地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路影響分析

1、地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路影響分析 【摘要】結(jié)合實(shí)際工程采用peck經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)值模擬方式，預(yù)測盾構(gòu)隧道推進(jìn)對(duì)鐵路的沉降影響，分析鐵路荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響，并對(duì)該地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程提出具體處理措施及對(duì)策。 【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道；下穿鐵路；數(shù)值模擬；加固 0 引言 隨著城市發(fā)展，地面交通日益緊張，開發(fā)地下空間，發(fā)展軌道交通已是大勢所趨。因地鐵建設(shè)與既有建構(gòu)筑物相互影響無法完全避免，所以進(jìn)行地鐵盾構(gòu)隧道下穿建構(gòu)筑物的影響分析是很有必要的。 1 工程概況 本工程既有結(jié)構(gòu)為北倉鐵路，現(xiàn)要施工一條雙線下穿盾構(gòu)隧道，與鐵路斜交。鐵路與隧道平剖面位置關(guān)系如下所示： 圖1 平面關(guān)系圖 圖2 剖面關(guān)系圖 擬定

2、先推進(jìn)上行線，后推進(jìn)下行線。擬通過數(shù)值模擬考察：1）在土體加固與不加固兩種情況下盾構(gòu)隧道推進(jìn)對(duì)鐵路的沉降影響，以驗(yàn)證加固方案效果；2）鐵路荷載對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)力的影響，以優(yōu)化管片設(shè)計(jì)。 2 盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路的影響分析 國內(nèi)外研究表明，盾構(gòu)隧道施工引起的地層變形主要原因有以下幾點(diǎn)： 1）盾構(gòu)推進(jìn)方向改變、超挖等； 2）受擾動(dòng)土體的再固結(jié)； 3）土體與襯砌的相互作用； 4）土體擠入盾尾空隙。 目前用于預(yù)測盾構(gòu)法掘進(jìn)引起土體變形的主要方法有經(jīng)驗(yàn)公式法（結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)）和考慮施工過程的數(shù)值分析法。 2.1 Peck法沉降估算 在軟弱土層中采用盾構(gòu)施工，因地層損失和土體擾動(dòng)，必然引起地表變形。主要表現(xiàn)在盾

3、構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的前方和頂部產(chǎn)生微量的隆起，盾尾脫離以后，地表開始下沉，并形成一定寬度的沉降槽地帶，下沉的速率隨時(shí)間而逐漸衰減，且與盾構(gòu)所經(jīng)過的地層、施工工況和地表荷載等有密切的關(guān)系，并表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)牟町愋浴?對(duì)于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降預(yù)測，派克（Peck，1969年）提出了地層損失的概念和估算方法。在不排水條件下，沉槽體積等于地層損失的體積，地面沉降的橫向分布呈正態(tài)分布曲線，具體地面沉降量的估算公式如下： 注： 沉降量； 盾構(gòu)隧道單位長度地層損失量； 沉降槽寬度系數(shù)，是土壤條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。 按盾構(gòu)隧道正常施工時(shí)0.5%的地層損失率進(jìn)行計(jì)算，上行線隧道先行掘進(jìn)施工時(shí)，最大地面沉降位

4、于上行線隧道中心正上方，其值為-10.62 mm，當(dāng)上行線隧道施工完成，下行線隧道施工對(duì)地面的影響累積后，其地面最大沉降位置出現(xiàn)在兩盾構(gòu)隧道施工的中間靠下行線盾構(gòu)側(cè)正上方，最大沉降值為-15.66 mm。 2.2 數(shù)值模擬分析 2.2.1 模型的建立 采用GTS有限元軟件，簡化為三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。模型尺寸為90m*90m*90m。在模型底部施加水平及豎直方向約束，在四周施加水平方向約束。 （1）盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5m，管片厚度為0.35m厚，管片寬度為1.2m，不考慮管片分塊情況，按整環(huán)考慮； （2）土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coloumb模型，襯砌采用板單元模擬； （3）加固方案：加固范圍

