盾構(gòu)下穿高速鐵路路基與隧道的變形傳遞機(jī)理及特征研究

林家楨, 黃智海, 彭華, 索曉明, 肖驍騏, 李子晨

（1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 城市軌道交通事業(yè)部, 天津 300308；2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044；3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300308；4.北京交通大學(xué) 軌道結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)研究所, 北京 100044）

0 引言

截至2021年12月31日, 全國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程突破4萬km[1］。隨著我國(guó)地鐵建設(shè)中盾構(gòu)工法的廣泛使用, 盾構(gòu)隧道穿越既有高速鐵路的案例越來越多。許多學(xué)者對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路的變形特征以及變形傳遞進(jìn)行了研究?？抵盵2］以某地鐵下穿高速鐵路隧道工程為背景, 利用有限元方法研究發(fā)現(xiàn)地鐵與高速鐵路隧道垂直距離及地鐵施工順序?qū)扔懈咚勹F路隧道的變形有顯著影響。楊成永等[3］基于傅里葉級(jí)數(shù)法進(jìn)行參數(shù)分析, 結(jié)合理論方法、數(shù)值模擬方法及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)軌道變形、內(nèi)力和脫空范圍均隨隧道隆起量的增大而增大。高利宏[4］依托某新建雙線盾構(gòu)隧道近接下穿既有盾構(gòu)隧道工程, 通過有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬, 發(fā)現(xiàn)在距離維度上, 隧道結(jié)構(gòu)變形隨著距穿越中心距離減小而增大；時(shí)間維度上, 穿越時(shí)隧道沉降明顯并達(dá)到峰值, 特別是穿越開始階段有較大變形速率。蔡小培等[5］通過建立軌道-路基-土體有限元模型, 分析盾構(gòu)開挖過程中高速鐵路軌道變形特征, 發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)開挖面位于線路中心線正下方時(shí), 軌道沉降變形速率、兩股鋼軌沉降差和鋼軌橫向位移最大, 通過中心線后其值會(huì)逐漸減小。劉士海等[6］依托北京某盾構(gòu)法隧道斜交下穿既有盾構(gòu)隧道工程, 基于提出的理論公式及沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析發(fā)現(xiàn)穿越施工既有盾構(gòu)隧道變形呈現(xiàn)“雙凹槽狀”縱向柔性變形特征。

目前研究主要針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)與軌道本身的變形, 對(duì)于變形在隧道與軌道之間的傳遞規(guī)律研究較少。伴隨著越來越多下穿高速鐵路工程的出現(xiàn), 對(duì)于下穿施工條件下結(jié)構(gòu)與軌道自己的變形差異甚至明顯脫空的變形特征是需要著重研究的問題。依托我國(guó)5個(gè)典型盾構(gòu)下穿高速鐵路的案例, 分析盾構(gòu)下穿高速鐵路結(jié)構(gòu)的變形特征與規(guī)律, 并針對(duì)不同地層、不同結(jié)構(gòu)形式、不同軌道板型式進(jìn)行參數(shù)敏感性分析, 總結(jié)下穿引起的沉降變形在結(jié)構(gòu)與軌道之間的傳遞規(guī)律以及影響因素, 為盾構(gòu)下穿高速鐵路既有結(jié)構(gòu)工程提供理論支撐和指導(dǎo)。

1 典型案例分析

1.1 案例選取

近年盾構(gòu)施工穿越高速鐵路的工程較多, 根據(jù)不同的地層與結(jié)構(gòu)形式選擇以下5個(gè)工程案例進(jìn)行分析（見表1）。案例1為石家莊地鐵5號(hào)線穿越高鐵六線隧道工程, 案例2為長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道工程, 案例3為北京地鐵8號(hào)線穿越國(guó)鐵地下直徑線工程, 案例4為石家莊地鐵4號(hào)線穿越高鐵U形槽工程, 案例5為北京地鐵14號(hào)線穿越京津城際鐵路路基工程。

