盾構(gòu)隧道下穿有軌電車路基影響分析

高 大，李云龍，王 剛

(沈陽(yáng)市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 沈陽(yáng)市 110016)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，地面交通已不能滿足城市交通運(yùn)輸?shù)男枨?，越?lái)越多的城市開始發(fā)展地下軌道交通來(lái)緩解地面交通的壓力。軌道交通建設(shè)中，盾構(gòu)施工因?yàn)榫哂协h(huán)境影響小、施工安全、適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件和施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，成為目前地下軌道交通施工的主流方法。但是在盾構(gòu)施工過程中必然會(huì)對(duì)周圍土層造成擾動(dòng)并造成路基沉降。盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地表沉降是引起鐵路路基及軌道變形的直接原因。在盾構(gòu)下穿既有有軌電車路基時(shí)，盾構(gòu)施工所造成的路基沉降可能會(huì)給有軌電車運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)較大影響[1-4]。因此，對(duì)于盾構(gòu)下穿有軌電車路基影響分析就十分必要。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起的地表沉降與地層性質(zhì)、渣土倉(cāng)壓力、注漿量和注漿壓力、盾尾注漿時(shí)間、出土量及盾構(gòu)推進(jìn)速度等因素有關(guān)，十分復(fù)雜[4]。此外，盾構(gòu)與鐵路的相對(duì)位置也是影響鐵路變形的重要因素[1]。

為研究盾構(gòu)隧道下穿有軌電車路基過程中路基的沉降變化規(guī)律以及盾構(gòu)隧道的開挖順序?qū)τ熊夒娷嚶坊两档挠绊?，本研究以沈?yáng)地鐵4號(hào)線沈創(chuàng)盾構(gòu)區(qū)間為例，采用Midas-GTS-NX有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿有軌電車路基施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)盾構(gòu)隧道下穿有軌電車3號(hào)線路基位移變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

沈創(chuàng)區(qū)間盾構(gòu)外徑為6m，內(nèi)徑為5.4m；襯砌管片寬度為1.2m，厚度為0.3m。線間距為13m；區(qū)間隧道埋深為15.5m，區(qū)間隧道頂距離有軌電車路基底間距約為13.7m。有軌電車路基與盾構(gòu)隧道的平面相對(duì)位置見圖1。

圖1 有軌電車路基與盾構(gòu)隧道的相對(duì)位置

2 有限元模型

2.1 模型建立

Midas GTS NX是一款通用巖土有限元分析軟件。在開發(fā)階段通過幾千種例題的計(jì)算，將其計(jì)算結(jié)果與理論值、及同其他程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較、驗(yàn)證，并在大量的工程項(xiàng)目上得到了運(yùn)用。因此，使用Midas GTS NX軟件進(jìn)行得到的結(jié)果是可信的。

本文采用Midas GTS NX進(jìn)行三維數(shù)值模擬。土層本構(gòu)模型為修正莫爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。管片、路基和土層均采用實(shí)體單元模擬，模型大小為(長(zhǎng)×寬×高)165m×90m×30m，共26882個(gè)節(jié)點(diǎn)，45628個(gè)單元。模型的約束條件為：除地表為自由表面外，其他均為法向約束。

圖2 三維有限元模型

2.2 材料參數(shù)

主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1、表2。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.3 施工階段模擬

整個(gè)掘進(jìn)過程可分為土體開挖、管片拼裝2個(gè)過程。對(duì)三維盾構(gòu)掘進(jìn)模型做適當(dāng)簡(jiǎn)化來(lái)模擬施工過程，主要施工步驟為：

