盾構下穿鐵路路基鋼軌變形及路基沉降分析

王志超，甘 露，賴金星，賀思悅，王修領

長安大學公路學院，陜西西安 710064

隨著城市大規(guī)模的發(fā)展，地面空間的利用率趨于飽和，地面交通逐漸不能滿足交通需求，城市軌道系統(tǒng)成為緩解城市交通的有效途徑. 其中，盾構施工因為具有環(huán)境影響小、施工安全和施工進度快等優(yōu)點，成為目前地鐵施工的主流方法[1-4]. 然而，受到復雜的地質條件和施工環(huán)境的影響，盾構穿越過程中對附近土體的擾動是不能完全消除的. 在盾構下穿既有鐵路路基的施工過程中，盾構施工所造成的鐵路路基沉降給鐵路安全運營帶來較大的不確定因素，為了保證盾構穿越期間既有線路行車的安全，需要嚴格控制鐵路路基及軌道的總體沉降及差異沉降[5-6]. 因此，研究盾構穿越既有鐵路路基過程中地層沉降及鋼軌變形規(guī)律并對其進行實時有效控制，對下穿工程的順利進行很重要.

盾構施工產生的地表沉降是引起鐵路路基及軌道變形的直接原因. 張云等[7]將盾尾空隙大小、注漿充填密實度和隧道壁面土體受到的擾動等因素概化為一種均質、等厚的等代層，分析了地表變形對各種等代層參數的不同敏感性. 鄭余朝等[8]進行了三管并行盾構隧道施工引起的地表位移的數值計算，基于溫度變化引起的膨脹和收縮效應，模擬了盾構過程中注漿壓力的消散. 鄭剛等[9]基于二維隧道模型試驗，分析了不同埋深的砂土中盾構隧道開挖及補償注漿對地表沉降變化的影響規(guī)律. 朱才輝等[10]研究了在不同覆跨比、不同地層條件及不同施工方法下，地鐵盾構過程中地表最大沉降量、 地層損失率、 沉降槽寬系數及間隙參數的變化規(guī)律及其經驗關系. 在地層加固方面，游龍飛等[11]提出了采取“樁+板”及加強配筋管片對地鐵隧道加固的方案，有效控制了盾構過程中的鐵路路基的沉降及軌道變形.

盾構掘進過程中引起的地表沉降與地層性質、渣土倉壓力、注漿量和注漿壓力、盾尾注漿時間、出土量及盾構推進速度等因素有關，十分復雜[12]. 此外，盾構與鐵路的相對位置也是影響鐵路變形的重要因素. 而在實際工程中，這些因素是具有差異的，對不同工程下所產生鐵路路基及軌道變形進行研究，具有重要意義. 本研究以天津市地鐵7號線為依托，建立三維有限元模型，對盾構下穿鐵路的路基及軌道的位移變化規(guī)律進行分析，并與土層經注漿加固后的工況進行對比，進一步豐富了盾構下穿鐵路的研究，以期為類似工程提供借鑒.

1 工程概況

天津市地鐵7號線1期工程線路全長26.525 km，共設21座車站，全線Ⅳ級以上自身風險源共192處.其中，下穿房屋風險53處，下穿鐵路風險6處，下穿橋梁風險13處. 工程區(qū)段屬海積-沖積濱海平原，場地地勢略有起伏. 地基土按成因年代，從上而下分別為：人工填土層、新近沖積層、全新統(tǒng)中組海相沉積層、全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層和上更新統(tǒng)第5組陸相沖積層. 其中，除人工填土層外，其余各層主要是由粉質黏土與黏土組成. 區(qū)間盾構從粉質黏土層中穿過，位于全新統(tǒng)中組海相沉積層. 地質剖面圖見圖1.

圖1 工程地質剖面示意圖Fig.1 (Color online) Engineering geological profile

天津市地鐵7號線在匯川路至王蘭莊區(qū)間下穿某既有鐵路. 該鐵路為貨運鐵路，采用碎石道砟基礎，區(qū)間結構頂距路基最小20.587 m，盾構與鐵路路基中線角度為116°，風險分級Ⅱ級. 區(qū)間兩隧道凈距14.955 m. 采用土壓平衡式盾構掘進，先開挖左線再開挖右線，盾構直徑為6 m，管片厚度為0.3 m，管片材料采用C50混凝土，盾尾注漿采用M30水泥砂漿，施工時采用上半斷面深孔注漿對地層進行加固，半徑為2 m. 盾構與既有鐵路的相對位置關系如圖2. 此工程風險等級較高，盾構隧道埋深較淺，地層巖性較差，因此掘進對地層擾動較大，造成鋼軌的變形與路基沉降規(guī)律具有代表性.

