（道路与铁道工程专业论文）盾构隧道下穿轨道交通地面线变形及动力响应研究.pdf

j， ：。i i ：。【 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 易垃 签字日期：加口年乡月 弓日 导师签名：钐芗 签字同期：如l 。年f 月巧日 ，：， 中图分类号：u 2 3 9 5 u d c ：6 2 5 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 盾构隧道穿越轨道交通地面线 变形及动力响应研究 s t u d yo nt h et r a c kd e f o r m a t i o na n dd y n a m i cr e s p o n s eu n d e rt h e c o n d i t i o n so fs h i e l dt u n n e ld o w n - t r a v e r s i n gt h eg r o u n d r a i l w a y t r a f f i cl i n e 作者姓名：彭超 导师姓名：彭华 学位类别：工学 学科专业：道路与铁道工程 学号：0 8 1 2 1 7 4 9 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：轨道结构理论与技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师彭华副教授的悉心指导下完成的，彭华副教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 彭华老师对我的关心和指导。 彭华副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向彭华老师表示衷心的谢意。 彭华副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，肖亮、杨坤、李莹春等同学对我论文中的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 中文摘要 摘要：近年来城市轨道交通发展迅速，隧道开挖下穿既有地面线路的情况日益增 多，而施工引起的地层沉降会导致轨道结构变形，这势必对线路的安全运营造成 不利影响。当前盾构法己成为城市地铁施工中一种重要的施工方法，盾构推进引 起地层移动的主要因素有盾构直径、埋深、土质、施工条件等。本文以土压平衡 盾构机为例，使用通用有限元分析软件a b a q u s ，采用整体法分析法，建立土体、 道床、路基、轨道整体模型，选取合理的参数，模拟盾构施工过程，主要研究成 果有以下几个方面： ( 一) 通过对比盾构参数变化条件下轨道变形规律的差异，包括单线条件下改 变开挖深度、直径、以及双线条件下超前开挖，为施工提供合理建议。 ( 二) 建立车辆一轨道垂向耦合动力学模型，分析盾构施工后所产生的轨道的 静不平顺对轨道动力特性和车辆走行性能的影响，主要分析钢轨、车体垂向加速 度、钢轨动位移及轮轨力的变化规律，为线路运营提供合理建议。 关键词：既有地面线路；轨道变形；动力特性；盾构隧道：a b a q u s 分类号：u 2 3 9 5 ， a b s t r a c t a b s t r a c t ：i nr e c e n ty e a r s ，w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a n s i t ， n u m b e ro fc a s e sl i k et u n n e le x c a v a t i o nt h r o u g he x i s t i n gl i n eg r o w sr a p i d l y t h eg r o u n d s e t t l e m e n tc a u s e db yt h ee x c a v a t i o nw i l ll e a dt ot h ed e f o r m a t i o no ft h et r a c ks t r u c t u r e , w h i c hi n e v i t a b l ye f f e c t st h eo p e r a t i o na n ds a f e t yo ft h ew h o l el i n e c u r r e n t l y , s h i e l d e x c a v a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tm e t h o di nt h ec o n s t r u c t i o no fc i t ys u b w a y t h e f o l l o w i n gf a c t o r sc a u s et h eg r o u n dm o v e m e n ti ns h i e l de x c a v a t i o n ：s h i e l dd i a m e t e r ， s