1.2 計(jì)算模型

依據(jù)下穿范圍的工程地質(zhì)條件, 利用有限元軟件Midas模擬雙線盾構(gòu)穿越既有鐵路結(jié)構(gòu)施工過程, 采用地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析, 土體本構(gòu)選用D-P準(zhǔn)則。土體采用solid45實(shí)體單元；盾構(gòu)管片選用C50混凝土, 厚度0.3 m, 實(shí)際工程中襯砌是由管片拼接而成, 所以模擬時(shí)將對(duì)混凝土的剛度按照系數(shù)0.85進(jìn)行折減[7］；礦山法隧道均采用C35混凝土；注漿等代層強(qiáng)度根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)按照原狀土體彈性模型2倍進(jìn)行設(shè)定；CRTSⅡ型板式無砟軌道鋼軌與軌道板之間的扣件和軌下膠墊等聯(lián)結(jié)件, 忽略其非線性因素, 等效為一個(gè)線性彈性件, 采用彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬, 軌道板與下部支承基礎(chǔ)間通過高彈模砂漿進(jìn)行黏結(jié)[8］。注漿等代層示意見圖1, 軌道結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 注漿等代層示意圖

圖2 CRTSⅡ型板式無砟軌道模型

考慮到尺寸效應(yīng)引起的計(jì)算誤差, 計(jì)算案例的邊界取值為：左右邊界為3倍既有結(jié)構(gòu)寬度, 下邊界為1.5倍新建結(jié)構(gòu)高度[9］, 上邊界到地表, 取地表（模型的上表面）為自由邊界, 模型的四周以及底部取法向約束。工程案例計(jì)算模型見圖3。

圖3 案例計(jì)算模型

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過建立5個(gè)案例（3個(gè)隧道和2個(gè)路基）的有限元模型, 研究在盾構(gòu)隧道穿越條件下不同工程案例既有結(jié)構(gòu)變形傳遞規(guī)律, 穿越完成后, 計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各工程案例既有結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果 mm

5個(gè)案例在各自條件下穿越對(duì)既有高速鐵路的變形影響均滿足相關(guān)安全要求[10］, 其中工程案例2、3、5已經(jīng)實(shí)施完成, 將實(shí)際監(jiān)測(cè)最大變形與模擬計(jì)算值對(duì)比見表3。

表3 計(jì)算變形與實(shí)際比對(duì) mm

國(guó)鐵地下直徑線隧道底板變形與軌道變形存在明顯差異（＞1 mm）；主要由于下穿凈距較小, 沉降槽影響范圍小。穿越凈距越大, 對(duì)既有隧道的影響范圍越大, 結(jié)構(gòu)與軌道之間的差異沉降越小。

U形槽隧道結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小, 結(jié)構(gòu)底板與軌道變形差異相對(duì)較??；14號(hào)線穿京津城際高速鐵路碎石道床, 計(jì)算路基沉降與軌道道床沉降基本一致。

5個(gè)案例中結(jié)構(gòu)與軌道差異變形規(guī)律基本一致, 差異變形主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)與支承層之間, 占最大差異變形的60%以上。

根據(jù)已施工完成的3個(gè)案例的隧道結(jié)構(gòu)與軌道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)小于模擬值, 該差異主要由于實(shí)際盾構(gòu)施工過程中會(huì)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取一系列控制措施, 此部分措施在模擬中未考慮所致, 但結(jié)構(gòu)與軌道的沉降差異值規(guī)律與模擬計(jì)算規(guī)律基本一致, 驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。由于隧道剛度的差異, 在工程案例3盾構(gòu)隧道條件下計(jì)算軌道變形與隧道變形差異值為1.31 mm, 工程案例2明挖隧道結(jié)構(gòu)條件下計(jì)算軌道變形與隧道變形差異值為0.67 mm。

2 參數(shù)敏感性分析

為進(jìn)一步分析不同穿越條件下盾構(gòu)隧道施工對(duì)沉降變形傳遞的規(guī)律, 對(duì)不同地層條件、不同既有結(jié)構(gòu)類型和不同軌道類型3種關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析。

2.1 不同地層條件

選擇案例1的明挖法隧道結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象, 軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅡ型板式無砟軌道, 建立地層參數(shù)研究模型（見圖4）, 通過改變穿越位置土層2土體力學(xué)參數(shù), 以此研究不同地層條件下的變形規(guī)律。

