铁路施工诱发地层变形特征分析

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随着城市轨道交通工程的快速发展，盾构隧道施工不可避免的需要穿越既有建筑物，降低盾构穿越施工引起的地层响应，对维持既有建筑物的稳定至关重要。本文依托合肥地铁2号线盾构隧道下穿淮南线与合宁绕行线铁路工程，采用MIDAS-GTS有限元分析软件，分析了盾构隧道下穿铁路路基引起的地层变形特征，提出了相应的地表沉降控制方法，研究成果可为相关工程提供借鉴。随着我国城市建设水平的快速推进，城市轨道交通扮演着越来越重要的角色，而盾构法广泛应用于相关隧道工程的修建。随着地表建筑物数量日益增多，盾构隧道近距下穿既有建筑物的情况不可避免，而掘进施工诱发的地表沉降对既有结构影响显著。因此，准确评估盾构下穿施工引起的地层变形规律，提出相应的控制措施，能够有效降低施工扰动对既有结构的影响。本研究以合肥地铁2号线盾构隧道下穿淮南线与合宁绕行线铁路工程为依托，采用MIDAS-GTS软件，建立三维有限元模型，分析盾构下穿铁路施工引起的地层变形规律，并改进peck沉降计算公式，研究成果可为相关工程提供参考依据。

一、工程概况

1.下穿区间合肥地铁2号线东延线工程于三十埠站至护城路站区间隧道下穿三十埠跨淮南铁路桥和淮南线与合宁绕行线铁路路基。区间纵断面整体呈V型坡，出三十埠站后设4段下坡，分别为28‰、5‰、20‰、5‰，到达线路最低点；之后设置3段上坡，分别为3.66‰、15‰、25‰，进入护城路站。穿越地层主要为不透水硬塑状黏土层。区间线路长1841.943m（右线），线间距10~28米，隧道埋深约9.6~28m。隧道整体采用盾构法施工。2.隧道位置关系区间盾构隧道下穿铁路路基的位置关系如图1所示，地铁区间线路为东西走向，铁路为西北-东南走向，区间隧道与铁路法线夹角约43°。在下穿范围内，地铁左右线的线间距约为10m，隧道与路基竖向距离24.3m。3.水文地质条件盾构隧道主要穿越土层为少水硬塑状黏土，层位稳定，连续，层厚较大，一般厚30~35m。4.隧道结构尺寸盾构圆形隧道限界为Φ5400mm，根据国内相似地铁工程盾构隧道穿过软弱地层已有的设计、施工及运营经验，考虑综合施工误差为±100mm，后期沉降50mm，衬砌环内径可采用Φ5500mm的衬砌环内径。

二、数值模拟分析

1.假设条件计算分析采用MIDASGTS软件构建数值模型，主要假设如下：（1）假定开挖地层各向同性且连续均匀分布，土体采用修正Mohr-Coulomb模型。（2）盾构、管片以及基坑围护结构均采用板单元，用线弹性材料模拟。（3）忽略地下水的渗流作用（4）模型四周边界采用单向铰支约束，下表面采用三向铰接约束，上表面为自由面。（5）先进行开挖，再以原场应力20%的标准进行应力释放，然后施加支护并释放剩余应力，同时添加地面活荷载20kPa与轨道荷载70kPa。2.计算参数盾构下穿淮南线（合宁绕行线），综合采取加强盾构外壁与土体之间间隙的注浆（特殊浆液）、控制掘进速度，同步注浆及其他措施，地层损失率可进一步降低，计算分析中采用5‰的地层损失率来计算，考察盾构隧道施工对铁路普速路基及道岔区的变形影响。本次计算分析结合合肥地层及施工经验，选择适用于合肥地层典型的地层损失率，对盾构施工的影响进行三维分析。应力释放系数在开挖阶段选取0.2，拼装盾构管片完成阶段选取0.8。主要的土体材料见表1。3.模型尺寸模型采用GTSNX模块进行三维分析，分析部参照实际开挖步序。有限元模型如图所示，模型长、宽、高分别为270m×1250m×60m。模拟过程按照先开挖左线隧道，后开挖右线隧道的顺序展开，隧道模型整体穿越既有铁路路基，其他相关风险源进行着重选取，模型详见图2。4.计算结果（1）地层沉降分析区间隧道施工后的地层变形及路基云图如图3、4、5所示：图3水平位移云图图4垂直位移云图图5淮南线及合宁绕行线路基沉降云图经计算结果可知，淮南线与合宁绕行线路基最大竖向位移5.12mm，水平位移0.348mm；铁路路基坡脚沉降值为3.5mm，满足安全要求。北侧道岔（8号道岔）最大沉降0.923mm，南侧道岔（4号道岔）最大沉降0.428mm；接触网立柱最大沉降为3.465mm，最大差异沉降为1.265mm，均满足控制要求。（2）地层变形分析为了进一步分析盾构施工在一定范围内对铁路路基产生影响，结合树脂分析结果绘制沉降曲线。通过路基沉降曲线可知，盾构开挖在距离路基40m左右的位置开始对铁路路基产生影响，在离开铁路路基40m左右的位置影响几乎为零。

三、工程技术措施与建议

1.严格控制地层损失根据模拟结果可知，盾构区间隧道施工过程中地层损失率控制在0.4%~0.5%以内时能够有效降低地层变形对既有铁路线及相关建筑物的影响。2.管片预留注浆孔盾构隧道穿越段沿管片环向增设二次补偿注浆孔，根据实际的监测结果按需求及时开展二次补充注浆。如果需要增强注浆效果，可通过在周边地层预设注浆孔对周边土体进行注浆加固，以此达到控制土体沉降与变形。3.适当限速列车限速60km/h，减速慢行。并根据铁路线路监测数据实时变化情况及时调整列车通行速度。4.加强线路养护施工期间，防护人员加强养护措施，及时检查线路状况，出现异常时能够立即采取控制措施。5.施工监测为了确保盾构推进的安全性，在盾构穿越既有铁路线时必须进行实时监测。对于盾构施工中沉降量变化幅度较大部位，根据实际情况提高监测频率，确保监测结果的准确性。

四、结语

本文依托合肥地铁2号线盾构隧道下穿淮南线及合宁绕行线工程，采用数值模拟分析了盾构施工诱发的地层变形特征，提出了工程控制措施，主要结论如下：（1）盾构隧道施工阶段数值模拟采用5‰的地层损失率进行计算对铁路路基及道岔区的变形影响，采用开挖荷载释放0.2，拼装盾构管片荷载释放系数0.8，结果表明地表位移计算值与沉降值接近，参数拟合合理。（2）运用GTSNX模拟隧道开挖，通过路基沉降曲线发现，距路基40m位置开始对路基产生影响，在离开铁路路基40m左右的位置几乎无影响。（3）通过采取一系列控制措施，使施工达到盾构穿越铁路变形控制的要求，使沉降在安全范围之内，在不影响周围构筑物的前提下保证施工顺利进行。

作者：邓晓飞 解冰冰 单位：中铁五局集团有限公司