地铁隧道下穿既有铁路箱涵影响分析

2022-05-26张晓涛

重庆建筑 2022年5期

张晓涛

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

随着城市轨道交通的发展，地铁隧道施工穿越铁路构筑物的工程实例越来越多，下穿的构筑物条件环境越来越复杂，危险也随之增大。综合分析国内各成功案例可发现几类工程：①盾构隧道下穿铁路线路路基，多以预注浆加固路基、钢结构架空加固铁道降低影响；②盾构隧道下穿大跨径铁路桥梁，隧道距离铁路桥桩台较远；③暗挖法施工隧道近距离下穿铁路桥梁。而关于盾构隧道近距离下穿铁路桥涵的成功案例较少。本文结合洛阳地铁工程实例，利用有限元数值模拟的方法分析盾构隧道下穿既有铁路箱涵的影响规律。

1 工程概况

洛阳市轨道交通1号线启明南路站～塔湾站区间隧道设计为两分离盾构法隧道，区间于CK20+600.00附近下穿焦柳铁路，与铁路线路的夹角约83°。其中焦柳铁路框构桥处区间结构以上覆土约5.1m，水位深约12m。盾构区间与铁路轨面竖向净距约19.7m，与焦柳铁路框构桥工程桩水平净距最近约为4.06m，竖向净距约5.1m。区间穿越的地层主要有黄土状粉质黏土、细砂、卵石地层等。地下水主要为第四系孔隙潜水，赋存于卵石层中，埋深为9.2～13.1m。

2 模型设置

2.1 模型计算基本假定

（1）假设土体已经进行降水处理，不考虑渗流对开挖的影响，管片、注浆层和土体接触紧密，无缝隙[1]。

（2）假设同种材料、同一土层均视为各向同性且质量均匀，且假设土为弹塑性关系材料，管片衬砌以及注浆层为弹性关系材料。

（3）土体模型采用DP屈服准则。

（4）初始应力分析阶段只考虑土体自重对隧道开挖的影响，不考虑双线隧道在开挖过程中施工对土体工程性能的影响[2]。

2.2 计算模型及边界条件

根据区间隧道与铁路相互关系建立数值计算模型，模型边界尺寸横向x为100m，竖向y为50.7m，纵向z为60m。模型中盾构管片及注浆参数以实际工程数据为准，管片外径6.2m，内径5.5m，厚度0.35 m，环宽1.5m，注浆层0.2m，隧道埋深6.2m。

模型边界条件：对隧道轴线方向，模型前后两面边界施加纵向水平约束；对隧道横向方向，模型左右两面边界施加横向水平约束；对模型底面边界施加竖向约束[3]。

2.3 地层、材料参数

根据启塔区间土体的地质特点，建模过程中将其分为五个均匀土层[4]。在计算模型中，土体材料的模拟均采用弹塑性关系材料[5]，参数参见《洛阳市轨道交通1号线启明南路站～塔湾站区间详细勘察阶段岩土参数建议值表》进行分析确定，取值见表1。

表1 土层及结构物理力学参数

2.4 开挖过程模拟

利用开挖面与盾尾之间的注浆层单元模拟盾构机盾壳，模拟过程中盾构机每一步推进两个管片环宽[6]。具体实现方法为：

（1）开挖一个管片宽长度的隧道土体；

（2）赋予盾壳力学参数，模拟盾构机对周围土体的支撑作用；

（3）给开挖面施加土仓压力保持开挖面的稳定平衡，盾构机推进，直到盾体全部进入隧道。

用开挖步循环模拟盾构隧道开挖过程，计算每一步内土体、注浆层、管片系统的应力、应变，最后得到土层、管片的位移、应力等重要数据分析边界条件的影响。同时，开挖方向上设定一环衬砌长度为1.5m，每衬砌2环为一个计算开挖步。

2.5 选取计算分析断面

为了准确得到洛阳市轨道交通1号线启明南路站～塔湾站区间隧道的地表沉降特性以及施工对既有1号线的影响，选取4个典型观测断面，其中横、纵分析断面的具体分布位置如图1所示。

图1 监测断面布置示意图

3 启塔区间施工扰动特性分析

3.1 启塔区间施工全过程地表监测沉降分析

为了进一步研究启塔区间双线隧道开挖地表纵横向沉降特性，整理各监测断面在关键掘进距离下的沉降值，绘制监测断面在不同掘进距离下的变化曲线，图2和图3分别是左线、右线隧道中心线监测断面在不同掘进距离下的沉降变化曲线。

图2 左线隧道中心线竖向沉降曲线

图3 右线隧道中心线竖向沉降曲线

由图2可知，随着左线掘进距离的推进，位于左线正上方的隧道中心线监测断面上各监测点沉降值出现差异，但整体变化趋势相似。在左线开挖过程中，随着掘进距离的推进，位于掘进已完成的隧道正上方监测点均出现大量沉降，位于未开挖完成的隧道上端监测点则出现一定程度的隆起，隆起量在1.5mm以内。如图中左线隧道开挖30m时，在Z坐标30m～-5m范围内均表现出沉降，在-5m～-15m范围内则出现了1mm左右的隆起，在-15m～-30m几乎没有竖向沉降，可以视为对其影响较小。同时，待左线贯通时该监测断面的监测点沉降值达到最大，最大沉降值出现在该监测断面中部位置的监测点，为9.671mm。在此之后，随着右线隧道的开挖，由于地层上隆的叠加，左线中心线监测断面的各监测点沉降逐渐减小，减小的量值随着右线开挖的部位不同而有所差异，该监测断面的最大沉降量仍然位于左线隧道中间部位的正上方，待双线贯通后，该监测断面的最大沉降值为7.173mm。由此可知，启塔区间右线的开挖使得纵向监测点上隆了2.498mm，占双线隧道开挖影响的25.83%，因此，左线的开挖对该监测断面的影响十分明显，但也不能忽略右线开挖的影响，在隧道施工过程中应加强对该段左线隧道中心线的监测。

