盾构隧道下穿多股铁路影响分析*

邓海鹏,丁祖德,李兴龙

(1.昆明理工大学建筑工程学院,云南 昆明 650500; 2.中铁二院工程集团有限责任公司,山东 济南 610031)

0 引言

盾构隧道施工时常遇到下穿既有铁路干线的情况[1],一定程度会对隧道周围地层造成扰动,进而引起上部路基、铁轨以及地层的位移变化,影响列车行车安全。结合此类情况,很多国内外学者对盾构隧道施工问题进行了一系列相关研究。唐志辉[2]依托南宁地铁4号线那历村站—那洪立交站区间隧道下穿既有槎路隧道工程,提出基于强度折减系数法的地铁盾构隧道近接下穿既有铁路隧道加固范围优化设计方法,并通过监测数据验证该方法的有效性。何永洪等[3]对客运专线隧道采取针对性的预加固措施以及通过试验段优化盾构掘进参数等措施来保证工程质量及盾构施工与客运专线安全。孙连勇等[4]以济南轨道交通R3线某区间隧道为背景,运用Abaqus软件建立数值模型,模拟在不主动加固和加固两种工况下,盾构隧道近距离下穿胶济铁路线桥梁与路基引起的变形情况。朱小龙[5]对盾构施工时铁路地表沉降监测数据进行详细分析,得出了地表沉降规律,用数值模拟的方法对盾构下穿施工过程进行了有限元计算。郑余朝等[6]依托多条铁路项目,使用经验公式预测及数值模拟相结合,研究路基沉降与轨道高低偏差之间的规律。马相峰等[7]研究在砂卵石地层下,以盾构下穿铁路路基工程为背景,通过数值模拟与实地监测数据相结合进行分析。杨林[8]针对盾构下穿既有铁路,通过加固方案和安全控制措施,来保障盾构在掘进过程中列车的行车安全。杜虎[9]将有限元分析和现场实践相结合,分析了不良地层中盾构下穿施工引起的既有铁路变形。郭现钊[10]对盾构近距离下穿广深铁路的影响分析及防护措施进行了研究。仇文革等[11]研究砂卵石地层中盾构下穿敏感区域时地表的沉降规律及控制措施。

本文以某地铁盾构区间工程为背景,对盾构隧道施工近接既有上部铁轨的安全性进行了模拟仿真运算,分析盾构隧道施工引发的土层位移与地表沉降对上部铁轨的变形影响。通过数值模拟分析盾构施工引起的铁轨变形,为类似邻近工程提供借鉴。

1 工程概况

青岛市轨道交通2号线某区间盾构隧道长867.8m,线路于里程K15+160.0—K15+240.0段下穿胶济线,盾构隧道与胶济铁路位置关系如图1所示。隧址区由西向东依次下穿有沙岭庄牵引线(3条)、电厂专用线、胶济单线、胶济联络线、胶济客专上行线、胶济客专下行线、四机牵引线(2条)等10条线路,共计20股轨道,均为有砟轨道。隧址区地层由上到下分别为Ⅳ级中风化花岗斑岩和Ⅴ级微风化花岗斑岩。区间隧道拟采用盾构法施工,隧道断面为圆形结构,内径5.5m,外径6.2m,管片宽度为1.2m,厚度为0.35m。盾构区间与铁路交角为65° ～ 92°,隧道顶部与路基顶面的最小净距约12.4m。

图1 盾构隧道下穿铁路段示意

2 三维数值模型

2.1 计算模型及参数

盾构隧道下穿多股道铁路路基的施工过程模拟三维数值模型如图2所示。模型沿x,y,z三个方向的尺寸分别为160,90,50m,其中y方向为顺铁路方向,x方向为垂直铁路方向,z方向为竖向。模型底部施加固定约束,模型侧面施加水平向约束,模型表面为自由边界。计算模型中,地层岩体采用莫尔-库伦模型、实体单元模拟,盾构隧道管片采用线弹性模型、板单元模拟,盾构机机壳采用板单元模拟,铁路路基采用实体单元模拟,结合本工程地质勘察报告,围岩及结构物理力学参数取值如表1和表2所示。

表2 材料物理力学参数

图2 隧道-路基整体有限元模型

参照TB 10001—2016《铁路路基设计规范》,计算荷载采用普通铁路路基上部列车和轨道荷载,取69.04kPa均布荷载,分布宽度为3.2m,如表3所示。铁路路基面荷载分布如图3所示。

