分析地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿既有鐵路隧道安全性

◎程磊

引言：處于新構(gòu)建盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的右線隧道長度為2457 m，并且在里程SDK45+250.146～SDK45+295.146 這一范圍內(nèi)下穿既有鐵路路基。普鐵設(shè)有有砟軌道，運行時速可以達到160 km/h，屬于國家一級電氣化鐵路，其中鐵路路基包括表層和底層，厚度分別為4 m 和2 m。鐵路軌道面到區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的凈距離大概是26 m，比隧道直徑大了1 倍。左右線隧道的埋深有22 m，兩者的中心線距離為28 m。進行隧道施工時，優(yōu)先選擇左線隧道，待左線隧道施工完成并停機后，再進行掘進右線隧道。

一、有限元模型構(gòu)建

本論文運用底層-架構(gòu)-實體三維模型（詳情見圖1 所示），巖土體使用的是摩爾-庫倫本構(gòu)。因為路基架構(gòu)與隧道兩者間的地點關(guān)系是相對而言的，將模型（圖1）的尺寸設(shè)置為：x×y×z=100 m×100 m×65 m，x 代表的是平行盾構(gòu)施工方向，y 代表的是垂直盾構(gòu)施工方向，z 代表的是地層豎向。樁界面參數(shù)中，法向剛度模量、剪切剛度模量、最終剪力的取值分別是250 000 kN/m3、25 000 kN/m3、150 kN/m2。左右隧道中心線之間相距28 m，隧道埋深22 m。優(yōu)先對左線隧道施工，施工完畢關(guān)停機器之后對有線隧道加以施工。盾構(gòu)隧道的內(nèi)外徑分別是5.5、6.2 m，注漿層的厚度為0.33 m，利用二維板殼單元來對盾殼與管片進行模擬。另外，盾構(gòu)管片每環(huán)是1.5 m，千斤頂力為100 kN/m2，掘進壓力與注漿壓力分別是120、150 kN/m2。

圖1 數(shù)值計算整體模型圖

二、計算結(jié)果分析

下表是路基總體在左線隧道（掘進第1 到第5 步）和右線隧道（掘進第6 到第10步）在不同掘進步驟下的沉降數(shù)值。

表1 路基整體在不同施工步下的最大沉降值

根據(jù)表1 可以看出，盾構(gòu)隧道的施工會給路基整體的沉降值造成影響，伴隨施工的持續(xù)開展，沉降數(shù)值會逐步變大。左線隧道在開挖施工第1 步到第5 步的過程中，即從和路基間距20m 處到左線貫通這個期間，沉降槽逐步接近路基右端，左線貫通的情況下沉降槽的地點恰好處于左線隧道核心線的上面。

右線隧道在掘進的第六步至第十步的時候，路基總體的沉降槽逐步由左線隧道中心線處朝右端靠近，當(dāng)掘進至第十步的時候，也就是右線隧道貫通之后，沉降槽的地點恰在左邊隧道和右邊隧道中心線處的上面。路基整體沉降值在規(guī)定的10 mm 之內(nèi)。

1.路基橫向變形分析。以實際施工步驟為基礎(chǔ)，模擬盾構(gòu)隧道下穿路基，對盾構(gòu)隧道下穿施工給路基造成影響所產(chǎn)生的沉降變形規(guī)律進行分析可得出：

（1）盾構(gòu)隧道在施工過程中，由于施工步驟不同，給路基造成的沉降影響也會有所不同。左線隧道與右線隧道自掘進開始到貫通期間，路基的基測線所體現(xiàn)出的沉降特點近似。盾構(gòu)隧道掘進第二步的時候路基下沉到路基測線1 的位置，第4 步時的路基沉降達到了路基測線2，在這個過程中沉降大幅度增加，此是因為盾構(gòu)隧道掘進作業(yè)，導(dǎo)致盾殼脫離盾尾，并且隧道周圍地層損失，從而出現(xiàn)了較大的建筑空隙。

（2）左線隧道掘進第1 到第5 步的情況下路基測線1 的最高沉降數(shù)值是4.87mm，路基測線2 的最高沉降數(shù)值是4.97mm，這2 條測線最大沉降槽的地點均在左線隧道中心線的上面，大概呈現(xiàn)為對稱分布形態(tài)。在隧道右線掘進的第6 到第10 步這一過程中，測線1、2 的沉降槽曲線都在向右側(cè)移動。路基測線1 和路基測線2 的最大豎向位移分別是8.11 mm 和8.29 mm，最大沉降槽地點在左線隧道與右線隧道中心線的上面，而且與Peck 曲線規(guī)律相一致呈現(xiàn)為對稱形態(tài)。兩條測線在貫通的過程中沉降的最高數(shù)值皆在路基10mm 的標(biāo)準(zhǔn)范疇內(nèi)，為此無需對路基實施增固作業(yè)。

2.路基縱向變形分析。根據(jù)以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩條測線在貫通過程中縱向沉降數(shù)值最高差值為0.18mm，證明路基縱向位移受盾構(gòu)隧道掘進作業(yè)的影響十分有限。為深入剖析路基差異沉降的特征，利用路基測線1 和2 和隧道左右線的核心線、左右隧道中心線的交錯點對路基在不同掘進步驟下的沉降情況加以深入剖析。隧道左右線掘進過程中a、b、c、d、e、f 各個點順著盾構(gòu)發(fā)掘方向會形成下沉曲線。

（1）在左線隧道開挖過程中各交點的沉降都隨著開挖步驟的進行而有所增加，開挖右線隧道時各交點的沉降規(guī)律和左線隧道的沉降規(guī)律相似。其原因是路基上的測點會受到盾構(gòu)隧道開挖掌子面位置與盾構(gòu)掘進方向上豎向沉降值的影響，測點處沉降值會隨著盾構(gòu)隧道開挖掌子面離測點距離的增加而有所降低。相反，當(dāng)隧道開挖步驟不斷前進時，掌子面離路基測點的距離會減少，路基測點的沉降值也會隨之增大。

（2）因為盾構(gòu)隧道建設(shè)過程中的持續(xù)性沉降是土體塑性發(fā)生形狀變化所造成的，而且通常狀況下產(chǎn)生在盾尾完工后很長一段時間后，為此掘進的沉降曲線一般情況下有著較為持久的沉降平穩(wěn)期。因為左線隧道從施工至貫通之后還要進行右線的掘進作業(yè)，模型的相對時間與距離都較短，各個點的長時間的連續(xù)沉降延續(xù)曲線時間都不會太長。

三、結(jié)論

本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿既有普鐵路基的工程實際背景為基礎(chǔ)，為保證既有鐵路線路的穩(wěn)定運用和安全運行，通過數(shù)值模擬分析來對盾構(gòu)隧道下穿掘進導(dǎo)致的既有路基架構(gòu)造成的不良影響加以探究與仿真，為后期掘進過程中采用恰當(dāng)、高效的安全舉措提供借鑒和參考。