圖2 既有鐵路與盾構地鐵的相對位置Fig.2 (Color online) Relative position relationship between existing railway and shield tunnel

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用有限元軟件MIDAS/GTS進行數值模擬. 根據工程實際情況，建立三維數值模型(圖3). 穿越區(qū)段土體分為7層，從上到下深度依次為2、6、5、12、7、8和10 m. 本構模型為摩爾庫倫準則. 管片、路基、道床和軌枕采用實體單元模擬；盾殼和注漿層采用板單元模擬；鋼軌采用梁單元模擬. 根據中國鐵路設計規(guī)定[13]，軌枕尺寸為2.60 m×0.22 m×0.16 m，間距為0.6 m；軌距為1.435 m，道床厚度50 cm. 對隧道上斷面半徑為2 m的土層建立改變屬性邊界來模擬深孔注漿效果. 模型邊界的水平方向和豎直方向下邊界均按照隧道跨度的5倍選取，上邊界取至地表，盾構掘進100 m. 因此，最后得到的整個模型長100 m、寬100 m、高50 m，共66 740個節(jié)點，132 153個單元. 模型的約束條件為：上部邊界為自由面，左右邊界施加水平約束，底部邊界施加水平約束和豎直約束.

圖3 三維有限元模型Fig.3 (Color online) Three dimensional finite element model

2.2 計算參數

土體參數采用天津地鐵7號線巖土勘察報告，鐵路結構與盾構參數見表1[14]，土層參數見表2[14].

2.3 盾構施工模擬

依托工程采用土壓平衡的方式掘進，整個掘進過程可分為土體開挖、管片拼裝與盾尾注漿3個過程. 對三維盾構掘進模型做適當簡化來模擬施工過程(圖4)，具體實現方法為：

表1 鐵路結構與盾構參數[14]

表2 土層物理力學參數[14]

1)開挖2個管片寬長度的土體，包括預先定義的隧道土體和管片層；同時激活盾殼單元，在掌子面上施加頂推力(200 kPa)以模擬下一步開挖盾構機與開挖面的相互作用.

2)進行下一步開挖，鈍化第1)步激活的盾殼單元，激活相應位置的管片單元，在管片前面施加頂推力(3 500 kPa)來模擬千斤頂頂推前進過程.

3)激活管片外圍的盾殼單元，并用注漿單元屬性代替盾殼屬性，同時在管片與土體開挖臨空面上施加均布荷載(300 kPa)以模擬盾構通過及盾尾注漿過程.

4)對于注漿加固的工況，在掘進之前給隧道上斷面半徑為2 m的土層，賦予加固土的屬性以模擬深孔注漿的效果.

圖4 盾構掘進示意圖Fig.4 (Color online) Schematic map of shield tunneling

3 計算結果及分析

3.1 鋼軌橫向位移分析

盾構在掘進過程中，盾構上前方的土受到掘進壓力的擠壓，會產生橫向移動，土體的橫向移動帶動鐵路路基及鋼軌產生橫向位移. 同時，盾構在掘進時，兩側土體由于側向應力釋放而產生側向變形，從而影響路基及鋼軌. 橫向位移過大將會使鋼軌彎曲變形，降低列車行駛的穩(wěn)定性. 因此，對盾構施工過程中鐵路鋼軌產生的水平位移的研究就顯得尤為重要.

3.1.1 鋼軌橫向位移隨施工過程的變化規(guī)律

圖5 取點示意圖Fig.5 (Color online) Schematic map of measuring points

選取鋼軌與兩隧道中心線相交點為研究對象(圖5)，作出鋼軌上4個點橫向變形隨開挖步的變化曲線(圖6).由圖6可以看出，隧道左線穿越期間，鋼軌橫向變形經歷了先增后減的過程，并在盾構下穿既有鐵路期間，鋼軌橫向變形達到極值，盾構穿越后橫向變形逐漸變小，點1至點4橫向變形極值分別為-4.88、-4.87、-2.52和-2.51 mm，處于與右線相交的點3和點4的變形值明顯小于點1和點2. 與左線穿越期間規(guī)律相似，右線穿越期間鋼軌變形同樣經歷了先增后減的過程，鋼軌橫向變形速率達到最大的時期發(fā)生在右線下穿既有鐵路期間，鋼軌橫向變形值隨即達到最大，點1至點4最大變形值分別為-6.25、-6.24、-5.90和-5.84 mm，在經歷左右線施工擾動后，4個點的變形值趨于相等. 由圖6可見，未加固時點1與點2、點3與點4，加固時點1與點2、點3與點4的曲線走勢重合，說明軌道上相鄰點的橫向變形差異不顯著. 此外，在注漿加固土體彈性模量達到250 MPa后，4個點變形最大值分別為-0.93、-0.92、-0.72和-0.73 mm，減小比例高達85.1%，很好地控制了由于盾構穿越施工對鋼軌所帶來的橫向變形，加固效果顯著.

