列车动荷载在新建盾构隧道施工过程中对既有隧道及周围土层的动力响应分析

何建峰

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410000）

0 引言

新建隧道开挖会导致既有隧道周围土体应力重分布，从而导致既有隧道及周围土体产生沉降变形，而既有隧道中的列车动荷载也会对隧道结构及周围土体造成沉降变形，当隧道沉降过大时会严重影响轨道的运营，因此在新建隧道的施工背景下研究列车动荷载对既有隧道及周围土体动响应影响是有工程意义的。

目前针对列车动荷载下隧道结构及周围土体的动响应规律国内外学者已经进行了大量研究。葛世平[1]等以上海地铁9 号线三期工程为背景，采用现场监测和理论分析相结合的方法，分析了软黏土在列车长期循环动荷载下的变形特征；田甜[2]等通过现场试验和有限元数值模型计算的方式，研究了衬砌在速度300km/h 列车荷载作用下的加速度响应规律；王海龙[3]等采用数值模拟与监测数据相结合的方式，以京广高速铁路草帽山隧道下穿唐呼铁路北草帽山隧道为工程背景，研究了不同施工方法、不同夹层厚度、不同列车轴重对既有隧道衬砌结构沉降变形、振动加速度和振动速度的影响规律；马龙祥[4]等采用数值模拟的方法，通过建立轨道-隧道-地层系统的耦合2.5 维数值模型，分析了列车荷载对黏土与粉土复合地层及其中地铁隧道的长期影响；王晓睿[5]等采用有限元软件MIDAS 开展数值分析，并结合现场实测数据研究了列车振动荷载下隧道周边土层动力响应变化规律。

总结发现，以往研究多集中于既有隧道内的列车荷载引起既有隧道结构及周围土体的动力响应，而较少考虑在新建隧道施工背景下列车荷载对既有隧道结构及周围土体造成的动力响应。基于此，本文以长沙地铁六号线水农区间上跨京广高速铁路浏阳河段隧道为例，研究了在水农区间左线隧道施工完成，右线隧道在浏阳河段隧道正上方施工的背景下，列车动荷载对既有隧道结构及地表的动位移、动加速度的影响，并通过数值模拟研究了列车动荷载对新建盾构隧道的动位移及动加速度影响。

1 工程概况

长沙市轨道交通6 号线水稻博物馆站～农科院农大站区间左线隧道长度1629.917m，右线隧道长度1629.4m。根据工程安排，两台土压盾构机从农科院农大站始发，掘进约1.2km 后在DK42+100 处上跨京广高铁浏阳河隧道，相交位置位于京珠高速与人民东路交口东侧、杉木路与人民东路交口西侧。上跨段长约15m，地铁隧道线路中心线与京广高铁浏阳河隧道线路中心线交角约为81°，浏阳河隧道埋深约15.5m，地铁隧道结构底距京广高铁浏阳河隧道结构顶垂直净距约为16.86m，均处于中风化泥质粉砂岩层中，地铁隧道上跨京广高铁浏阳河隧道示意图如图1。

图1 水农区间盾构隧道上跨京广高铁浏阳河隧道平面示意图

京广高铁浏阳河隧道采用暗挖法施工，为单洞双线暗挖断面，衬砌采用Ⅳ级深埋2 型（Ⅳs2）衬砌，断面宽14.74m，高13.1m，初支采用C25 网喷改性聚酯纤维混凝土，二衬采用C35 防水钢筋混凝土。拱部、边墙初支厚度0.22m，二衬厚度0.5m；仰拱初支厚度0.1m，二衬厚度0.7m。在水农区间盾构掘进施工时京广高铁不限速。

2 隧道周围土体监测布置

2.1 地表沉降监测

地铁盾构穿越既有线路或建筑物时，每10m 布设一条监测断面，每5m 布设3 个隧道中线点。监测工具为Leica DNA03 电子水准仪、铟瓦水准尺。

2.2 管片变形监测

地铁盾构穿越既有线路区段时，每10m 布设一条监测断面，每5m 加密一个隧道拱顶沉降监测点，监测点采用粘贴固定Leica 测量反射片的方式进行埋设布置。监测工具为Leica TCRP1201+R400 全站仪、徕卡反射片。

