地铁盾构隧道下穿铁路影响分析

1、地铁盾构隧道下穿铁路影响分析【摘要】 结合实际工程采用 peck 经验公式及数值模拟 方式，预测盾构隧道推进对铁路的沉降影响，分析铁路荷载 对盾构管片内力的影响，并对该地铁盾构隧道下穿铁路工程 提出具体处理措施及对策。【关键词】盾构隧道；下穿铁路；数值模拟；加固0 引言 随着城市发展，地面交通日益紧张，开发地下空间，发 展轨道交通已是大势所趋。因地铁建设与既有建构筑物相互 影响无法完全避免，所以进行地铁盾构隧道下穿建构筑物的 影响分析是很有必要的。1 工程概况 本工程既有结构为北仓铁路，现要施工一条双线下穿盾 构隧道， 与铁路斜交。 铁路与隧道平剖面位置关系如下所示：图 1 平面关系图 图 2

2、 剖面关系图 拟定先推进上行线，后推进下行线。拟通过数值模拟考 察： 1）在土体加固与不加固两种情况下盾构隧道推进对铁 路的沉降影响，以验证加固方案效果； 2）铁路荷载对盾构 管片内力的影响，以优化管片设计。2 盾构施工对既有铁路的影响分析国内外研究表明，盾构隧道施工引起的地层变形主要原 因有以下几点：1）盾构推进方向改变、超挖等；2）受扰动土体的再固结；3）土体与衬砌的相互作用；4）土体挤入盾尾空隙。目前用于预测盾构法掘进引起土体变形的主要方法有 经验公式法（结合现场实测数）和考虑施工过程的数值分析 法。2.1 Peck法沉降估算在软弱土层中采用盾构施工，因地层损失和土体扰动， 必然引起地表

3、变形。主要表现在盾构掘进机的前方和顶部产 生微量的隆起，盾尾脱离以后，地表开始下沉，并形成一定 宽度的沉降槽地带，下沉的速率随时间而逐渐衰减，且与盾 构所经过的地层、施工工况和地表荷载等有密切的关系，并 表现出相当的差异性。对于盾构隧道施工引起地面沉降预测，派克（Peck, 1969年）提出了地层损失的概念和估算方法。在不排水条件下， 沉槽体积等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布呈正态 分布曲线，具体地面沉降量的估算公式如下：注： 沉降量；盾构隧道单位长度地层损失量；沉降槽宽度系数，是土壤条件、隧道半径、隧道中心 埋深的函数。按盾构隧道正常施工时 0.5%的地层损失率进行计算， 上 行线隧道

4、先行掘进施工时，最大地面沉降位于上行线隧道中 心正上方， 其值为 -10.62 mm ，当上行线隧道施工完成， 下行 线隧道施工对地面的影响累积后，其地面最大沉降位置出现 在两盾构隧道施工的中间靠下行线盾构侧正上方，最大沉降 值为 -15.66 mm 。2.2 数值模拟分析模型的建立采用 GTS 有限元软件，简化为三维模型进行计算分析。 模型尺寸为 90m*90m*90m 。在模型底部施加水平及竖直方 向约束，在四周施加水平方向约束。(1) 盾构隧道内径5.5m，管片厚度为0.35m厚，管片 宽度为1.2m，不考虑管片分块情况，按整环考虑；( 2)土体本构模型采用 Mohr-Coloumb 模

5、型，衬砌采用 板单元模拟；(3) 加固方案：加固范围为隧道周边 2m，无侧限抗压 强度 Ps 1.0 MPa ;(4) 荷载：盾构顶推力取 25 X 103kN，注浆压力取0.3MPa。计算结果盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形，一 般在盾构前方约 1 倍埋深的距离内地表开始隆起，在盾构通 过以后地表逐渐下沉，其下沉量随时间逐步增加并最终趋于 稳定。加固后的上行线掘进引起的地表沉降最大值为 -10.10mm ，不加固的地表沉降最大值为 -14.90mm ，减小 48%， 加固效果较为明显。图6 上行线掘进引起的地表沉降曲线图3 铁路列车荷载对隧道结构内力的影响根据是否考虑铁路列车荷载

6、、以及是否加固组合了三种 工况，计算不同工况下盾构管片结构内力。为简化计算，铁 路列车竖向静活载按 100kN/m 取值。计算得到的结构内力标 准值如表 2 所示。由表 2 可以看出，考虑铁路列车荷载时，不加固与加固 后的最大弯矩分别比不考虑列车荷载时增大了11.9 %及2.5%，加固后的最大弯矩比不加固时减小 12.5%。4 处理措施及对策为减小地铁与北仑铁路的相互扰动， 可从两点着手： 一、 采取措施减小列车动荷载对盾构隧道结构的影响，从外因减 小盾构管片的变形；二、加强管片的强度和刚度，从内因提 高抵抗变形的能力。通过对盾构周围土体进行加固，可均匀土层应力分布， 减少隧道与周围土体之间的

7、刚度差异，从而减小隧道结构承 担的荷载以减小管片内力，同时增加了土体抗力增强变形控 制能力。结合本工程地质情况、隧道覆土、荷载等各方面因素， 确定采取如下措施：4.1 铁路线路预加固 采用主动加固结合扣轨加固方案。铁路两侧采用高压旋 喷桩加固，旋喷桩之间为主加固区，采用注浆加固；旋喷桩 外侧为次加固区，采用压密注浆加固。旋喷桩加固区自地面 至隧道下方2 m，主、次加固区加固深度为隧道上、 下方2 m。 主加固区与次加固区之间在强度及刚度上要求逐渐降低，形 成过渡。图 4-1 铁路线路预加固示意 加固区的主要注浆参数：旋喷加固 28d 后，无侧限抗压 强度Ps 1.0 MPa ;主加固区，Ps

8、1.0 MPa ;次加固区，Ps 0.8 MPa。4.2 增强管片 对铁路影响范围内的隧道采用加强配筋的钢筋混凝土管片。4.3 盾构掘进控制1 ）在盾构进入之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳， 盾构均衡匀速施工，同时尽量少做纠偏动作，即使做纠偏动 作，幅度也不宜过大。2）必须严格控制盾构机切口平衡压力及相关参数，如 推进速度、总推力、出土量等，尽量减少土压力的波动。3）加强同步注浆管理。严格控制同步注浆量和浆液质 量，通过同步注浆及时填筑建筑空隙，减少施工过程中的土 体变形。4）根据监测情况，必要时进行二次壁后注浆，并根据 施工中的变形监测情况随时调整注浆量及注浆参数，从而使 地层变形量减至最小4.4 盾构穿越后安全措施 盾尾脱离线路后，对路基变形进行跟踪监测直至数据稳 定收敛。采取注浆和道碴抬道相结合的方法，调整路基面到 规定标高。同时由工务部门配合校正轨道各部几何尺寸，待 达到铁路规范所规定的通车条件后，方可恢复正常行车。参考文献：1 陈昊 .双圆盾构隧道地表沉降分析 .上海交通大学， 2007，12 朱洪高，郑宜枫，陈昊 .双圆盾构隧道土体地表沉降 特性 .建筑科学与工程学报， 2006，2.3 季大雪