圖6 軌上單點橫向變形的時程變化曲線Fig.6 (Color online) Time history curve of single point transverse deformation on rail

3.1.2 鋼軌橫向位移沿軌身的變化規(guī)律

為更加細致地分析鋼軌橫向變形規(guī)律，作出鋼軌在盾構施工完畢后沿軌身的橫向變形曲線(圖7)，可以看出，鋼軌橫向變形以工程穿越中心以左5 m處為對稱軸呈對稱狀分布. 鋼軌橫向變形主要發(fā)生區(qū)域集中在工程穿越位置中心以左5 m處，沿既有鐵路方向±15 m的范圍內，盾構穿越施工完畢后軌1、軌2的最大橫向變形分別為-6.03 mm和-6.02 mm. 不過最大值并未出現在盾構穿越中心，而是偏左線5 m處，鋼軌受左線施工影響較大，說明施工順序對軌身橫向變形分布有一定的影響. 此外，經注漿加固以后，鋼軌橫向變形大幅減小，這是由于注漿加固使隧道上部土體強度提高，能夠更加有效的抵抗由于盾構掘進對上前方土體產生的推力，從而降低地表橫向位移，進而降低鐵路路基及鋼軌的橫向位移.

圖7 施工完畢后鋼軌的橫向變形Fig.7 (Color online) Transverse deformation of rail after construction

3.2 鋼軌豎向位移分析

隧道施工過程中，由于盾構開挖空隙，隧道周圍土體擾動，受剪切破壞的重塑土再固結以及盾構施工參數不合理，會使地表產生豎向位移. 較大的地表豎向位移會使上部鐵路結構產生破壞，最終表現為鋼軌的彎曲下沉，不利于鐵路的正常運行. 因此，為減少盾構施工對鐵路的影響，必須對鋼軌的豎向位移進行分析.

3.2.1 鋼軌豎向位移隨施工過程的變化規(guī)律

地鐵盾構施工期間，鋼軌與兩隧道中心線相交點處豎向變形隨施工步驟變化如圖8. 由圖8可以看出，兩種工況下，鋼軌豎向變形均以沉降為主，且整體變化規(guī)律一致. 以未加固工況為例，對鋼軌豎向變形規(guī)律進行分析. 鋼軌沉降量隨著開挖步的推進而增大，在左線盾構下穿既有鐵路期間，鋼軌4個位置沉降均呈現出不斷增大的趨勢. 在左線盾構到達既有鐵路正下方時，點1和點2沉降速率達到最大，鋼軌沉降隨即達到極值，位于左線盾構正下方的點1和點2沉降不論從數值上還是增長速率上均大于點3和點4. 盾構左線穿越既有鐵路后，隨著盾構的向前掘進，鋼軌沉降趨于平穩(wěn)，沉降速率趨于0，即沉降基本達到穩(wěn)定. 而在右線開始掘進后，鋼軌沉降又從穩(wěn)定開始逐漸增大，其中，點3和點4增長速率迅速，并在右線盾構到達既有鐵路正下方時趕上點1和點2，鋼軌沉降達到最大值，此后沉降又逐漸恢復穩(wěn)定. 可見，鋼軌的豎向位移是左右兩線盾構施工疊加作用的結果. 此外，由圖9可見，未加固時的點1與點2、點3與點4，加固時的點1與點2、點3與點4曲線趨勢基本重合，說明軌道上相鄰點的豎向變形差異不顯著.

對土體進行注漿加固后，鋼軌工后沉降平均值從17.08 mm減至3.71 mm，減小比例高達78.3%，其原因是地層注漿加固使地層條件相對強化，土體的自穩(wěn)能力相對提高，鋼軌的沉降值和沉降速率有所減少. 因此，在盾構施工之前進行注漿加固，可以有效減小施工沉降對軌道結構帶來的影響.

圖8 軌上單點豎向位移的時程變化曲線Fig.8 (Color online) Time history curve of single point vertical displacement on rail

