軌道交通盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路群影響分析

邵浙渝 張亮亮 董彬彬

(1.重慶房地產(chǎn)職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2.重慶大學(xué)，重慶 400044； 3.重慶中領(lǐng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400042)

軌道交通盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路群影響分析

邵浙渝1張亮亮2董彬彬3

(1.重慶房地產(chǎn)職業(yè)學(xué)院，重慶 401331； 2.重慶大學(xué)，重慶 400044； 3.重慶中領(lǐng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400042)

以武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間隧道為背景，對該區(qū)間下穿京廣鐵路群路基的施工過程進(jìn)行了三維仿真數(shù)值模擬，研究了地層、路基的變形和應(yīng)力影響程度及其規(guī)律。

盾構(gòu)隧道，下穿鐵路群，數(shù)值模擬，有限元模型

近年來，城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)必然帶來地鐵修建穿越既有線路的問題，其中隧道下穿鐵路就是其中一個(gè)比較突出的課題[1]。盾構(gòu)隧道下穿鐵路是一項(xiàng)存在多項(xiàng)不確定因素共同作用的綜合工程，施工過程中引起鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道架構(gòu)和基床的破壞，同時(shí)對鐵路運(yùn)營安全也產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間工程是全線少數(shù)幾個(gè)控制全線洞通的關(guān)鍵控制性工程，本區(qū)間下穿鐵路區(qū)段合理籌劃顯得尤為重要。

丁春林等[3]利用彈塑性有限元模型研究了隧道施工時(shí)地應(yīng)力釋放對地表沉降和圍巖穩(wěn)定性的影響，得出了隨著地應(yīng)力釋放的增大而地表沉降和圍巖穩(wěn)定性均為增大；Mazek等[4],Yang等[5]、徐干成等[6]、酈亮[7]、毛志軼等[8]、馬運(yùn)康[9]和蔡小培等[10]采用有限元軟件FLAC3D對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行了模擬，研究了隧道變形及地表沉降規(guī)律。

本文以武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站區(qū)間穿越京廣鐵路群路基為背景，通過有限元分析軟件FLAC3D對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行了模擬，分析研究軌道交通下穿京廣鐵路群過程中軌道交通、地層、路基結(jié)構(gòu)之間相互作用關(guān)系；并與實(shí)際工程監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，保證鐵路線路安全運(yùn)營和盾構(gòu)順利下穿，提出優(yōu)化施工的有效措施。

1 工程概況

武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站區(qū)間總體上呈南北走向，隧道右線長度約1 261 m。武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站區(qū)間隧道平面位置如圖1所示。

2 水文地質(zhì)條件

武漢市軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間的地下水有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水三種類型。

3 數(shù)值模型的建立

針對武漢軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路施工，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)及地質(zhì)資料，采用FLAC3D有限元分析軟件，建立三維數(shù)值模型，進(jìn)行軌道交通盾構(gòu)施工對京廣鐵路路基變形的影響分析。

根據(jù)地質(zhì)資料、工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析，整個(gè)區(qū)域地表均有人工填土，且不考慮鐵路攪拌樁地基加固土體，所取土體范圍為140 m×160 m×50 m(X×Y×Z)，京廣鐵路與6號線區(qū)間盾構(gòu)隧道相對關(guān)系及數(shù)值模型如圖2所示。

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)提供的物理力學(xué)指標(biāo)結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，計(jì)算地層進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 土層力學(xué)指標(biāo)

4 盾構(gòu)隧道施工過程模擬

在分析時(shí)，將整個(gè)施工過程劃分為左線貫通和右線貫通兩個(gè)分析階段，每個(gè)階段選取8個(gè)典型施工步，分別為第20,40,60,80,100,120,140,160施工步。

4.1 施工過程中整體模型的總位移特征

通過有限元分析軟件FLAC3D按照上述工序模擬對盾構(gòu)施工整體模型的總位移進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果匯總分析在盾構(gòu)隧道正常施工過程中整體模型的總位移特征上。其中圖3為全線貫通后鐵路路基中線下沉總位移。

從圖3可以看出，在武漢軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路施工全線貫通后，京廣漢口聯(lián)絡(luò)線上下行線路基基底的最大變形約4.94 mm。

4.2 施工過程中鐵路路基的位移曲線特征

通過有限元分析軟件FLAC3D按照上述工序模擬正常施工過程，對既有鐵路路基變形進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果匯總分析盾構(gòu)隧道正常施工過程中鐵路路基的位移曲線特征。