h i e l dd e p t h ，t h ep r o p e r t yo fs o i la n dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，e t c i nt h i sp a p e r , i th a s t a k e nt h ee a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l dt u n n e l i n gm a c h i n ea sa l le x a m p l e ，u s i n gi n t e g r a l a n a l y s i sm e t h o d b yt h eg e n e r a l - p u r p o s ef m i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s ，i t b u i l d st h ew h o l em o d e lo fs o i l ，t r a c kb e d ，s u b g r a d ea n dt h et r a c k t h ep r o c e s so fs h i e l d e x c a v a t i o nw a ss i m u l a t e dw i t ht h er e a s o n a b l ep a r a m e t e r s f o l l o w i n ga r et h em a i n r e s e a r c hf i n d i n g s ： ( 1 ) c o m p a r i n gt h eb a s i cr u l e so ft r a i c ks t r u c t u r ed e f o r m a t i o ni nt h ee x c a v a t i o n p r o c e s sw i t hd i f f e r e n ts h i e dc o n d i t i o n sw h i c hi n c l u d e ss h i e dd i a m e t e r ，d e p t ha n do n e t u n n e le x c a v a t e di na d v a n c e ，i tp r o p o s e ss o m er e a s o n a b l ec o n s t r u c t i o ns u g g e s t i o n ( 2 ) t h ev e r t i c a lv e h i c l e - t r a c kc o u p l i n gm o d e lw a sb u i l tt oa n a l y s i st h ei m p a c to n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a c ka n dv e h i c l er u n n i n gb e h a v i o rc a u s e db yt h e e x c a v a t i o ns t a t i ci r r e g u l a r i t yf r o mt h ee x c a v a t i o n t h em a i n l ya n a l y s i so b j e c t sa r et h e v e r t i c a la c c e l e r a t i o no fr a i la n dv e h i c l e , t h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n to fr a i la n dt h e w h e e l r a i lc o n t a c tf o r c e i ta l s og i v e ss o m e o p e r a t i o ns u g g e s t i o n s k e y w o r d s ：e x i s t i n gg r o u n dl i n e ；t r a c kd e f o r m a t i o n ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ； s h i e l dt u n n e l ；a b a q u s c i 。a s s n 0 ：i j 2 3 9 5 ， 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1引言l 1 2国内外研究现状。2 1 2 1 盾构隧道开挖对土体及既有结构物影响的研究现状2 1 2 2 车辆一轨道耦合动力学研究现状4 1 3工程实例介绍。7 1 4本文研究的主要内容和意义8 2盾构施工工法及有限元理论综述9 2 1 土压平衡盾构概述一9 2 2盾构开挖引起地层变形原理分析1 1 2 3 有限元理论及a b a q u s 介绍。