行业要闻

 

摘　要：以昆明地铁某区间盾构隧道为背景，对地铁盾构隧道下穿铁路施工中引起的地表沉降进行了二维及三维的数值模拟，对计算结果结合实际施工进行了相关分析，阐述了盾构过铁路时对周边构筑物的影响及控制措施，以供同类工程参考。

关键词：盾构隧道，下穿越，铁路股道，沉降

 

      随着城市轨道交通的迅猛发展，城市地铁下穿铁路股道的工程案例逐渐增加^{［１～３］}。虽然盾构法有着施工快速、安全可靠、对周边环境影响小等优点，但不可避免地仍然会对地层及周围环境产生一定程度的影响：

      （１）盾构隧道在铁路下通过时造成地表不均匀沉降，使钢轨接头产生轨缝、错牙、台阶和折角，严重时将会影响列车运行安全^［９］。

      （２）列车在运行中，对路基土体产生的动应力沿深度逐渐衰减，衰减程度与土层的力学性质以及列车动载大小等有关，一般认为动应力的影响深度约４～７ｍ。但当基床下部有构筑物时，动应力的传播将发生较大变化。

      （３）盾构施工引起线路下沉，导致线路不平顺加大轮轨的冲击力，使路基内动应力加大，土体动荷载增加，影响地铁隧道的安全。

      因此，探求盾构施工过程中铁路轨道下方地层位移的变化规律，特别是动态施工中的动态变化是研究盾构隧道对火车股道影响的一个重要方面^{［５，７］}。

 

      昆明地铁１号线昆明火车站站至展览中心站区间下穿火车站站场股道，该段站场共计６站台，１２道股道，总宽度约为１２４ｍ。下穿段左线隧道覆土厚度约为１０．３～１２．１ｍ，右线隧道覆土厚度约为１２．８～１５．３ｍ。

 

      本文主要通过数值模拟手段以ＡＮＳＹＳ为平台进行三维分析计算，主要考察盾构施工过程中及施工完成后地表可能的竖直方向的隆起、下沉以及水平方向的纵向位移、横向位移对股道的影响。

      计算所用本构模型采用Ｄ－Ｐ模型^［４］。

      综合考虑隧道结构几何尺寸及隧道净距，沿隧道纵向依据隧道埋深、盾构推进引起的纵向沉降影响范围等，最终确定有限元模型尺寸为６０ｍ（纵）×８０ｍ（横）×４０ｍ（深），如图１所示。

      围岩、盾壳、衬砌、注浆层等材料利用ＳＯＬＩＤ４５单元模拟。描述模型的全局坐标系满足右手螺旋法则，Ｘ轴对应模型中的横向，以向右为正；Ｙ轴对应模型中的竖向，以向上为正。左右边界施加横（Ｘ）向约束，前后边界施加（Ｚ）方向约束，上边界自由。计算模式为弹塑性模式。

      在盾构施工掘进过程中，不同的顶进力、无柱雨棚桩基距掌子面间距（表中Ｄ为盾构外径）等不同情况下的数值模拟分组情况如表１所示。

      三维模型中具体计算步骤为：（１）地层自重固结；（２）沿纵向开挖４．５ｍ土体，盾构机到达前，施工扰动，应力释放０．１５；（３）盾构到达临时支护，应力释放至０．３０；（４）盾构推进，脱环，管片支护，注浆未固结，释放应力至０．４５；（５）管片支护，注浆固结，应力全部释放。

      仅考虑列车荷载的效应，列车荷载作用到钢轨、经钢轨传递至轨枕、再传至火车站站场地基，按均布荷载考虑。根据ＺＫ活载截图（见图２），计算列车荷载的均布荷载为５３ｋＰａ。