根據(jù)圖4可以看出：當(dāng)右洞開挖20 m后(此時(shí)開挖面距鐵路路基中心底部45 m)，鐵路路基豎向最大位移值為0.02 mm左右，此時(shí)位移出現(xiàn)為正，軸向最大位移值0.01 mm，橫向最大位移值0.05 mm，盾構(gòu)開挖對鐵路路基沉降還未產(chǎn)生影響或者影響很??；當(dāng)右洞開挖80 m后(開挖面已通過鐵路路基中心，開挖面已經(jīng)到另一側(cè)5 m)，此時(shí)鐵路路基豎向最大位移值為1.6 mm左右，位于右洞頂部地表，軸向最大位移值1.02 mm，橫向最大位移值0.55 mm，此時(shí)盾構(gòu)開挖已經(jīng)對鐵路路基沉降產(chǎn)生影響，位移增大趨勢變明顯，且右洞頂部地表位移比左洞變化大；當(dāng)隧洞開挖160 m后(開挖面已通過距鐵路路基中心底部85 m，隧道已貫通)，此時(shí)鐵路路基豎向最大位移值為2.23 mm左右，軸向最大位移值1.34 mm，橫向最大位移值0.03 mm，此時(shí)盾構(gòu)開挖，距離鐵路路基越來越遠(yuǎn)，對鐵路路基沉降的影響在逐漸減小。

根據(jù)上述理論分析和數(shù)值計(jì)算，分析不同鐵路線路路基最大豎向位移見表2。

表2 各線路基最大豎向位移 mm

從表3可以看出，在武漢軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路群施工全線貫通后，在不同鐵路線路路基最大豎向位移中，京廣漢口聯(lián)絡(luò)線上下行線路最大，最大豎向位移為4.94 mm。

4.3 路基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基于既有鐵路路基的沉降變形是本工程的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)源，因此采用自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測結(jié)合的監(jiān)測方式對武漢軌道交通6號線唐家墩站—石橋路站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣漢口聯(lián)絡(luò)線上下行線路施工過程中，通過對兩種監(jiān)測方式所得監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，兩種監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 監(jiān)測結(jié)果 mm

通過表4對比可以看出，自動化檢測所得到的累計(jì)最大沉降值為5.7 mm，發(fā)生在右線盾構(gòu)中線處；人工檢測所得累計(jì)最大沉降值為5.5 mm，發(fā)生在右線盾構(gòu)中線處。路基實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元分析軟件FLAC3D數(shù)值分析變形值與變形位置基本一致，更加明確了既有鐵路路基受盾構(gòu)穿越影響產(chǎn)生的變形情況。

5 結(jié)語

分析武漢軌道交通唐石區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿對鐵路股道段的影響，采用FLAC3D三維數(shù)值分析手段對下穿鐵路段進(jìn)行定量分析，分析鐵路路基位移曲線、變形規(guī)律，以保證鐵路線路安全運(yùn)營和盾構(gòu)順利下穿，得出以下結(jié)論：

1)隨著盾構(gòu)開挖面逐漸靠近鐵路路基，路基基底的沉降逐漸增大，當(dāng)盾構(gòu)隧道在鐵路路基正下方開挖時(shí)，沉降變化最大，影響最明顯，當(dāng)盾構(gòu)開挖面逐漸遠(yuǎn)離鐵路路基時(shí)，沉降變化逐漸減小，并趨向于零，施工開挖對鐵路路基的影響逐漸消失；

2)盾構(gòu)隧道施工引起京廣漢口聯(lián)絡(luò)線上下行線路路基沉降最大為4.94 mm，符合相關(guān)規(guī)范的經(jīng)常保養(yǎng)管理值要求；

3)采用FLAC3D三維數(shù)值分析手段計(jì)算預(yù)測的變形規(guī)律與實(shí)際值基本一致，地表和鐵路路基的變形量在允許范圍內(nèi)。

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Analysis of influence of metro shield tunneling crossing underneath Jing-Guang railway group

Shao Zheyu1Zhang Liangliang2Dong Binbin3

(1.ChongqingRealEstateCollege,Chongqing401331,China; 2.ChongqingUniversity,Chongqing400044,China; 3.ChongqingCentralDesignandResearchInstituteCo.,Ltd,Chongqing400042,China)

In this paper, the Wuhan metro line 6 Tangjiadun station-Shiqiao road station shield tunnel as the background, the construction process of the interval beneath the Beijing Guangzhou railway group subgrade were simulated three-dimensional simulation numerical study, the deformation caused by shield construction on the construction of rail transportation, rail roadbed and stratum structure and the degree of influence and law.

shield tunnel, crossing underneath railway group, numerical simulation, finite element model

1009-6825(2017)20-0164-03

2017-04-26

邵浙渝(1989- )，女，碩士，講師

U445.43

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