13 3盾构下穿条件下轨道变形规律对比分析1 5 3 1 盾构施工过程模拟15 3 1 1 建立初始自重应力场。1 5 3 1 2 盾构开挖步模拟1 7 3 1 3 计算假定1 9 3 2各工况模型建立。1 9 3 2 1 模型概述1 9 3 2 2 模型图1 9 3 3土体参数及轨道结构参数选取2 0 3 3 1 下穿土体参数选取2 0 3 3 2 轨道结构参数选取2 l 3 4各工况下轨道竖向及横向位移影响及规律对比2 2 3 4 1 盾构开挖引起钢轨变形一般规律分析一2 2 3 4 2 改变盾构参数对比分析2 9 3 4 3 超前开挖轨道变形规律分析3 6 3 4 4 土体模型有效性验证4 3 3 5本章小结4 4 4盾构下穿条件下对轨道及列车动力特性影响分析4 5 4 4动力学耦合模型建立5 0 4 5盾构下穿条件下轨道及车辆动力影响分析5 3 4 5 1 轨道结构动力响应分析5 3 4 5 2 车体及轮轨接触动力响应分析5 6 4 6本章小结6 0 5结论6 l 5 1主要结论6 l 5 2展望6 2 参考文献6 3 作者简历6 5 独创性声明6 7 学位论文数据集6 9 1 绪论 4 1 1引言 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加速，交通阻塞逐渐成为各大城市 的突出问题。城市轨道交通具有便捷、快速、大载客量以及运营安全等特点，是 改变目前大中城市交通拥挤状况，保持城市活力十分有效的手段。上世纪9 0 年代 以来，轨道交通在全国各大城市得到了迅速、大规模的发展。除了北京、上海、 天津、广州、深圳等城市已有多条地铁线路投入运营，沈阳、大连、青岛、西安、 成都、重庆、武汉、南京、杭州等城市正在积极兴建或者开展修建地铁的筹备工 作。 城市轨道交通的大规模建设必然带来各条线路的交叉换乘问题，产生很多节 点车站和区间隧道之间的穿越，以北京为例，在2 0 5 0 年北京市区轨道交通规划图 中，节点车站和地铁、城铁区间穿越段的数目多达1 l8 处，这对地铁设计和施工 提出了挑战，与既有线临近施工包括下穿既有线、上穿既有线、平行既有线施工 等多种类型，其中下穿旋工对既有线影响最大。随着北京地铁线路的不断开通， 北京地铁已形成了网络化运营格局，一旦某条线路受到较大影响，就会影响到与 其连接的换乘节点，从而影响整个网络的流畅运作。 当前我国采用的地铁施工方法主要有明挖法、浅埋暗挖法和盾构法。明挖法 施工简单，造价低，但需要占用大量土地，这将带来复杂的地下管线和地面拆迁 工作，严重影响人民正常生活和经济建设的稳定运行；浅埋暗挖法应用广泛，具 有占地少、拆迁少、扰民少的特点，缺点是施工速度慢、安全性低等；相比起来 盾构法虽然设备费用高，却有着不可比拟的优越性：可在盾构支护下安全的开 挖、安装衬砌，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等的影响，能较 经济合理地保证隧道安全施工；盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、 智能化和施工远程控制信息化，掘进速度快，施工劳动强度较低；施工中没有 噪声和振动，对周围环境干扰小；在松软地层中修建7 5 0 m 以上长距离、大直径 隧道时更具有经济、技术、安全等方面的优越性。 随着我国城市轨道交通建设的快速发展，地铁隧道施工对周围环境的影响已 经成为人们十分关注的问题。进行盾构法隧道施工时不可避免地会对周围土体产 生扰动，从而引起土体移动，可能导致房屋、高架桥等建筑物倾斜，甚至开裂、 倒坍，地下管线被破坏；水平位移则可引起桩基偏移及地下管线与通道错位等， 进而导致桩基承载力下降，影响管线与通道的正常使用甚至毁坏。这种影响在国 内北京、上海、广州、深圳、南京和杭州等城市地铁施工中都有不同程度的发生。 不仅如此，随着国铁和地铁的大规模建设，在城市内部不可避免的涉及到地 下工程包括地铁、排污泄洪管道，电力隧道等市政工程下穿国铁既有线路的情况， 为了保障国铁的正常运营，对于地下工程的开挖施工提出了更高的要求。 对于盾构隧道穿越既有线施工过程中，路基不可避免的产生沉降，引起轨道 不平顺，当在小范围内出现较大的沉降时，车辆高速行驶通过该变形区段时会出 现剧烈振动的现象，在加剧了对路基破坏的同时，还会影响行车的舒适性，如此 形成恶性循环必将造成严重后果。这就迫切需要对不同工况下盾构下穿既有线轨 道结构的变形规律及动力响应的影响进行全面的研究，以便最大限度的减小下穿 施工对既有线路的影响，同时为实际施工和线路运营提供借鉴和参考。 1 2国内外研究现状 1 2 1盾构隧道开挖对土体及既有结构物影响的研究现状 土的扰动是指由于外界机械作用造成的土的应力释放，体积、含水量或孔隙 水压力的变化，特别是土体结构的破坏和变化。盾构施工对土体的扰动主要表现 为盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、空隙水压上升与下降所引起土体的变 异、地表隆起与下沉等。盾构法施工引起周围地层变形的内在原因是土体的初始 应力状态发生了变化，使得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。 