2.44 mm，地面沉降槽宽度相较于无隔离桩亦略有减小，其值约为30.28 m，距右线最近的既有线路基位于沉降槽影响范围外，表明右线盾构施工基本不会诱发既有线路基的沉降;（2）随着左线隧道施工的完成，左、右线的拱顶沉降值分别为6.45 mm和5.9 mm，既有线路基受盾构施工影响范围以及地面沉降槽宽度均增大，沉降槽宽度由右线完成后的30.28 m增大到46.29 m，沉降槽最深处距两条隧道的对称面左侧约2 m的位置，最大沉降值为2.44 mm，小于铁路正常运营的地表沉降限值要求（6 mm），此时距右线最近的既有线路基位于地面沉降槽区域内，左线施工所诱发的临近线路路基最大沉降值为0.35 mm。

通过对比两种工况的计算结果可知：两种工况下地表沉降最大值均小于控制限值，满足线路正常运营的沉降要求。由于计算假定中未考虑地下水的影响及多项简化处理，因此，数值计算结果并不能完全反应实际施工情况，特别是隧道下穿地层为有砂层，地层失水对于既有铁路的影响会比较明显，因此采用隔离桩保护措施，能有效缩小新建隧道盾构施工对既有线路基的影响范围，控制沉降槽宽度和地表沉降量，实现既有线的沉降安全控制。

4 下穿单线施工过程对既有线沉降影响分析

4.1 计算模型

新建盾构隧道在里程YDK2+260—YDK2+400共140 m范围内，除需斜穿既有京广铁路上行线外，还需正穿多栋低层房屋，地表既有结构的复杂情况极大的增加了施工难度。根据地勘报告，该区域地层从上至下为人工填土层、1-2粉质黏土层、7-2细圆砾土层、1-2泥质粉砂岩和1-3泥质粉砂岩层，综合考虑地质条件，为确保既有线的运营安全，拟采用注浆加固的方式对里程为YDK2+226—YDK2+295.86的区域进行地基处理，且地层加固完成后方可进行盾构下穿既有线施工。注浆加固区的总体范围长为70 m宽为40 m，在隧道顶部以上及底部以下分别为5 m和3 m。

为分析地层注浆加固对既有线沉降的控制效果，取里程为YDK2+246的位置进行建模分析，此处隧道埋深为18.8 m。分别考虑了地层未加固和注浆加固的两种情况，限于篇幅部分建模参数未予详述，在软件中所建立的宽为80 m，深度为50 m的二维隧洞-土体分析模型见图5所示。

4.2 施工模拟

为降低施工风险，隧道盾构掘进顺序为先右线后左线。对于考虑地层注浆加固的工况，地层加固先于右线隧道开挖，因注浆加固改变了围岩特性，模拟中通过替换加固区域土体的围岩参数予以考虑，各材料参数取值详见表1所示。

4.3 计算结果分析

图6中的（a）和（b）分别給出了未采用注浆加固措施时，新建隧道盾构施工后的有限元模型沉降云图，分析图中结果可知：（1）随着右线隧道施工的完成，土体卸载导致拱顶挤压变形其沉降值为13 mm，所形成约37.79 m宽的地面沉降槽最深处位于隧道正上方，其地表最大沉降值为5.2 mm;（2）随着左线隧道施工的完成，左、右线的拱顶沉降值分别为12.65 mm和12.7 mm，地面沉降槽的宽度和影响区域均增大，其宽度由右线斜穿后的37.79 m增大至50.7 m，沉降槽最深处位于两条隧道对称面位置，最大沉降值为6.65 mm，大于铁路正常运营的地表沉降限值要求（6 mm）。

