盾構穿越施工對運營鐵路股道的變形影響分析

第一作者簡介：李瀚源（1994-），男，博士。研究方向為盾構隧道設計、施工方面的關鍵技術。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.020

摘" 要：依托北京地鐵3號線盾構下穿北京朝陽站鐵路股道區(qū)工程，通過數(shù)值計算并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析區(qū)間盾構穿越施工過程中既有鐵路路基變形特征，探討板樁加固體系及地面注漿加固對鐵路股道的變形控制效果。研究結果表明，板樁加固體系可顯著降低盾構穿越施工引起的鐵路路基變形，股道6#路基最大沉降變形僅為1.27 mm，地面注漿加固方案對鐵路路基變形控制效果弱于板樁加固體系，但盾構穿越后鐵路路基最大沉降值仍滿足沉降控制標準，而僅通過隧道二次補漿加固地層并不能保證既有鐵路線路運營安全。研究成果可以為類似工程提供參考。

關鍵詞：盾構隧道；數(shù)值模擬；沉降變形；現(xiàn)場實測；鐵路路基

中圖分類號：U455" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0084-05

Abstract： Relying on the project of shield tunneling through the railway track area of Beijing Chaoyang Station on Beijing Metro Line 3， through numerical calculation and field measured data， the deformation characteristics of existing railway roadbed during interval shield crossing construction are analyzed. The deformation control effect of sheet pile reinforcement system and ground grouting reinforcement on railway track is discussed. The research results show that the sheet pile reinforcement system can significantly reduce the railway roadbed deformation caused by shield crossing construction， and the maximum settlement deformation of track roadbed 6# is only 1.27 mm. The control effect of ground grouting reinforcement scheme on railway roadbed deformation is weaker than that of sheet pile reinforcement system， but the maximum settlement value of railway roadbed after shield crossing still meets the settlement control standard. However， only the secondary grouting of the tunnel can not ensure the safety of the existing railway line operation. The research results can provide reference for similar projects.

Keywords： shield tunnel; numerical simulation; settlement deformation; field measurement; railway subgrade

地鐵工程作為城市地下交通網(wǎng)絡的重要組成部分，近年來在我國各大城市交通網(wǎng)絡建設中得到了快速發(fā)展[1]。盾構法因其施工機械化程度高、施工速度快、安全性較高且對周邊環(huán)境影響小，已逐步發(fā)展成為城市地鐵工程建設的首選施工方法[2]。然而，隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，盾構施工環(huán)境變得越來越復雜，導致地鐵隧道穿越既有隧道、民房、地下管線和鐵路線路等現(xiàn)象屢見不鮮，并成為了制約工程順利實施的控制性節(jié)點。

長期以來盾構穿越施工對周邊環(huán)境影響研究一直是學者們關注的熱點問題。趙文才[3]通過開展鄭州地鐵4號線穿越鐵路股道數(shù)值計算及現(xiàn)場實測研究，將盾構穿越施工引起的地表變形共分為3個階段，認為沉降變形主要集中在中期沉階段。周丁恒等[4]總結了北京地鐵12號線下穿京張高鐵隧道過程中既有高鐵隧道的豎向位移和橫向位移隨施工步序變化特征。陳海豐等[5]以蘇州地鐵2號線下穿滬寧城際高鐵為背景，結合數(shù)值模擬和理論分析，研究了盾構下穿既有鐵路的加固控制措施。齊勇[6]依托南寧地鐵3號線隧道下穿鐵路股道工程，采用數(shù)值模擬方法分析了D型便梁加固和洞內注漿加固措施的變形控制效果。Peng等[7]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結合方法，研究了地鐵盾構下穿高鐵橋梁的變形與控制措施。

本研究以北京地鐵3號線區(qū)間盾構隧道下穿京沈客專朝陽站鐵路股道區(qū)工程為背景，結合數(shù)值仿真計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析雙線地鐵盾構下穿施工對既有鐵路股道區(qū)沉降變形的影響，并對比設置板樁加固體系、地面注漿防護方案對既有鐵路路基變形控制效果。

1" 工程概況

北京地鐵3號線一期工程星火站—體育中心站區(qū)間盾構下穿京沈客專朝陽站鐵路股道區(qū)，共計穿越17條運營鐵路股道，其中7條為普速股道，10條為高鐵股道，穿越施工段總長度約340 m。根據(jù)現(xiàn)場調研資料，10股高鐵及普速16#道、17#道的穿越位置處設置有板樁加固體系。穿越處線路間距約3.5～22.5 m，地鐵區(qū)間埋深約17.6～19.5 m。區(qū)間盾構管片外徑6.4 m，內徑5.8 m，管片環(huán)寬1.2 m，左右線均自體育中心站始發(fā)，星火站接收。星火站—體育中心站區(qū)間盾構穿越北京朝陽站北咽喉區(qū)平面圖及剖面圖如圖1、2所示。