圖4 不同地層參數(shù)計(jì)算模型示意圖

參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》第5版, 結(jié)合全國(guó)常見地層, 歸納選擇卵石、砂土、黏土和淤泥質(zhì)土4種典型地層作為不同地層敏感性參數(shù)。選用的土層分類參數(shù)見表4。

表4 地層分類參數(shù)

通過數(shù)值模擬計(jì)算, 可以得出不同地層條件下盾構(gòu)穿越施工引起的既有結(jié)構(gòu)變形情況, 不同地層條件下既有隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線見圖5, 不同地層條件下軌道與結(jié)構(gòu)之間沉降差異見圖6。

圖5 不同地層條件下既有隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線

圖6 不同地層條件下軌道與結(jié)構(gòu)之間沉降差異

根據(jù)不同穿越地層參數(shù)的分析, 可知最大沉降值的總體規(guī)律是隨著土層參數(shù)增大逐漸減小, 減小量主要由土層模量值決定。卵石地層條件下隧道沉降為0.96 mm, 淤泥質(zhì)土條件下隧道沉降為4.38 mm；隨著土層參數(shù)變化, 結(jié)構(gòu)沉降槽寬度有略微變小的趨勢(shì)（80~60 m）。穿越地層參數(shù)條件主要影響隧道沉降絕對(duì)值, 卵石地層條件下結(jié)構(gòu)與鋼軌之間差異變形0.12 mm, 4種地層條件下對(duì)隧道-軌道的變形傳導(dǎo)規(guī)律無明顯影響。

2.2 不同結(jié)構(gòu)形式

為了研究不同的基于結(jié)構(gòu)形式參數(shù)的影響問題, 選取具有代表性的明挖法隧道（案例1）、盾構(gòu)法隧道（案例3）和路基U形槽（工程案例4）結(jié)構(gòu)形式, 在相同的地層和工程穿越位置關(guān)系條件下進(jìn)行詳細(xì)研究, 既有結(jié)構(gòu)內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)形式為CRTSⅡ型板式無砟軌道, 新建與既有結(jié)構(gòu)凈距統(tǒng)一取10 m, 以新建與既有結(jié)構(gòu)90°單線正交穿越。不同結(jié)構(gòu)形式變形曲線見圖7。

圖7 不同結(jié)構(gòu)形式變形曲線

在施工模擬計(jì)算中, 明挖法隧道結(jié)構(gòu)的沉降最大值為4.213 mm, 縱斷面沉降槽寬度為70 m；盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)的沉降最大值為6.375 mm, 縱斷面沉降槽寬度為48 m；路基結(jié)構(gòu)的沉降最大值為8.421 mm, 縱斷面沉降槽寬度為25 m。U形槽、盾構(gòu)、明挖隧道結(jié)構(gòu)剛度依次遞增, 隨著隧道結(jié)構(gòu)剛度逐漸增加, 在相同沉降條件下, 傳遞至鋼軌的豎向變形逐漸增加, 盾構(gòu)隧道與U形槽的鋼軌差異變形較明挖法隧道增大約25%, 相同結(jié)構(gòu)形式條件下, 沉降越大, 軌道與結(jié)構(gòu)之間的差異變形隨之增加。變形傳導(dǎo)過程中, 最大的差異變形均發(fā)生在隧道結(jié)構(gòu)與軌道板支承層之間, 總差異沉降占比約為60%~85%。

2.3 不同軌道結(jié)構(gòu)類型

選取案例1中的明挖法隧道計(jì)算模型, 改變隧道內(nèi)部的軌道結(jié)構(gòu)形式（CRTSⅡ型和CRTSⅢ型）, 其中CRTSⅢ型板式無砟軌道主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、配筋的自密實(shí)混凝土（自流平混凝土調(diào)整層）、限位擋臺(tái)、中間隔離層（土工布）和鋼筋混凝土底座等部分組成, 軌道結(jié)構(gòu)為單元分塊式結(jié)構(gòu)。CRTSⅢ型板式無砟軌道模型采用接觸單元來模擬自密實(shí)混凝土和底座板水平接觸間的土工布、自密實(shí)混凝土凸臺(tái)四周與底座板凹槽間彈性橡膠墊層, 前者法向采用硬接觸, 切向摩擦系數(shù)取0.7, 后者接觸剛度為0.1 GPa[12-13］。CRTSⅡ型板式無砟軌道模型示意見圖8, CRTSⅢ型板式無砟軌道模型示意見圖9。