(1)開挖右線區(qū)間1個(gè)管片寬度(1.2m)的土體，包括預(yù)先定義的隧道土體和管片層。

(2)激活(1)中鈍化土體相應(yīng)位置的盾構(gòu)管片。

(3)重復(fù)(1)和(2)直到右線貫通后，再施工左線隧道。

3 結(jié)果分析

3.1 盾構(gòu)隧道施工引起的路基沉降

本工程右線盾構(gòu)隧道首先施工，右線貫通后再施工左線盾構(gòu)隧道，每條線分別有76個(gè)開挖步驟。左右線分別下穿有軌電車路基時(shí)路基的沉降曲線如圖3、圖4所示。由圖3可知，右線開挖時(shí)，路基沉降峰值出現(xiàn)在第40開挖步，沉降值約為1.0mm；由圖4可知，左線開挖時(shí)路基沉降峰值出現(xiàn)在第116開挖步，沉降值約為1.4mm。

圖3 右線盾構(gòu)下穿路基沉降曲線

圖4 左線盾構(gòu)下穿路基沉降曲線

圖5為盾構(gòu)隧道開挖過程中，距兩隧道中心橫向不同距離有軌電車路基沉降曲線。從圖5中可以看到，路基沉降槽呈正態(tài)分布，沉降槽寬度約為50m，約為隧道中心線距離的3.3倍。有軌電車路基的沉降值峰值發(fā)生在兩個(gè)隧道中心的上方，偏向于隧道右線，即先開挖的隧道那一側(cè)，最大沉降量約為1.4mm，小于有軌電車路基沉降控制值10mm，無(wú)需采取其他處理措施即可滿足變形控制要求。

圖5 路基沉降曲線

3.2 盾構(gòu)隧道開挖順序?qū)β坊两涤绊?/h3>

為研究左右線盾構(gòu)隧道開挖順序?qū)β坊两档挠绊?，建立三種不同工況進(jìn)行分析，工況介紹如表2所示。

表3 工況表

圖6為三種工況下左右線隧道開挖至有軌電車路基底部時(shí)的路基沉降曲線。從圖中可以看到三個(gè)工況中工況1路基沉降量最大，約為1.6mm，大于上述3.1節(jié)中的最大沉降量1.4mm。

圖6 路基沉降曲線

從圖6中可以看到工況3與3.1節(jié)中結(jié)果基本一致，路基最大沉降量發(fā)生在第二條盾構(gòu)隧道開挖至路基底部時(shí)刻，沉降值約為1.4mm?？梢娽槍?duì)類似于本工程的盾構(gòu)隧道與路基存在一定夾角的下穿工程，兩條盾構(gòu)隧道先施工完任意一條對(duì)路基的最終沉降影響較小。

工況2-A中的路基沉降量大于工況3-A和3.1節(jié)中的相同工況，但是工況2、工況3與3.1節(jié)中路基最終沉降量基本一致。因此，為減小盾構(gòu)隧道開挖對(duì)路基沉降的影響，左右線隧道不建議同時(shí)施工。前后錯(cuò)開一定距離后施工(工況2)，可減少路基沉降，施工工期相對(duì)于3.1節(jié)和工況3也可減少。

4 結(jié)論

以沈陽(yáng)地鐵4號(hào)線沈創(chuàng)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿有軌電車路基為研究對(duì)象，通過建立三維數(shù)值模型，研究了盾構(gòu)下穿導(dǎo)致的路基沉降規(guī)律。主要得出結(jié)論如下：

(1)本工程右線貫通后再施工左線盾構(gòu)隧道，最大沉降量約為1.4mm，遠(yuǎn)小于有軌電車路基沉降控制值10mm，無(wú)需采取其他處理措施即可滿足變形控制要求。

(2)左右線盾構(gòu)隧道同時(shí)開挖時(shí)，路基沉降量最大。在實(shí)際工程中，盾構(gòu)隧道下穿重要構(gòu)筑物時(shí)應(yīng)盡量避免同時(shí)施工。

(3)左右線盾構(gòu)隧道前后錯(cuò)開一定距離后施工可減少路基沉降，同時(shí)與“左線隧道開挖完畢后，施工右線隧道”的工況相比，也可縮短工期。