地鐵盾構(gòu)施工對上部既有有軌電車安全影響分析

王曉良

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

隨著近年來城市地下軌道交通的快速發(fā)展，地鐵隧道下穿既有建筑物的情況越來越多，現(xiàn)代有軌列車作為一種城市地面軌道交通，一般位于城市道路中央或道路兩側(cè)，地鐵隧道的建設(shè)受線路規(guī)劃及空間的限制有可能需要從有軌列車下方穿過。隧道開挖不可避免會引起地表變形導(dǎo)致有軌電車路基發(fā)生沉降，加速軌道結(jié)構(gòu)和路基基床的損壞，對有軌列車的安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1，2]。

目前，針對地鐵施工對有軌電車的影響，國內(nèi)許多學(xué)者進(jìn)行了研究分析，梅勇文[3]結(jié)合沈陽地鐵十號線區(qū)間隧道工程，采用數(shù)值分析和類比法分析了隧道暗挖法施工下穿有軌電車的影響，馬偉東[4]結(jié)合成都某軌道交通盾構(gòu)區(qū)間工程，通過有限元分析軟件對盾構(gòu)隧道下穿有軌電車路基的稱將影響進(jìn)行了分析，邵葳等[5]以渾南大道站出入口下穿既有有軌電車為例，采用數(shù)值分析方法研究地鐵車站出入口施工對鄰近有軌電車道床沉降的影響。

本文以廣州地鐵十八號線盾構(gòu)隧道下穿既有有軌電車為項目背景，采用數(shù)值分析方法分析隧道盾構(gòu)施工對上部既有有軌電車的影響。

1 工程概況

廣州地鐵十八號線隧道為采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片內(nèi)徑為7 700 mm，采用錯縫拼裝，管片厚度為400 mm，環(huán)寬為1 600 mm。琶洲西區(qū)站—冼村站區(qū)間隧道下穿有軌電車范圍，下穿處隧道埋深約為29 m，隧道與有軌電車路基凈距約為22 m，大于2倍區(qū)間結(jié)構(gòu)尺寸(8.5 m)。盾構(gòu)隧道影響區(qū)域的有軌電車段路基由道床、墊層、匯水井和電纜基槽組成，路基采用換填處理，由上至下采用530 mm道床結(jié)構(gòu)、200 mm厚C20素混凝土墊層和承載力為150 kPa的換填水穩(wěn)砂礫。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地鐵區(qū)間下穿有軌電車處的最不利鉆孔柱狀圖，該處地質(zhì)從地面往下依次為<1-1>素填土厚3.5 m，<2-1B>淤泥質(zhì)土厚2.4 m，<3-1>粉細(xì)砂厚5.9 m，<7-3>強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚3.7 m，<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚9.5 m，以下是微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖<9-3>。盾構(gòu)隧道洞身全部處于中風(fēng)化及微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，且洞身上方有約8.5 m的中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

3 三維有限元模型的建立

根據(jù)有軌電車和盾構(gòu)隧道的空間立體關(guān)系，運用有限元分析軟件midas GTS建立三維有限元計算模型，建模范圍取樁底埋深的3倍。有限元模型的邊界條件設(shè)置為：約束模型底部x、y、z方向，模型前后面y方向，模型左右面x方向，樁約束z方向的轉(zhuǎn)動?？紤]最不利工況，即左右線同步開挖，同時下穿對有軌電車的影響，對模型進(jìn)行了最不利工況模擬。模型示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 三維有限元整體模型

圖2 三維有限元模型細(xì)部圖

有軌電車荷載根據(jù)有軌電車的設(shè)計地基承載力進(jìn)行反算，沿軌面的均布線荷載標(biāo)準(zhǔn)值取150 kPa×地基寬度/2；磨碟沙隧道中的車道荷載依據(jù)公路-Ⅰ級荷載確定，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值取qk=10.5 kN/m，集中荷載Pk=192 kN/m；珠江碼頭根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，取垂直荷載2 t/m2。

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，有軌電車的受力和變形受施工場地周邊地層的力學(xué)性質(zhì)影響，因此，進(jìn)行三維模擬分析計算時須充分結(jié)合本工程的地層分布特點合理選取計算參數(shù)。有限元計算模型中，地層主要根據(jù)相關(guān)工程地質(zhì)資料適當(dāng)進(jìn)行簡化，土層及結(jié)構(gòu)材料參數(shù)根據(jù)相關(guān)圖紙資料確定。各材料參數(shù)取值見表1所示。

表1 材料參數(shù)取值表

4 有限元模擬結(jié)果分析

盾構(gòu)隧道完全下穿時有軌電車總位移云圖如圖3所示，最大總位移為2.72 mm，最大位移位于盾構(gòu)隧道下穿處。

圖3 隧道完全下穿時有軌電車位移云圖

隨著盾構(gòu)開挖的進(jìn)行，有軌電車總位移變化曲線如圖4所示，當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)108 m時開始下穿有軌電車，當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)120 m時完成下穿。由圖可知，當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)96 m，即在開始下穿前12 m時，有軌電車開始發(fā)生明顯位移，當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)132 m，即開始下穿后12 m時，有軌電車開始發(fā)生最大位移。

圖4 有軌電車總位移變化曲線

各工況下有軌電車最大位移見表2所示。有軌電車最大沉降值為2.7 mm，小于《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)[6]城市主干道路基沉降控制值10 mm。

表2 各工況下有軌電車結(jié)構(gòu)最大位移匯總表 單位：mm

5 結(jié) 論

通過建立三維有限元數(shù)值模型，分析了隧道盾構(gòu)施工對上部既有有軌電車的影響，得出以下結(jié)論。

當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)96 m，即在開始下穿前12 m時，有軌電車開始發(fā)生明顯位移，當(dāng)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)132 m，即開始下穿后12 m時，有軌電車開始發(fā)生最大位移，因此需要在盾構(gòu)隧道近距離下穿時加強有軌電車的監(jiān)測工作。

盾構(gòu)隧道下穿誘發(fā)有軌電車最大豎向位移為2.7 mm，發(fā)生于盾構(gòu)隧道下穿處，小于規(guī)范的位移控制值，表明盾構(gòu)隧道下穿不危及上部既有有軌電車的安全。