圖8 CRTSⅡ型板式無砟軌道模型示意圖

圖9 CRTSⅢ型板式無砟軌道模型示意圖

通過在隧道底部施加不同強(qiáng)制位移工況（-5、-10、-15、-20 mm）, 研究隧道內(nèi)不同軌道結(jié)構(gòu)形式的變形傳遞規(guī)律。2種軌道結(jié)構(gòu)在不同位移工況下的變形曲線見圖10。

圖10 CRTSⅡ型與CRTSⅢ型板式無砟軌道在不同位移工況下的變形曲線

由于CRTSⅡ型板式無砟軌道是整體澆筑縱連結(jié)構(gòu), CRTSⅢ型板式無砟軌道為分塊式結(jié)構(gòu), 在相同結(jié)構(gòu)變形條件下, CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道變形小于CRTSⅢ型板式無砟軌道。結(jié)構(gòu)沉降在10 mm以下時(shí), CRTSⅡ型板式無砟軌道與CRTSⅢ型板式無砟軌道對(duì)軌道變形傳導(dǎo)差異不明顯（＜5%）, 隨著結(jié)構(gòu)沉降增加, 差異逐漸增加, 最大沉降20 mm時(shí), 差異值達(dá)到1.1 mm。無砟軌道的變形傳遞主要發(fā)生在底座板與中間層之間。

3 結(jié)論

針對(duì)多個(gè)典型盾構(gòu)穿鐵路工程案例, 采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法建立地層-結(jié)構(gòu)、無砟軌道-隧道/路基耦合模型等靜力模型, 研究了盾構(gòu)下穿高速鐵路路基、隧道的穿越變形規(guī)律以及變形傳遞規(guī)律, 對(duì)比已有的項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出結(jié)論如下：

（1）國(guó)鐵地下直徑線隧道底板變形與軌道變形存在明顯差異（＞1 mm）；主要原因是由于下穿凈距小, 沉降槽影響范圍小。穿越凈距越大, 對(duì)既有隧道的影響范圍越大, 結(jié)構(gòu)與軌道之間的差異沉降越小。

（2）隧道剛度越大, 相同條件下軌道與結(jié)構(gòu)的差異變形就越小。案例2與案例3最大沉降值相當(dāng)條件下, 由于盾構(gòu)隧道剛度相對(duì)較小, 案例3結(jié)構(gòu)與軌道之間的變形明顯大于工程案例2；U形槽隧道由于存在變形縫結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較小, 結(jié)構(gòu)底板與軌道變形差異相對(duì)較小；碎石道床計(jì)算路基沉降與軌道道床沉降基本一致。

（3）隨著不同類別隧道結(jié)構(gòu)剛度逐漸增加, 在相同沉降條件下, 傳遞至鋼軌的豎向變形逐漸增加, 盾構(gòu)隧道與路基U形槽的鋼軌差異變形較明挖法隧道增大約25%, 最大的差異變形均發(fā)生在隧道結(jié)構(gòu)與無砟軌道支承層之間, 總差異沉降占比約為60%~85%。

（4）不同地層條件主要影響穿越后隧道結(jié)構(gòu)的最大沉降值, 沉降值隨著土層模量參數(shù)增大逐漸減小, 不同地層條件對(duì)隧道-軌道的變形傳導(dǎo)規(guī)律無明顯影響。

（5）在相同結(jié)構(gòu)變形條件下, CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道變形小于CRTSⅢ型板式無砟軌道。結(jié)構(gòu)沉降在10 mm以下時(shí), CRTSⅡ型板式無砟軌道與CRTSⅢ型板式無砟軌道對(duì)軌道變形傳導(dǎo)差異不明顯（＜5%）, 隨著結(jié)構(gòu)沉降增加, 差異逐漸增加, 最大沉降20 mm時(shí), 差異值達(dá)到1.1 mm。2種無砟軌道變形傳遞主要發(fā)生在底座板與中間層之間。