由图3可知，右线隧道监测点的变化历程与左线隧道监测点类似，整个过程的变化规律也有相同之处。在隧道左线开挖过程中，位于右线隧道上方的监测断面产生较小上隆，随着掘进距离的推进，监测段上隆量值逐渐增大，随着开挖部位的不同而出现监测点的不均匀上隆。当左线开挖至18m时，监测断面x=15m～5m的变化率逐渐减小，表明在左线开挖18m处对区域15m～5m的影响最大。在左线贯通后，该监测断面的上隆量最大，达到2.262mm。随着右线开挖的进行，右线隧道中心线各监测点变化与左线监测点变化类似，其中位于掘进已完成的隧道正上方监测点均出现大量沉降，位于未开挖完成的隧道上端监测点则出现一定程度的隆起。双线隧道贯通后，各监测点的沉降趋于稳定，最大沉降值出现在监测断面中间部位，量值达到7.173mm。由此可知，启塔区间右线开挖使得右线监测点的最大沉降增加了9.435mm，占双线隧道开挖影响的76.02%，因此，右线监测断面受右线隧道开挖影响较大，在新建隧道的施工过程中，要加强左右中心线监测断面的监测。

图4、图5为横向监测断面1和横向监测断面2在不同掘进距离下的沉降变化曲线。

图4 横向监测断面1竖向沉降曲线

图5 横向监测断面2竖向沉降曲线

从图4可知，随着开挖面的前移，出现显著的时空效应，地表土体竖向沉降最大值逐渐增加。盾构开挖面到达横向监测断面1，该处地表产生沉降，随着盾构开挖面推进，沉降趋于稳定，沉降区域为左线隧道上方地表处，左线开挖时地表沉降分布形态呈“U”型，地表最大沉降9.250mm，位于左线隧道中心的正上方。盾尾脱出测线所在横断面后，地表以左线隧道中心线为轴线产生对称分布的沉降槽，随着盾构不断推进，沉降槽逐步加宽加深，并在盾构完全穿越路基后趋于稳定[7]。

随着右线盾构临近分析断面1，地表竖向位移表现为隆起的趋势。随着右线盾构穿越铁路框架箱涵，最大沉降值点由左线隧道中心线逐渐移动到两线中间线附近，且在左右线中间线附近汇聚形成更大更深的沉降槽。左线盾构隧道拱顶上方地表沉降值最大为6.241mm，小于地表沉降控制值30mm，满足施工安全要求。

仅左线开挖时地表沉降呈“U”型分布，左右线开挖完成后地表沉降变为“W”型。从总体分析，双线隧道开挖横向监测断面的主要沉降区域位于-30m～30m处，在施工过程中应作为主要监测区域。

由图5可知，横向监测断面2与监测断面1的变化历程相同。

3.2 铁路桩基及框架箱涵变形分析

3.2.1 铁路框架箱涵变形分析

地铁盾构区间隧道的施工过程对既有框架涵结构产生一定的附加变形，分析典型步序下框架涵结构的竖向位移云图如图6所示。

图6 典型开挖步序下框架涵竖向位移云图

从图6a）可以看出，左线隧道开挖过程中，框架涵受影响产生了竖向位移，当盾构开挖至30m时，框架箱涵已经产生了竖向沉降，其左侧框架底部出现竖向位移，量值达到10.208mm。

随着盾构掘进地层损失的叠加，开挖过程中框架涵的最大沉降不断减小，左线贯通后隧道中心线上方箱涵底板处最大沉降9.872mm。右线盾构下穿框架箱涵时，最大竖向沉降变形值为9.503mm，随盾构掘进地层损失的叠加，右线贯通后最终沉降值为7.349mm。最大变形部位位于左侧框架的底板处，框架箱涵结构受盾构施工影响范围增大[8]。

3.2.2 铁路桩基变形分析

地铁盾构区间隧道的施工过程对铁路桩基产生一定的附加变形，分析典型步序下各桩基的竖向变形，桩基在典型开挖步序下的竖向位移云图如图7所示。

图7 典型开挖步序下桩基竖向位移云图

从图7可以看出，在左线隧道开挖过程中，路基产生了竖向位移，当盾构左线掘进30m时，距离左线最近的桩基受到的影响最大，其最大上隆量为3.065mm，其余桩基随距离增加影响减小。左线贯通后桩基的最大上隆量为3.470mm，最大上隆量位于最靠近左线的桩基底部，各桩基竖向位移的差异沉降为3.125mm。双线贯通后桩基最大上隆量达到4.282mm，各桩基竖向位移的差异沉降为2.607mm。最大变形部位在最靠近两隧道的桩基底部[9]。