由于本次研究的重點為盾構下穿施工中，板樁加固體系及地面注漿加固對鐵路路基變形控制效果，因此研究范圍選擇股道1#—6#，其中股道6#位于板樁加固體系上方，股道1#—4#位于地面注漿加固區(qū)域上方。

根據(jù)本項目設計要求及安全評估報告建議，通過調研相關類似工程施工經(jīng)驗，同時考慮到現(xiàn)有常規(guī)測量儀器的監(jiān)測精度及既有鐵路運營安全要求，綜合確定鐵路路基各監(jiān)測項目的變形控制值，并將變形監(jiān)測控制值的60%作為預警值，鐵路路基變形控制標準見表1。

2" 數(shù)值模擬分析

2.1" 數(shù)值模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值分析模型，數(shù)值模型按照實際工況建模，模型中共考慮了盾構管片結構、同步注漿層、地層加固圈、運營鐵路路基、板樁加固體系、排水箱涵及路面注漿防護等。數(shù)值模型整體示意及各部分位置關系如圖3所示。其中，模型x方向長分別為125 m和110 m，y方向長105 m，z方向高50 m，盾構掘進方向每環(huán)取1.2 m，共426 906個單元。

數(shù)值模型中板凳樁采用B31單元模擬，盾殼采用S4R殼單元模擬，其余部分均采用實體單元模擬。為了保證數(shù)值計算精度，隧道管片采用C3D8R單元模擬，其余實體單元均為C3D10單元。對于排水箱涵下方的CFG樁模擬，按照剛度等效原則對CFG樁進行簡化處理。除了巖土體的本構模型采用彈塑性本構模擬，并假定其符合摩爾庫倫屈服準則，其余各部分材料屬性均采用彈性本構模擬。數(shù)值模型中各部分物理力學參數(shù)取值見表2。

2.2" 盾構施工模擬方法

盾構施工過程主要包含施加開挖面支護壓力、地層開挖、盾殼支護地層、管片拼裝、同步注漿、注漿層硬化及二次補漿等。圖4為盾構掘進模擬方法，首先在開挖面前方施加面荷載近似模擬土艙支護壓力，然后鈍化開挖面前方部分土體，盾殼向前方移動相同的距離，同時激活盾尾1環(huán)管片及同步注漿層單元，模擬管片的拼裝及同步注漿過程。當管片激活6環(huán)之后，修改第1環(huán)管片外注漿層屬性，模擬同步注漿硬化過程，并激活第1環(huán)管片外側地層加固單元。至此，完成1次完整的盾構施工過程，然后進行循環(huán)開挖，直至盾構管片全部激活、同步注漿層全部硬化，并完成全部的二次補漿加固地層。

3" 計算結果分析

3.1" 鐵路路基沉降變形分析

圖5所示為盾構下穿板樁加固區(qū)鐵路股道6#路基沉降變形曲線。由圖5可知，在板樁體系保護下，鐵路路基沉降變形較小，數(shù)值模擬算得左線盾構穿越后路基最大沉降為0.87 mm，右線盾構穿越后的路基最終沉降為1.27 mm，而現(xiàn)場監(jiān)測得到的路基最大沉降為0.82 mm。以上鐵路路基變形數(shù)值遠小于路基沉降預警值4.8 mm，說明板樁加固方案對既有鐵路股道的保護作用較為顯著，在該區(qū)段盾構穿越施工時，無需采用其他輔助保護措施。

圖6所示為盾構下穿地面注漿加固區(qū)鐵路股道2#、4#路基沉降變形，考慮了注漿加固與無保護措施兩組工況。由圖可知，當考慮地面注漿加固地層后，鐵路路基2#、4#的最大沉降變形分別為4.3 mm和3.9 mm，數(shù)值上明顯大于6#，說明地面注漿加固方案對鐵路路基變形保護效果明顯弱于板樁加固方案，但地面注漿加固方案得到的路基最大沉降值均小于鐵路路基10 mm的沉降控制值，鐵路路基變形仍滿足要求。當不進行地面注漿加固地層時，鐵路路基2#、4#的最大沉降變形分別為10.5 mm和7.6 mm，數(shù)值上已不滿足鐵路路基沉降變形控制標準。

以上結果表明，僅通過洞內二次補漿加固地層無法保證鐵路股道2#、4#的運營安全。因此，建議在盾構穿越施工之前進行地面注漿加固。此外，鐵路股道4#路基最大沉降小于股道2#，主要原因是4#股道位于板樁加固區(qū)邊緣，因此板樁加固體系對鐵路4#路基產生了一定保護作用。