2.3 深层土体水平及竖向位移监测

深层水平位移与竖向位移采用同孔联测法，测点布置于盾构试掘进段及京广高铁浏阳河隧道段影响区域内，沿左线隧道掘进方向每10m 布设一个断面，共4 个断面，每个断面6 个测孔，隧道正上方孔深12m，其余22m，共24 个。

3 列车动荷载对周围隧道结构及土体的影响

3.1 盾构施工过程中列车动荷载对浏阳河隧道的影响

盾构施工过程中列车动荷载对浏阳河隧道沉降的附加影响，拟考虑为以下不利工况：地铁左线隧道施工完毕，地铁右线隧道施工至浏阳河隧道正上方。

列车时速为300km/h 时，浏阳河隧道竖向位移、动加速度如图2-图4。

图2 浏阳河隧道拱顶竖向位移时程曲线（m）

由图2、图3 可以看出，在列车荷载作用下，隧道结构竖向动位移最大幅值约为0.2mm，并随着列车运行逐渐趋于相对稳定，波动相对较小，动位移逐渐稳定于0.17mm左右。隧道道床与拱顶竖向动位移趋势大致相同，最大幅值约为0.22mm，并随着列车运行逐渐趋于相对稳定，动位移逐渐稳定于0.14mm 左右。

图3 浏阳河隧道道床竖向位移时程曲线（m）

由图4 可以看出，在列车荷载作用下，隧道结构动力响应较为明显，动荷载作用初期较为强烈，后逐渐趋于稳定。浏阳河隧道拱顶最大竖向加速度为4.45cm/s2。

图4 浏阳河隧道拱顶竖向竖向加速度时程曲线（m/s2）

3.2 动力效应随上覆土层的衰减

由图5 可以看出，在列车荷载作用下，隧道结构竖向动位移最大幅值约为0.20mm，并逐渐稳定于0.17mm 左右；地面沉降最大幅值约为0.11mm，并逐渐稳定于0.08mm 左右。由此可知，列车动力效应从隧道内传递至地表时衰减约45%。

图5 浏阳河隧道拱顶竖向位移与地面沉降时程曲线

由图6 可知，随着上覆土层的增加，列车动力效应迅速衰减，至15m 覆土时，竖向最大动力加速度趋于稳定。拱顶最大竖向动加速度为5.3cm/s2，地面最大竖向动加速度为1.59cm/s2。列车以300km/h 的速度行驶，其动力效应对盾构施工的影响很小。

图6 动力加速度随上覆土层厚度的衰减线

3.3 列车动力效应对新建盾构隧道的影响

由于浏阳河隧道与地铁隧道净距约16.8m，且主要为中风化岩层，列车动荷载传递至地铁隧道范围内时已衰减。通过计算，在列车动荷载作用下，新建地铁隧道最大竖向动位移为0.0978mm，最大动加速度为1.6cm/s2。列车荷载引起的地铁隧道附加内力很小，不影响新建盾构隧道安全。

4 结论

以长沙地铁六号线水农区间跨越京广高速铁路浏阳河段为工程背景，研究了列车动荷载对既有隧道、地面及新建盾构隧道的动位移与动加速度，结论如下：①既有隧道在列车动荷载作用下，隧道拱顶与道床的动位移、动加速度起伏波动大，隧道道床的动位移起伏波动大，新建盾构隧道的施工会加大列车动荷载造成的既有隧道拱顶的动位移，随着列车运行，隧道既有结构的动位移与动加速度均趋于平稳。②列车动荷载造成的隧道拱顶最大位移幅值与稳定位移值均随着上覆土层的增大而减小，列车动力效应从隧道内传递至地表时衰减约45%。随着上覆土层的增加，竖向最大动力加速度逐渐减小，至15m 覆土时，竖向最大动力加速度趋于稳定。③列车动荷载在新建隧道与既有隧道相距16.8m，且均处于中风化岩层的尺度上，列车动荷载对新建隧道造成的附加应力不对新建隧道安全造成影响。