扰动的影响范围和程度取决于很多因素，包括盾构型式、隧道几何尺寸、旄工参 数仁土仓压力、刀盘扭矩、推进力、出土量、注浆压力、盾尾间隙、土体的性质、 隧道所处的环境、隧道上部荷载的影响等。由于土体损失、周围孔隙水压变化及 衬砌变形等原因，土体原始应力重新分布，原有的平衡状态遭到破坏，导致地表 发生下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及非连续变形等。地表产生 的移动和变形较大时，又会引起地上或地下既有结构物的开裂、沉降、倾斜等问 题。盾构施工引起的土体变形成为现今研究的热点，而研究土体变形是为了控制 其对既有建筑物的危害。 目前对于盾构隧道施工引起的地表变形以及对既有结构的影响的研究国内外 主要有以下几种方法： ( 1 ) 经验公式法。该方法主要通过对地表沉降数据进行统计处理后用数学形 式对其沉降规律加以表示，进而对地表最大沉陷量和沉陷分布进行理论上和经验 上的推理。以p e c k 公式为代表，只要确定了公式的参数就可以得到地面沉降槽曲 2 线。该方法适用于土质条件较好，施工技术设备完善的情况，缺点是缺乏理论基 础，地质条件和隧道施工工法难以全面考虑，需要通过估算消减率来确定最大沉 降，而该参数难以准确得凭经验确定。( 2 ) 模型试验法。该方法通过建立模型来 模拟盾构过程，一是模型难以精确符合实际地质条件和施工参数导致得到的信息 有限，二是建造规模较大的模型不经济，耗费人力财力。( 3 ) 解析法。该方法虽 然精度高，但在解决复杂工程的时候要做简化处理，只有当边界条件比较少且简 单时才适合，得到的结果跟实际往往有较大区别。( 4 ) 数值模拟法。数值法目前 主要有有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、数值流形法等。数值分析 的最大问题是对施工因素考虑的不全面，比如盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、 挖除隧道内部土体引起的竖向卸荷以及结构与土之间的接触等问题。 目前数值分析方法按照建模的方法又可分为两大类： 1 整体分析法。将开挖土体隧道等跟周围结构物作为整体分析，一般用三维有 限元软件分析，计算量较大，可参考实际情况简化或用平面模型处理。 2 两阶段分析方法。将开挖对周围结构物的影响分成两个阶段来分析：首先分 析开挖引起的土体变形，然后将土的变形施加到周围结构物上，分析结构物变形 和内力变化。 国内外专家的成果有： 张庆贺n 1 等利用静力触探实验对盾构引起的周围土体扰动破坏机理进行了理 论分析，研究了盾构推进施工对地层扰动的影响和对周围地层扰动的一般影响规 律。 张云翻等分析了盾构推进引起地表变形的原因，并且将盾尾空隙的大小、注浆 填充的程度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等因素等效成为均质、等厚的等 代层，研究了等代层参数变化对地表变形的影响。 徐永福嘲等以土体应力状态的变化为指标来分析土体受扰动的程度，提出了应 力扰动度的概念，估算了孔隙水压力引起的土体不排水强度的变化，并且根据现 场的观测数据研究了盾构推进对土体的影响程度。 j e n c k h l 等利用有限元软件模拟了盾构施工穿越既有结构的过程，并且考虑了 地层损失和建筑物刚度变化对沉降的影响规律，发现在建筑物下方土体有比较明 显的变形，需要采取加固防护措施。我国学者也应用有限元法对隧道施工进行了 模拟，如于宁等模拟了双线平行隧道施工，发现隧道推进对上方建筑物有较大影 响，隧道在建筑物的作用下产生较大内力，但由于模拟中未考虑建筑物基础，使 得建筑物的内力变化与实际情况有较大偏差。 m r o u e 悔3 等利用三维有限元方法对隧道上方存在建筑物的情况下盾构穿越的影 响进行了分析，与另一种忽略隧道上方结构物的方法进行比较，发现后者的沉降 3 置的不同。 盾构施工对既有结构产生的影响，实质上是隧道施工引起的地层损失问题， 盾构机掘进中地层变位的性状，因地基条件、盾构机型式、掘进和壁后注浆的施 工方法、施工管理以及其他施工条件而异，其机理非常复杂。能将这些影响因素 全部考虑的分析方法目前尚未建立，现在所提出的各种分析方法，都是对应与某 一条件下施工实际的方法。在盾构穿越既有结构施工过程中，结构与土体的相互 响应问题研究较少，大多数仅仅研究地层位移，根据地层位移来分析结构的安全， 而忽略了结构刚度的影响，对于盾构隧道穿越既有构筑物引起的既有结构变形规 律以及土体与既有结构之间的关系问题还有待深入进行研究。对由于隧道开挖引 起地表沉降导致的环境灾害的研究，目前大都集中在既有地下管线、结构物桩基 的影响，对于隧道下穿既有线路的研究还不多。 1 2 2车辆一轨道耦合动力学研究现状 在很长一段时间内，关于轮轨动力学问题的研究被分割成三个独立的研究领 域：机车车辆动力学，轨道动力学及轮轨相互作用，还有一种做法是将轨道基础 视为刚性支承来研究机车，或者将机车车辆当作激振质点来分析轨道，再就是研 究车轮与钢轨之间的相互作用关系。