表3 普速铁路路基轨道和列车均布荷载

图3 铁路路基面荷载分布

2.2 盾构掘进过程模拟

利用MIDAS/GTS NX提供的施工过程分析功能,模拟地铁隧道动态施工过程,本文分析盾构隧道开挖对上部铁路的影响。上部轨道线路较多,按照隧道掘进方向自西向东依次进行编号,分别选取边界处路基和中间区域的路基进行分析,即A股轨道线路——沙岭庄牵出线西线和E股轨道线路——胶济单线西线。

结合工程实际,具体开挖过程如下:先施工右线区间盾构隧道再施工左线区间盾构隧道,每次掘进2.4m,每3次算1个循环(进尺7.2m),管片滞后开挖一步(与掌子面距离2.4m)进行,待右线开挖完后再依次进行左线开挖,开挖进尺以及支护过程与右线保持一致。计算步骤为:初始地应力平衡,通过MIDAS/GTS软件对网格的激活以及钝化来模拟实现隧道的开挖及衬砌。通过软件设置的应力释放系数来模拟围岩和结构受力,整个施工模拟过程共有138个施工步骤。

3 计算结果分析

3.1 下穿铁路变形控制标准

本次盾构隧道下穿铁路所影响的范围约160m,结合TB10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》,确定盾构隧道下穿铁路段的路基和轨道变形控制标准如表4所示。

表4 铁路路基及轨道变形监测预警值、报警值和控制值

3.2 铁路路基沉降影响分析

由于本工程路基数量较多,为了分析盾构隧道开挖对上部路基的沉降分布及形态差异,分别选取模型东侧以及中间位置区域的特征部位进行沉降分析,对于整个路基施工阶段的沉降分析,选取左右两隧道与路基的交叉区域分别取其中间交点,以及左右两隧道与铁路路基交叉部位的路基中点。结果表明:随着盾构不断向前推进,由路基西侧(距离路基中间位置约12m)到路基中间位置其沉降量呈现出逐渐增大的趋势,当盾构隧道开挖远离路基时沉降量呈现出逐渐减小的趋势。随着左右两线逐渐贯通,路基最大沉降位置由右隧道向左隧道偏移,典型铁路路基的沉降分布曲线如图4所示、典型铁路路基整个施工阶段的沉降分布曲线如图5所示。

图4 典型铁路路基的沉降分布曲线

图5 典型铁路路基整个施工阶段的沉降分布曲线

由图4a可知,由右线推进至A线中点再到右隧道贯通,其最大沉降量由0.75mm增加至3.30mm,增量为2.55mm,由左线推进至A线中点到隧道左线贯通,其最大沉降量由3.00mm增加至3.15mm,增量为0.15mm;由图4b可知,由右线推进至E中点再到右隧道贯通,其最大沉降量由1.05mm到3.30mm,增量为2.25mm,由左线推进至E中点到隧道左线贯通,其最大沉降量由3.15mm增加至3.30mm,增量为0.15mm。由图5可知,随着隧道开挖的不断掘进,路基出现明显的沉降趋势,且随着左右隧道贯通,沉降越明显。由此可知,由右线推进路基西侧至路基线中点时,路基出现明显沉降,当隧道继续向前掘进至路基东侧时,路基沉降仍然出现较大的增大趋势,当右隧道贯通时,其上部路基沉降继续增大,但增量较小。当左隧道施工时沉降量仍然增大,但增幅较小,且最大沉降位置向左隧道偏移,说明后施工的隧道引起的沉降较小,其原因是先施工的隧道已对周围土体形成了一定的加固区域有关,并且施工参数的变化也有一定的影响。

3.3 轨道平顺性的影响分析

3.3.1轨面的高低不平顺

轨面的高低不平顺是指轨道沿轨道长度方向在垂向方向的凹凸不平,以轨面的竖向位移为研究对象,分别选取8 种典型特征施工步骤下的轨道高低不平顺的分布曲线,典型铁路轨面的高低不平顺分布曲线如图6所示、典型铁路轨面整个施工阶段的高低不平顺分布曲线如图7所示。