图7中的（a）和（b）分别给出了注浆加固地层后，新建隧道盾构施工后的有限元模型沉降云图，分析图中结果可知：（1）随着右线隧道施工的完成，相较于地层未加固的情况，隧道拱顶的沉降值较未加固时显著减小至4.41 mm，所形成的地面沉降槽宽度减小至16.7 m，沉降槽最深处偏移值隧道上方左侧2 m位置处，此处地表最大沉降值为3.1 mm;（2）随着左线隧道施工的完成，相较于地层未加固的情况，左、右线隧道拱顶沉降变形量显著减小分别为4.24 mm和4.72 mm，沉降槽宽度亦减小至24.63 m，此时沉降槽最深处位于两条隧道的对称面位置，其沉降最大值为4.33 mm，小于铁路正常运营的地表沉降限值要求（6 mm）。

通过对比两种工况下的计算结果可知：（1）未采取地层注浆加固措施条件下，盾构下穿所诱发的既有线地表最大沉降值不满足限值要求;（2）采用地层注浆加固措施后，因地层特性的改善，拱顶的变形量、沉降槽宽度和地表沉降最大值均显著减小，由此表明注浆加固措施可较好地控制盾构穿越工程所诱发的既有线路基沉降，从而较为有效地保障了列车通行安全。

5 下穿多线施工过程对既有线沉降影响分析

5.1 计算模型

在里程YDK3+230—YDK3+600段新建盾构隧道斜穿多条既有线，根据隧道与京广铁路平面位置关系，取里程段YDK3+335隧道埋深为25.5 m的位置进行建模分析，新建隧道与既有线相互位置关系见图8所示。在软件中所建立的寬90 m，深50 m的二维有限元模型见图9所示。因穿越多条京广线，线路上列车荷载有可能对结果造成较大影响，因此计算中分别考虑了无列车荷载和有列车荷载两种工况。对于列车荷载的模拟，在整个模型顶面施加60 kpa的面压力。

5.2 计算结果分析

图10中的（a）和（b）分别给出了无列车荷载下隧道盾构施工完成后地表沉降云图，分析图中结果可知：（1）随着右线隧道施工的完成，在隧道正上方形成了宽约为27.5 m的地面沉降槽，地面最大沉降值为0.3 mm;（2）随着左线施工的完成，地面沉降槽的影响区域和宽度均增大，其宽度增大至42 m，地面最大沉降值较单线略有增长，其值为0.44 mm。

图11中的（a）和（b）分别给出了满布列车荷载作用下隧道盾构施工完成后有限元模型沉降云图，分析图中结果可知：相较于无列车荷载作用工况下，右线隧道施工完成后，地面最大沉降量增大至1.15 mm，左线隧道施工完成后，地面最大沉降量增大至1.32 mm，其位于两条隧道的对称面处。

通过对比两种工况下的计算结果可知：（1）列车荷载的地表最大沉降值是无列车荷载地表最大沉降值的3倍左右，表明盾构在施工过程中，地表沉降受列车荷载的影响相对较大，盾构下穿该地段时宜选取无列车行驶的时段进行;（2）两种工况下，盾构隧道正常施工所诱发的既有线沉降较小，满足铁路正常运营要求，但由于地下工程施工的不确定性，为确保铁路运行安全，在盾构隧道施工期间注意动态监测数据。

6 结论

针对长株潭城际铁路树木岭隧道多次临近既有京广线施工的复杂情况，采用数值模拟方法分析了新建隧道临近并行既有线、下穿单线和下穿多线等关键过程中盾构施工对既有铁路路基沉降的影响规律，得出以下结论：

1）新建隧道临近并行既有线施工时，有无隔离桩都能满足沉降要求，但隧道下穿地层有砂层，地层失水对于既有铁路的影响会比较明显，而计算中忽略地下水影响，因此采用隔离桩保护措施，能有效缩小新建隧道盾构施工对既有线路基的影响范围，控制沉降槽宽度和地表沉降量，实现既有线的沉降安全控制。

2）当新建隧道下穿单线施工时，未进行注浆加固条件下，盾构施工所诱发的地表沉降较大，不满足铁路正常运营要求;采用地层注浆加固措施后，可以明显降低沉降量及沉降槽的宽度，注浆加固措施可以比较好地控制由于盾构穿越工程对京广铁路所带来沉降，降低工程风险。

3）在新建隧道下穿多条既有线时，地表沉降受列车荷载影响相对较大，但盾构正常施工所诱发的地面沉降值总体较小且满足限值要求。由于数值分析的局限性及地下工程施工的不确定性，为确保铁路运行安全，在盾构隧道施工期间宜加强动态监测，并根据监测结果采取相应措施。

参考文献：

[1]许有俊， 陶连金， 文中坤， 等. 新建地铁隧道上穿既有隧道引起的结构隆起变形[J]. 中国铁道科学， 2014， 35（6）： 50-56.