我们认为这些做法大都没有将三者作为一个 整体系统来考虑，根据实际情况可知车辆与轨道是铁路轮轨系统中不可分割的两 个部分，他们相互影响、接触而绝非孤立的系统。实际的情况是轨道的变形引起 车辆振动，而车辆的振动经由轮轨接触界面，又会引起轨道结构振动的加剧，反 过来助长了轨道的变形，由此可见单独拿出系统中的一个部分来分析是不可取的。 正确的做法是用系统综合的思路，将车辆和轨道系统作为一个整体，将轮轨接触 作用作为两者的纽带进行耦合动力学的研究，这样才能更符合实际情况。随着计 算技术的进步和轮轨作用理论不断成熟，这种做法变得切实可行。 当今研究车辆与轨道相互作用问题通常采用理论建模、数值求解与试验验证 相结合的方法。根据研究的具体问题建立数学物理模型，利用数学分析方法得到 系统响应关键参数并同实验和理论分析结果对比来改进理论分析模型。 4 目前的耦合动力学模型将钢轨看做连续弹性离散点支承基础上的无限长e u l e r 梁，轨枕为刚体，道床为刚性质量块，其中钢轨和轨枕考虑其垂向、横向振动和 扭转，道床考虑垂向振动。各部分用线性弹簧和阻尼连接。车辆轨道模型考虑其 垂向和横向振动并完整考虑车辆一、二系悬挂系统在垂向、横向及纵向的相互作 用关系以及车体、构架和轮对在各个方向的运动自由度。高速客车模型考虑抗侧 滚扭杆和抗蛇行减振器的作用，对三大件转向架货车考虑构架抗菱形变形刚度口1 。 不平顺是导致轮轨系统激励作用的来源，类型包括线路接头不平顺、波形线 路、波磨钢轨、车轮擦伤及车轮不圆顺等。依据激扰类型，又分为脉冲型、谐波 型及动力型不平顺。动力型不平顺是指轨道结构缺陷、线路弹性不均、轨枕间距 不等而引起的不平顺，还存在随机不平顺，即低频范围的轨道谱和高频范围的轮 轨表面粗糙度谱，前者主要用于机车车辆的随机振动分析，由实测样本统计得到， 后者用于轮轨噪声分析，己有一些实测谱表达式。 系统激励的输入方式，一种是车轮在轨面上运动过程中输入激励( 图a ) ，一 种是车辆与轨道作用点位置不变，而使一条代表轮轨表面不平顺的激励带以列车 运行速度反向通过轮轨接触界面( 图b ) ，前一种输入方式更接近于实际，但应用 相对困难，因为是移动荷载与连续梁系统之间的动力学相互作用问题。后一种因 其简单易行而在许多理论研究中仍被采用，特别是对于离散点支承轨道模型，它 允许截取较短的轨道长度，从而大大减少计算工作量膪1 。 ( a ) 车轮移动 ( a ) w h e e lm o v e ( = 、 c 么2 屯 ( b ) 不平顺移动 ( b ) i r r e g u l a r i t ym o v e 图1 - i 轮轨激励输入模型9 1 f i g l - 1w h e e l - r a i le x c i t a t i o ni n p u tm o d e l 国内外专家学者对轮轨耦合作用的研究由来已久，由于计算机技术与计算方 法迅速发展，使得数值方法在车辆轨道路基结构动力响应分析中得到广泛应用。 t o s i k a z u h 在9 0 年代等引入了一种数解方法，它通过波传导单元和完全能量 5 反应等：雷晓燕，陈水生将研究重点放在轨道结构部分，采取粗化上部结构细化 下部结构的方式，建立了包含钢轨、轨枕、弹性垫层、道床、路基为一体的轨道 结构分析模型，轨道结构空间分析模型的输入为各轨枕上的荷载谱，考虑了路基 一轨道一车辆系统的空间特性，但未能考虑系统耦合、时变特性；苏谦，蔡英建 立了包括轨道结构和车辆的路基结构空间时变动力系统分析模型，钢轨处理为点 支承等截面有限梁单元，轨枕简化为集中质量块，道砟与路基采用8 节点块体单 元，钢轨与轨枕之间的弹性挚板和扣件用弹簧阻尼单元进行模拟，计算跨数两端 用无限元模拟无限边界，路基土体本构模型采用粘弹性体模型，车辆计算模型采 用8 自由度垂向空间半车模型，车辆系统与轨道子系统之间的耦合作用在垂向平 面内通过轮轨赫兹接触弹簧实现，并将轨面不平顺、路基刚度局部不平顺作为系 统激励，分析了路基一轨道一车辆的振动。 w us f 等用有限元方法确定了多轮车辆作用下轨道一地基的动力响应，基于 车辆及其悬挂系统的动力平衡，得到了车辆特征矩阵，利用直接积分法求出了路 基一车辆的动力响应；j t s h a n h u 建立了三维线弹性轨道一路基有限元模型，在其 模型中钢轨离散为一维梁单元，轨枕、道床、路基离散为2 0 节点块体单元，通过 1 6 节点面单元连接，利用该模型分析了基床模量、道床厚度、钢轨惯性距、轨枕 间距对轨道一路基动力响应影响；t a k e m i y a 对轨道利用有限元，对土体使用边界 元，将两种方法结合得到了轨道路基动力响应分析二维模型，研究了不同轨道基 础形式下，均布带状荷载作用产生的瞬态和稳态响应；l a r sh a l l 利用商业软件 a b a q u s 建立了列车荷载作用下路基3 d 计算模型，钢轨用梁单元模拟，通过共 同节点与轨枕连接，路基采用八节点块体单元，利用吸收s 波与p 波的阻尼单元 模拟无限边界，列车荷载用移动点荷载模拟，材料为线弹性模型，瑞利阻尼，用 该模型所得的计算结果与在l e d s g a a r d 线测试结果符合得很好。 