图7 典型铁路轨面整个施工阶段的高低不平顺分布曲线

由图6a可知,当右线推进至A中点时,其轨道最大高低不平顺的值由-0.010 5mm到+0.024 0mm,增量为0.034 5mm;当右隧道贯通时其最大高低不平顺的值由-0.025 5mm到0.069 0mm,增量为0.094 5mm;当左线推进至A中点时,其最大高低不平顺的值由-0.025 5mm到0.067 5mm,增量为0.093 0mm;左隧道贯通时其最大高低不平顺的值由-0.028 5mm到0.049 5mm,增量为0.078 0mm。由图6b可知,当右隧道开挖至E中点时,其轨道最大高低不平顺的值由-0.012 0mm到0.028 5mm,增量为0.040 5mm;当右隧道贯通时其最大高低不平顺的值由-0.027 0mm到0.070 5mm,增量为0.097 5mm;当左线推进至E中点时,其最大高低不平顺的值由-0.028 5mm到0.051 0mm,增量为0.079 5mm;左隧道贯通时其最大高低不平顺的值由0.030 0mm到-0.027 0mm,增量为0.057 0mm。由图7可知,当隧道开挖至铁路轨面区域时,轨面的高低不平顺逐渐增大,到达正下方时出现极大值,远离又逐渐出现减小的趋势。

由此可知,随着开挖进深越来越大,铁轨沿长度方向出现凹凸不平的情况,由右线分别推进至路基西侧、路基中点、路基东侧直至右线隧道贯通、左线推进至路基西侧时,其上部铁轨的高低不平顺更加显著;当左线推进至路基中点、路基东侧直至右线隧道贯通时,其上部铁轨的高低不平顺差值逐渐减小,且增量较小。

3.3.2轨面的水平不平顺

轨面的水平不平顺是指轨道同一横断面上左右两轨面之间的高差。以轨面的横向位移为研究对象,分别选取8 种典型特征施工步骤下的轨道水平不平顺的分布曲线,典型铁路轨面的水平不平顺分布曲线如图8所示、典型铁路轨面整个施工阶段的水平不平顺分布曲线如图9所示。

图8 典型铁路轨面的水平不平顺分布曲线

图9 典型铁路轨面整个施工阶段的水平不平顺分布曲线

由图8a可知,当右隧道推进至A中点时,其最大水平不平顺的值由-0.825mm到0.345mm,增量为1.170mm;右隧道贯通时其最大水平不平顺的值由-0.225mm到1.680mm,增量为1.905mm;当左隧道推进至A中点时,其最大水平不平顺的值由-1.710mm到1.620mm,增量为3.330mm;左隧道贯通时其最大水平不平顺的值由-1.890mm到1.665mm,增量为3.555mm;由图8b可知,当右隧道推进至E中点时,其最大水平不平顺的值由-0.825mm到0.480mm,增量为1.305mm;右隧道贯通时其最大水平不平顺的值由-1.755mm到1.695mm,增量为3.450mm;当左隧道推进至E中点时,其最大水平不平顺的值由-1.785mm到1.095mm,增量为2.880mm;左隧道贯通时其最大水平不平顺的值由-1.965mm到1.650mm,增量为3.615mm;由图9可知,轨面的水平不平顺在隧道开挖至轨面最下方时出现逐渐增大的趋势。

由此可知,随着盾构隧道开挖进深越来越大,由右线分别推进至路基西侧、路基中点、路基东侧直至右线隧道贯通时,其上部轨面的水平不平顺显著增大,且当左线分别推进至路基西侧、路基中点、路基东侧直至右线隧道贯通时,其上部铁轨的水平不平顺差值仍然增大。但相对于右线开挖,增量较小。

4 结语

通过对盾构隧道下穿多股道铁路施工展开数值模拟,分析路基的沉降变形、轨面的高低不平顺以及水平不平顺,盾构隧道开挖对铁路的变形趋势。

1)随着盾构隧道开挖不断推进,由路基西侧到路基中间位置其沉降量呈现出逐渐增大的趋势,当盾构隧道开挖远离路基时沉降量呈现出逐渐减小的趋势。随着左右两线逐渐贯通,路基最大沉降位置由右隧道向左隧道偏移。且最大沉降量为3.30mm,在沉降变形±10mm的范围之内。

2)轨面的高低不平顺呈现出明显连续的凹凸状,右隧道贯通时出现最大高低不平顺的值由-0.025 5mm到0.069 0mm,增量为0.094 5mm,在控制变形-3～+8mm范围之内。

3)轨面的水平不平顺出现一凹一凸形,且有明显的极值,左隧道贯通时其最大水平不平顺的值由-1.890mm到1.665mm,增量为3.555mm;在控制变形-4.2～+4.2mm范围之内。

4)盾构下穿铁路之前,应提前进行试验,根据实测的数据,优化各项盾构参数,控制盾构机的推进速度,减少盾构在穿越过程中引起的地层沉降。