3.2" 排水箱涵及板樁保護體系變形分析

圖7為雙線盾構穿越后既有排水箱涵沉降變形云圖。由圖7可知，在板樁加固區(qū)內，排水箱涵并無明顯豎向沉降變形，排水箱涵豎向變形主要位于地面注漿加固區(qū)。當考慮地面注漿加固時，排水箱涵最大沉降量為3.5 mm，當不考慮地面注漿加固時，排水箱涵最大沉降量達到了8.4 mm。以上結果表明地面注漿加固可以降低排水箱涵的沉降變形，對其結構安全具有顯著保護作用。

圖8為雙線盾構穿越后，板凳樁水平變形云圖?？梢钥闯?，盾構左右線穿越施工后板凳樁的最大水平位移分別為2.56 mm和1.85 mm，遠小于樁基礎建筑物允許的10 mm側向位移限值，表明在盾構下穿施工過程中，板凳樁可保持長期穩(wěn)定性，板樁加固體系不會發(fā)生失效破壞。

3.3" 管片結構變形分析

圖9所示為不同工況雙線盾構穿越施工后，盾構隧道豎向變形云圖。由圖9（a）可知，板樁加固區(qū)盾構管片沉降變形較小，最大沉降變形僅為5.6 mm，說明設置板樁加固體系對隧道管片橫向受力是有利的。相比之下，地面注漿加固方案同樣可以降低隧道管片沉降變形，其最大沉降變形為8.7 mm，略大于板樁加固方案。當不采取地面注漿加固措施時，隧道管片拱頂沉降變形顯著增大，如圖9（b）所示，最大沉降變形達到了15.1 mm。

圖10為兩工況隧道拱頂沉降變形沿隧道掘進方向分布曲線。可以看出，當盾構施工遠離板樁加固區(qū)后，不考慮地面注漿加固方案隧道拱頂差異沉降較為顯著，最大縱向差異沉降達到了13.8 mm/m。沿隧道軸線方向的管片不均勻變形將會造成管片環(huán)縫接頭張開與錯臺，引發(fā)結構滲漏水。因此，從盾構隧道結構安全角度，建議在板樁體系外側隧道掘進范圍內實施地面注漿加固，以保障盾構隧道結構長期安全。

4" 結論

本文依托實際工程，采用數(shù)值計算與現(xiàn)場實測相結合的手段，研究了地鐵盾構下穿運營鐵路股道區(qū)既有鐵路路基沉降變形規(guī)律，探討了設置板樁加固體系及地面注漿加固等方案對鐵路路基變形控制效果，主要研究結論如下。

1）盾構穿越板樁加固區(qū)既有鐵路路基最大沉降變形為1.27 mm，遠小于鐵路路基的4.8 mm變形預警值。板凳樁側向最大變形僅為2.56 mm，板樁加固體系滿足長期穩(wěn)定性條件。管片拱頂沉降值顯著降低，說明板樁加固體系對隧道管片橫向受力是有利的。

2）地面注漿加固地層可以保證運營鐵路路基沉降變形滿足控制指標，同時降低既有排水箱涵沉降變形。當不設置地面注漿加固區(qū)時，既有鐵路路基沉降值不滿足變形控制標準，沿隧道掘進方向的管片拱頂差異沉降較大，威脅隧道結構的長期安全性。建議在盾構穿越施工之前實施地面注漿加固。

參考文獻：

[1] 王福文，馮愛軍.2022年我國城市軌道交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計與發(fā)展分析[J].隧道建設（中英文），2023，43（3）：521-528.

[2] 趙方彬.盾構法修建地鐵隧道的技術現(xiàn)狀與展望[J].工程建設與設計，2018（20）：191-192.

[3] 趙文才.大縱坡小曲線半徑盾構隧道下穿對鐵路變形的影響研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學，2019.

[4] 周丁恒，田雪娟，李長安，等.暗挖地鐵隧道下穿高速鐵路隧道保護措施研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2021，40（9）：86-91，108.

[5] 陳海豐，袁大軍，王飛，等.軟弱地層地鐵盾構下穿高鐵的安全控制技術研究[J].土木工程學報，2015，48（S1）：256-260.

[6] 齊勇.盾構下穿既有鐵路股道地基沉降控制與加固研究[J].地下空間與工程學報，2018，14（3）：819-827．

[7] PENG H， WEI J C， ZHANG B. Settlement control and impact analysis of the subwayshield under-passing beijing-shanghai high speed railway bridge[J]. Applied Mechanics amp;Materials， 2012（226-228）：1655-1660.