6 1 3工程实例介绍 盾构法穿越既有线路的工程实例在我国已经大量出现： 1 广州市轨道交通三号线 天华】盾构区间右、左线盾构隧道分别在里程 y d k 3 + 9 1 5 - - - + 9 5 6 和z d k 3 + 9 1 8 + 9 5 l 斜穿广深铁路轨道群，右线和左线分别在广 深线里程k 1 1 + 0 9 5 、k 1 1 + 1 0 5 处穿过。广深铁路轨道群共5 股，隧道埋深仅1 l m 。 广深铁路是国际高速轨道，行车速度快密度大，对地面及轨道的沉降要求更高。 采用了土压平衡盾构模式严格控制地面沉降快速掘进通过，隧道与铁路群的平面 关系图如下： 图1 2 隧道与铁路群平面关系图 f i g l - 2p l a n es k e t c hs h o w i n gt h er e l a t i o n s h i pb 咖0 2 nt h et u n n e l a n dt h er a i l w a y 2 北京地铁l o 号穿越1 3 号线，北土城东路站芍药居站区间东起地铁五号线 北土城东路站西端，由西向东下穿惠新东街、城铁1 3 号线芍药居站、京承高速公 路，西至十号线芍药居站。区间地层主要为：粉土层、粉质粘土层、粘土层和粉 细砂层。穿越工程采用盾构法施工，隧道直径为6 m ，普通衬砌环，环宽1 2 m ，由 预制钢筋混凝土管片错缝拼装，隧道上方覆土1 1 4 1 m ，穿越关系如下图所示： 轨道 ，：1 0 号线 隧道 图l - 3 地铁1 3 号线与1 0 号线关系图 f i g l 一3p l a n ep o s i t i o no f l i n e1 3a n dl i n e1 0 7 的工程。工程采用一大直径钢筋混凝土污水截流总管，全长2 1 k m ，管道外径5 m 内径4 4 m ，在地面下用盾构法掘进施工，在上海站西端k 3 + 7 6 5 处穿越沪宁、沪 杭正线等四股道； 北京凉水河水系治理工程一部分的凉水河南岸污水干线( 上段) 三路居分洪 道段，全长17 0 0m ，采用直径3 3 m 加泥式土压平衡盾构施工，管道内径2 7 m 。 盾构在o + 7 1 5 o + 8 5 0 之间穿越柳西线和京九线铁路( 铁路里程：京九线k 5 + 6 1 1 ， 柳西k 1 - i - l0 4 ) ，穿越段全长9 0m ，盾构机覆土6 7 5 m 。 1 4本文研究的主要内容和意义 随着城市建设的飞速发展，各种地下工程如地铁、排污泄洪管道、电力隧道 等大规模建设，再加上国铁的参与，经常会出现工程间的穿越情况，尤其遇到地 下工程穿越既有线路，如市政工程穿越既有地铁、国铁，新建地铁线路穿越运营 地铁、国铁等情况时，我们更会关心穿越带给既有线路的影响。而目前盾构法己 成为我国城市地下工程施工中一种重要的方法被广泛采用，在这种背景下，本文 以土压平衡盾构机为例，利用有限元分析软件a b a q u s ，建立了盾构隧道穿越既 有轨道交通地面线路的模型，分析研究了盾构过程对轨道结构静力变形和动力响 应规律，通过规律的探索和总结，为施工过程和线路运营提供参考和建议。主要 研究内容如下： 一建立土体、道床、路基、轨道整体模型，选取合理的参数，模拟了盾构 掘进过程，研究了穿越过程中轨道几何形位的变化规律； 二对比盾构参数条件变化条件下轨道变形规律的差异，参数条件变化包括 单线条件下改变开挖深度、盾构直径；建立双孔开挖模型，研究了超前开挖轨道 结构的变形规律； 三建立车辆一轨道垂向耦合动力学模型，分析盾构施工后所产生的轨道的 静不平顺对轨道动力特性的影响，主要分析钢轨、车体垂向加速度、钢轨动位移 及轮轨接触力的变化规律。 8 2 盾构施工工法及有限元理论综述 2 1土压平衡盾构概述 盾构机问世至今己有1 8 0 年的历史，始于英国，发展于日本、德国。现在盾 构法施工已经成了一门成熟的地下工程施工技术，是大多数地下隧道工程施工的 首选技术。 一土压平衡盾构结构原理 土压平衡盾构机主要结构分两大部分，一是主机，主机的主要功能是实现隧 道掘进保持开挖面稳定；二是后配套，后配套的主要功能是实现管片衬砌以及为 主机工作提供支持。 主机外层是全圆形外壳，对刚开挖出来的隧道形成保护，盾体可分为前盾、 中盾和尾盾，盾体最前端安装刀盘( 如图2 1 所示) ，用于切削泥土层，实现开挖， 前盾下端装有螺旋输送机，用于输送刀盘切削下来的泥土；中盾安装有驱动系统 和人闸，驱动系统为刀盘旋转提供动力，人闸是检修刀盘的通道；盾尾保证在进 行管片衬砌前隧道的稳定。主机主要包括刀盘、驱动系统、螺旋输送机、推进系 统、盾尾密封。后配套系统包括：管片运送及安装系统、注浆机、皮带输送机、 通风系统、供电系统、数据采集和记录系统等。 图2 1 刀盘机构图 f i 9 2 - 1c u t t e rs t r u c t u r eo f s h i e l d 二土压平衡盾构施工工法 ( 一) 盾构工法施工优点：安全开挖和衬砌，掘进速度快；受地形、地貌、江河 水域等地表环境条件的限制较小；地表占地面积小，征地费用少；施工不受天气 9 条件限制：不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；在松软含水地层中 修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优越性。 ( 二) 盾构施工的主要工序，利用盾构施工地下隧道的主要工序为：建造盾 构组装竖井及始发洞，用混泥土墙加固；盾构机组装并装备千斤顶；盾构推 进；盾构的正常掘进及管片安装：盾构机拆解。 ( 三) 盾构掘进的施工工艺 ( 1 ) 土体改良，根据盾构当前地质情况和施工条件，对当前地质进行改良，主 要方法有加注膨润土和加注泡沫两种，目的是为了保证在盾构掘进时工作面的稳 定，控制地表沉降在允许范围之中。 ( 2 ) 开挖推进，由驱动系统带动刀盘旋转，旋转的刀盘切割当前工作面的泥土 层，使切割下来的泥土进入泥土仓，而推进系统使整个盾构持续向前推进，螺旋 输送机将泥土仓的泥土输送到仓外，这样就实现连续的掘进，当推进达到管片长 度时，进行管片支护。 ( 3 ) 管片铺设，管片通过管片运送系统运送到管片安装机正下方，分部将推进 油缸收回，让出安装位置，安装机将管片安装在盾尾外壳之内，管片错缝安装用 螺栓连接。 ( 4 ) 注浆，管片安装之后，盾构机继续进行下一环推进，这时盾构机要连续前 进，盾尾外壳从管片与泥土层之间拔出，管片与泥土层之间形成空隙，要进行同 步注浆，以保证隧道的稳定。 土压平衡盾构机结构及工作原理如图2 2 所示 图2 - 2 土压平衡式盾构机工作原理及结构示意图 f i 9 2 - 2w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r ed i a g r a mo fe a r t hp r e s s u r eb a l a n c e ds h i e l d l o 2 2盾构开挖引起地层变形原理分析 盾构法的发明至今已有了很大的发展，随着各种盾构工程的完成，人们对盾 构技术的认识不断加深，这也带动了盾构法的快速发展。从盾构隧道施工的实际 经验中我们看到，盾构施工由于开挖土体会引起地层损失造成地表沉降，而过大 的地表沉降会影响隧道周围地下管线和地表建筑物的正常使用和安全。所以需要 在盾构开挖过程中对地层变形进行预测和控制。 1 盾构旖工过程中的地表沉降机理 盾构施工造成地表沉降的基本原因是开挖过程中引起的地层损失以及隧道周 围受扰动或受剪切破坏的重塑土再固结，在盾构推进过程中所产生的挤压、超挖 和盾构机尾部压浆作用会造成地层的扰动，这样隧道周围地层就会产生正、负超 孔隙水压力，进而导致地层沉降。 盾构施工引起的地表变形主要可分为6 类，各类型沉降产生的原因及机理见 表2 1 。 表2 - 1 地表沉降的构成及机理嘲 t a b l e 2 一ic o m p o s i n go f g r o u n ds e t t l e m e n ta n d t h e i rm e c h a n i s m 沉降构成沉降机理 先行沉降地下水位降低，有效覆土重量增加，压缩固结沉降 开挖面前沉降开挖面崩塌，过量取土，土体应力释放、扰动，引起弹塑形变形 开挖面前隆起推力过大或推进速度过快，压入开挖面，形成被动土压力 盾尾沉降盾构通过时的连带、摩擦扰动 固结沉降盾尾脱出，盾尾间隙引起土体应力释放，发生弹塑形变形 后续沉降长期的压缩、固结及蠕变沉降 2 横向和纵向地表沉降预测 盾构开挖造成的地表沉降可分为横向和纵向两方面，国内外专家对两个方向 沉降的预测提出了许多方法，本文中主要研究轨道结构的横向沉降。 横向沉降槽预测：1 9 6 9 年p e c k 在分析了大量的观测数据的基础上，第一 次提出地层损失的概念，认为横断面上地面沉降曲线为图2 3 中所示的正态分布曲 线，提出了p e c k 横向地表沉降分布公式为： 鼬) = s m a x e x p ( 一蔷) ( 2 1 ) 式中：s ( x ) 为距离隧道中线x 处的地面沉降量，m ；s m a x 为隧道中线处的地 面沉降量，m ；x 为距离隧道中线的距离，m ；i 为沉降槽宽度系数，即沉降曲线反 图2 3 隧道施工地面沉降曲线图别 f i 9 2 - 3 ds e n l 锄印tc u r v e 谢t l lt u n n e l 倒1 s 咖c t i 根据式2 1 确定x 点的地面沉降时，需要知道s m a ) 【和i 两个参数。当横向沉 降曲线为正态分布曲线时： = 矗等 ( 2 2 ) 式中v ( s ) 为横向沉降槽体积 f ：k ( 三) 一 ( 2 3 ) 式中：z 为隧道开挖面中心至地面的距离；r 为盾构外径；k ，n 为试验系数。 纵向沉降槽预测嗍：盾构开挖引起的纵向沉降一般分为纵向地表沉降和纵向 地层沉降，分别用下列经验公式表示： 瓯。：鼠三 ( 2 川 z o 瓯：= 瓯者z z ( 2 5 ) 0 一 、。j ， 式中：最。，最：分别为纵向地表沉降和纵向地层沉降，m ；s v 为横向地表沉 降，m ；x 为离盾构正上方的距离，m ；气，z 分别为盾构隧道中心深度和地层深 度，m 。 通常将盾构开挖过程中的纵向地表沉降分成5 个阶段，分别为盾构到达前地 表沉降、盾构到达时地表沉降、盾构通过时的地表沉降、盾尾建筑空隙引起的沉 降及后期地表固结沉降( 如图2 4 所示) 。 