[2] 马健， 李凤涛， 袁飞飞， 等. 盾构近距离多次下穿对既有隧道变形的影响[J]. 铁道建筑， 2016， 56（4）： 64-67.

[3] 杨春山， 莫海鸿， 陈俊生， 等. 近距离下穿盾构隧道对上覆运营地铁隧道的影响研究[J]. 现代隧道技术， 2015， 52（5）： 145-151.

[4] 阮雷， 孙雪兵， 申兴柱， 等. 新建盾构隧道施工对既有铁路路基的影响研究[J]. 铁道标准设计， 2018， 62（6）： 99-104.

[5] 丁智， 吴云双， 张霄， 等. 软土盾构隧道近距离穿越既有地铁影响数值分析[J]. 中南大学学报（自然科学版）， 2018， 49（3）： 663-671.

[6] 蔡向辉. 盾构下穿引起的既有线路轨道变形与列车运营作用研究[J]. 铁道标准设计， 2016， 60（7）： 30-34.

[7] 马文辉， 彭 华， 杨成永. 盾构近距下穿既有地铁盾构隧道施工参数控制[J]. 西南交通大学学报， 2018， 53（1）： 119-127.

[8] 白廷辉， 尤旭东， 李文勇. 盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术[J]. 地下空间， 1999， 19（4）： 311-316.

[9] 朱红霞. 复杂地质条件下土压平衡盾构近距离下穿既有隧道的施工和监测技术[J]. 隧道建设， 2016， 36（6）： 748-754.

[10]王立新， 汪 珂， 李储军， 等. 黄土地区地铁盾构隧道近距离下穿既有线影响规律及控制标准研究[J]. 铁道标准设计， 2019， 63（10）： 124-130， 158.

[11]杜明芳， 朱东东， 易领兵， 等. 大粒径卵石地层中盾构下穿既有铁路的影响分析[J]. 合肥工业大学学报（自然科学版）， 2020， 43（5）： 660-666， 720.

[12]中华人民共和国铁道部. 铁路路基设计规范： TB 10001—2005， J447—2005[S]. 北京： 中国铁道出版社， 2005.

[13]中华人民共和国铁道部. 铁路轨道工程施工质量验收标准： TB 10413—2003， J284—2004[S]. 北京： 中国铁道出版社， 2004.

（责任编辑：于慧梅）

Abstract：

To ensure the safe operation of the adjacent existing line is one of the key issues in the construction control of the new railway tunnel. In view of the complicated situation of the construction of a new intercity railway double-lane shield tunnel near the existing Beijing-Guangzhou Line on several occasions， based on reasonable assumptions， numerical analysis method was used to comprehensively simulate and calculate the influence of shield tunneling on the settlement of the adjacent existing lines during the critical construction process， such as the adjacent parallel existing lines， undercrossing single-line and multi-line， and a comparative analysis of the proposed construction measures to control the settling effect of the existing line， which lay a theoretical foundation for ensuring the operation safety of the adjacent existing line. The results of numerical analysis show that： when the construction is near parallel and under the single line， the treatment measures of isolated pile protection and slurry reinforcement of the ground layer can be used to control the surface settlement and the effect is better; when the construction is under the multiple lines， the impact of the train load on the surface settlement is greater， the maximum value of the surface settlement induced by the shield construction after considering the train load increases from 0.44 mm to 1.32 mm， so the shield crossing should be carried out when no train is running.

Key words：

shield tunnel; close construction; existing railway line; settlement; numerical simulation; control measure