5、為隧道周邊2m，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Ps1.0 MPa； （4）荷載：盾構(gòu)頂推力取25103kN，注漿壓力取0.3MPa。 2.2.3計(jì)算結(jié)果 盾構(gòu)法施工時(shí)，沿隧道縱向軸線所產(chǎn)生的地表變形，一般在盾構(gòu)前方約1倍埋深的距離內(nèi)地表開始隆起，在盾構(gòu)通過以后地表逐漸下沉，其下沉量隨時(shí)間逐步增加并最終趨于穩(wěn)定。加固后的上行線掘進(jìn)引起的地表沉降最大值為-10.10mm，不加固的地表沉降最大值為-14.90mm，減小48%，加固效果較為明顯。 圖6 上行線掘進(jìn)引起的地表沉降曲線圖 3 鐵路列車荷載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響 根據(jù)是否考慮鐵路列車荷載、以及是否加固組合了三種工況，計(jì)算不同工況下盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力。為簡化計(jì)算

6、，鐵路列車豎向靜活載按100kN/m取值。計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值如表2所示。 由表2可以看出，考慮鐵路列車荷載時(shí)，不加固與加固后的最大彎矩分別比不考慮列車荷載時(shí)增大了11.9 %及2.5%，加固后的最大彎矩比不加固時(shí)減小12.5%。 4 處理措施及對(duì)策 為減小地鐵與北侖鐵路的相互擾動(dòng)，可從兩點(diǎn)著手：一、采取措施減小列車動(dòng)荷載對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響，從外因減小盾構(gòu)管片的變形；二、加強(qiáng)管片的強(qiáng)度和剛度，從內(nèi)因提高抵抗變形的能力。 通過對(duì)盾構(gòu)周圍土體進(jìn)行加固，可均勻土層應(yīng)力分布，減少隧道與周圍土體之間的剛度差異，從而減小隧道結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載以減小管片內(nèi)力，同時(shí)增加了土體抗力增強(qiáng)變形控制能力。 結(jié)合本工

7、程地質(zhì)情況、隧道覆土、荷載等各方面因素，確定采取如下措施： 4.1鐵路線路預(yù)加固 采用主動(dòng)加固結(jié)合扣軌加固方案。鐵路兩側(cè)采用高壓旋噴樁加固，旋噴樁之間為主加固區(qū)，采用注漿加固；旋噴樁外側(cè)為次加固區(qū)，采用壓密注漿加固。旋噴樁加固區(qū)自地面至隧道下方2 m，主、次加固區(qū)加固深度為隧道上、下方2 m。主加固區(qū)與次加固區(qū)之間在強(qiáng)度及剛度上要求逐漸降低，形成過渡。 圖4-1 鐵路線路預(yù)加固示意 加固區(qū)的主要注漿參數(shù)：旋噴加固28d后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Ps1.0 MPa；主加固區(qū)，Ps1.0 MPa；次加固區(qū)，Ps0.8 MPa。 4.2 增強(qiáng)管片 對(duì)鐵路影響范圍內(nèi)的隧道采用加強(qiáng)配筋的鋼筋混凝土管片。 4.3

8、 盾構(gòu)掘進(jìn)控制 1）在盾構(gòu)進(jìn)入之前，盡量將盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整至最佳，盾構(gòu)均衡勻速施工，同時(shí)盡量少做糾偏動(dòng)作，即使做糾偏動(dòng)作，幅度也不宜過大。 2）必須嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)切口平衡壓力及相關(guān)參數(shù)，如推進(jìn)速度、總推力、出土量等，盡量減少土壓力的波動(dòng)。 3）加強(qiáng)同步注漿管理。嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，通過同步注漿及時(shí)填筑建筑空隙，減少施工過程中的土體變形。 4）根據(jù)監(jiān)測情況，必要時(shí)進(jìn)行二次壁后注漿，并根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況隨時(shí)調(diào)整注漿量及注漿參數(shù)，從而使地層變形量減至最小 4.4 盾構(gòu)穿越后安全措施 盾尾脫離線路后，對(duì)路基變形進(jìn)行跟蹤監(jiān)測直至數(shù)據(jù)穩(wěn)定收斂。采取注漿和道碴抬道相結(jié)合的方法，調(diào)整路基面到規(guī)定標(biāo)高。同時(shí)由工務(wù)部門配合校正軌道各部幾何尺寸，待達(dá)到鐵路規(guī)范所規(guī)定的通車條件后，方可恢復(fù)正常行車。 參考文獻(xiàn)： 1 陳昊.雙圓盾構(gòu)隧道地表沉降分析.上海交通大學(xué)，2007，1 2 朱洪高，鄭宜楓，陳昊.雙圓盾構(gòu)隧道土體地表沉降特性.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，2.