1 2 图2 _ 4 地表沉降历时曲线厕 f i 醇一4d l l r a t i o ng u r v eo f s u r f a c es u b s i d 懈 2 3 有限元理论及a b a q u s 介绍 ， 一 1 有限元法求解概述 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相 互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本 身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数 值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示 全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在 单元的各个节点的数值和其插值函数表达。这样，在一个问题的有限元分析中， 未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量( 即自由度) ，从而使一 个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量， 就可通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的 近似解。显然，随着单元数目的增加，即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度 的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛 要求的，近似解最后将收敛于精确解。有限元法的求解步骤包括【1 8 】：结构离散化、 单位节点位移函数选择、建立单元刚度矩阵、单元等效节点荷载列阵、建立总刚 矩阵、平衡方程的建立与求解以及后处理。 2 a b a q u s 软件介绍 a b a q u s 是一套功能强大的模拟工程的有限元软件，其解决问题的范围从相 对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。a b a q u s 包括一个十分丰富的、可 1 3 的模拟计算工具，它可以模拟各种领域的问题，例如热传导、质量扩散、电子部 件的热控制( 热电藕合分析) 、声学分析、岩土力学分析( 流体渗透应力藕合分析) 及压电介质力学分析。 a b a q u s 包含一个全面支持求解器的前后处理模块- - a b a q u s c a e ，以及两 个主求解器模块_ a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i e i t 。 a b q u s c a e 是a b a q u s 有限元分析的前后处理模块，可以用来方便快捷的 构造模型，为部件定义材料特性、荷载、边界条件等模型参数。它具有强大的网 格划分功能，并可检验所构造的分析模型，提交、件事和控制分析作业，然后使 用后处理模块来显示分析结果，并且对计算结果的描述和解释提供了范围很广的 选择，除了通常的云图，等值线和动画显示之外，还可以用列表，曲线等其他常 用工具的来完成工程显示。现代c a d 系统普遍采用基于特征的参数化建模方法， a b a q u s c a e 是目前唯一提供这种几何建模方法的有限元前后处理程序。用户可 以通过拉伸、扫掠和放样等方法来创建参数化几何体，同时也能用各种c a d 系统 导入几何体，用参数化建模方法进一步编辑。本文的模型建立就是在该处理模块 下完成的。 a b a q u s s t a n d a r d 是一个通用分析模块，它能够求解广泛领域的线性和非线 性问题，包括静态分析、动态分析以及复杂的非线性耦合物理场分析。对于通常 同时发生作用的几何、材料和接触非线形采用自动控制技术处理。a b a q u s 拥有 c a e 工业领域最为广泛的材料模型，它可以模拟绝大部分工程材料的线形和非线形 行为。在每一个求解增量步中，隐式地求解方程组。a b a q u s s t a n d a r d 提供并行 的稀疏矩阵求解器，对各种大规模计算问题都能十分可靠地快速求解。本文第三 章盾构开挖施工部分的计算就是用这个求解器完成的。 a b a q u s e x p l i c i t 可以进行显式动态分析，适用于求解复杂非线性动力学问 题和准静态问题，特别用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题。此 外，它对处理接触条件变化的高度非线性问题也非常有效，例如模拟成型问题。 它的求解方法是在时间域中以很小的时间增量步向前推出结果，而无需在每一个 增量步求解耦合的方程系统，或者生成总体刚度矩阵。它不但支持应力位移分析， 而且还支持完全耦合的瞬态温度位移分析、声固耦合分析。任意的拉格朗日一欧 拉自适应网格功能可以有效地模拟大变形非线性问题，例如金属成形。将 a b a q u s s t a n d a r d 与a b a q u s e x p