3.2.2 鋼軌豎向位移沿軌身的變化規(guī)律

盾構穿越施工在不同工序下的鋼軌豎向變形曲線如圖9. 由圖9可以看出，鋼軌豎向位移在軌身范圍內出現了較為明顯的沉降槽. 隨著盾構的推進，沉降槽最大值逐漸增大. 以未加固時的工況對變形規(guī)律展開分析. 如圖9(a)，在左線盾構機未到達路基時，土體已經受到盾構掘進帶來的擾動，鐵路路基出現沉降，帶動鋼軌產生豎向變形，軌1由于距離開挖面較近，鋼軌沉降值達到8.87 mm，軌2的最大沉降為8.45 mm. 如圖9(b)，盾構機掘進至鐵路路基正下方時，軌道結構受盾構施工影響進一步加大，沉降值急劇增大，軌1最大沉降值為12.69 mm，軌2最大沉降值為12.47 mm，其沉降比上一工序增加約45.3%. 如圖9(c)，當盾構機穿過路基8 m時，鋼軌沉降進一步增加，但增長速率逐漸減緩. 如圖9(d)，當左線開挖完畢時，其沉降槽相比于工序13已無太大變化，鋼軌沉降基本穩(wěn)定，沉降速率趨于0，沉降中心位于隧道左線中心線與鋼軌的交點處. 圖9(e)表示右線盾構機開挖至路基前8 m時，鋼軌受到二次開挖擾動，其沉降繼續(xù)發(fā)展. 掘進至路基正下方時，軌1最大沉降達到19.50 mm，軌2最大沉降為19.37 mm，隨后增長速率再次減小，施工完成后，軌1最大沉降最終穩(wěn)定在19.19 mm，軌2為19.21 mm. 此外，對比8步工序的沉降槽，可以發(fā)現，隨著盾構的掘進，其沉降槽中心逐漸向工程中心移動. 雙線施工完畢后，其沉降槽中心固定在工程中心與鋼軌的交點處，因此，施工時要加強該位置的沉降變化監(jiān)測. 同時，通過對比施工完畢后兩種工況鋼軌的沉降值，可以發(fā)現，加固時軌1最大沉降值為4.60 mm，軌2為4.76 mm，注漿加固較不注漿鋼軌最大沉降減小約76.7%，有效控制了鋼軌的沉降，加固效果很明顯.

圖9 鋼軌在不同工序時的軌身豎向位移分布曲線Fig.9 (Color online) The vertical displacement distribution curves of rail in different processes

3.3 鐵路路基豎向位移分布

盾構掘進過程會造成地表發(fā)生變形，進而影響鐵路路基. 天津7號線由于下穿盾構距離鐵路路基比較近，因此，鐵路路基受盾構掘進的影響大. 圖10為左線與右線開挖完成后兩種工況鐵路路基模型的沉降云圖，由圖10可以看出，兩種工況路基沉降分布范圍及規(guī)律相似. 選擇雙線施工完畢后兩種工況的路基沉降結果對分布規(guī)律做進一步的分析，得到圖11，兩種工況在盾構范圍內出現了明顯的沉降槽. 未注漿加固時，其沉降槽較深，達到19.3 mm，已經無法保證列車的穩(wěn)定行駛，加固后鐵路路基沉降量急劇減小，最大值僅為5 mm，同時沉降槽較平緩，對鐵路運營有利. 故建議施工前對隧道上部土體進行注漿加固，并保證注漿漿液質量，控制漿液范圍，盡量均勻密實，減小地層損失，切實保證注漿效果.

圖10 鐵路路基豎向位移云圖Fig.10 (Color online) Vertical displacement cloud map of Railway Subgrade

圖11 鐵路路基豎向位移分布曲面Fig.11 (Color online) Vertical displacement curved surface of Railway Subgrade

4 結 論

1)鋼軌的橫向位移隨施工步驟經歷了兩次先增后減的過程，在兩次盾構穿越過程中達到極值. 鋼軌橫向變形以工程穿越中心以左5 m處為對稱軸呈對稱狀分布，其最大值并未出現在工程中心，而是偏左線5 m處，說明施工順序對軌身橫向變形分布有一定的影響.

2)鋼軌在豎直方向以沉降為主，并在盾構掘進過程中逐漸增大，當到達鐵路路基正下方時，沉降達到極值，隨后沉降逐漸趨于穩(wěn)定，左右線施工變化規(guī)律相同，鋼軌最終沉降值是左右線施工疊加作用的結果；鋼軌沉降沿軌身呈沉降槽趨勢，隨著工序的增加，沉降槽的深度逐漸增大，沉降增長速率在盾構通過路基正下方時達到最大. 此外，沉降槽中心由左線中心逐漸向工程中心移動. 鐵路路基在盾構范圍內出現了明顯的沉降槽.

3)對隧道上部土體注漿加固以后，鋼軌橫向位移，沉降均大幅減小. 其中，鋼軌最大橫向位移從未加固時的6 mm減至小于1 mm，最大沉降值減小約76.7%，路基最大沉降也從19.3 mm減小到僅為5 mm，很好地控制了盾構施工對既有鐵路帶來的影響，加固效果顯著，有利于鐵路的運營. 因此，建議施工前對隧道上部土體進行注漿加固，并加強對盾構施工范圍內鐵路結構的位移監(jiān)測.