      据地质勘察资料，场地岩土层自上而下可分为四大类，主要工程地质岩性如下：

      ①第四系人工活动层（ ）

      杂填土①_１：连续分布，层底埋深０．５０～４．００ｍ，平均厚度１．８１ｍ。分布在盾构顶板以上。

      素填土①_２：仅部分孔段分布，层底埋深０．５０～２．６０ｍ，平均厚度２．３３ｍ，分布在盾构顶板以上。

      ②第四系全新统冲洪积层（ ）：

      粘土②_３：可塑，湿，中压缩性，无摇振反应，干强度高，韧性高，含少量有机质，局部为粉质粘土。分布连续，层顶埋深１．２０～９．００ｍ，厚度０．８０～５．２０ｍ，主要分布于盾构顶板以上。

      粉土②_４：稍密，饱和，中压缩 性，摇振 反应迅速，干强度低，韧性低，夹粉砂薄层，局部含未分解植物根、茎、叶。分布较连续，层顶埋深２．８０～７．２０ｍ，厚度０．７０～６．００ｍ，主要分布于盾构顶板以上。

      ③第四系上更新统冲洪积层（ ）

      圆砾③_２：稍～中密，饱和，低压缩性，砾石成分以砂岩、玄武岩、灰岩为主，中～微风化。磨圆度较好，大于２０ｍｍ的卵石含量在５～１０ ％，最大粒径５０ｍｍ，主要充填物为粉土、粉砂，局部为粘性土。连续分布，层顶埋深５．７０～１７．１０ｍ，厚度０．７０～１３．９０ｍ，分布于盾构顶板以上及盾构穿越段。

      砾砂③_２－３：稍～中密，饱和，中压缩性。砾石成分以砂岩、玄武岩、灰岩为主，中～微风化。磨圆度较好。仅部分孔段分布，层顶埋深８．００～１３．００ｍ，厚度０．７０～３．２０ｍ。分布于盾构顶板以上及盾构穿越段。

      ④第四系中更新统冲湖积层（ ）

      粉砂④_３：中～密实，饱和，中压缩性，局部地段为粉土层，局部夹腐木。分布较连续，层顶埋深１６．４０～２３．６０ｍ，层厚０．６０～９．１０ｍ。为盾构主要穿越土层。

      粘土④_３－１：可塑～硬塑，湿，中压缩性，无摇振反应，干强度高，韧性高。局部为粉质粘土。连续分布，与粉砂层形成互层，层顶埋深１８．９０～３８．７０ｍ，厚度０．８０～７．６０ｍ。为盾构主要穿越土层。

      （１）地表水

       盘龙江距本线位段较近，与本场区地下水位有联系。当盘龙江水位高时，补给本场区；当河水位较低时，场区地下水往河内排泄。

      （２）地下水

      现场勘察期间于钻孔内测得初见水位为现地表下１．００～２．５０ｍ，测得两稳定地下水位：混合水位为上层滞水与潜水混合后水位；潜水位为圆砾③_２层、粉砂④_３层水位，该两层含水层有水力联系。受含水层层面起伏影响，微具承压性。

 

      火车站股道区的允许沉降量将直接影响工程造价和轨道使用性能及行车安全。国内外对此问题的看法和角度均不一致^{［８～１１］}。工程中，对火车站股道变形控制指标的研究主要考虑以下两个方面因素：①行车安全使用要求；②股道对差异沉降的适应性。结合昆明火车站实际情况，提出了火车站股道控制指标，如表２、表３所示。

      （１）二维计算结果与分析二维数值模拟中，在隧道开挖过程中设定不同的应力释放系数情况下，单线贯通和双线贯通时地表的竖向位移曲线如图３所示.

      由上述两组地表位移曲线可得，随着应力释放系数的增大，地表沉降量也增大。

      （２）三维模型中地表位移结果与分析

      盾构下穿站场股道施工会引起股道沉降。由于区间隧道线路与站场股道线路基本呈正交。盾构推进时，两股股道距盾构掘进掌子面的距离为１．４３５ｍ。盾构推进过程中，距离掌子面距离不同的点其沉降（隆起）值是不一样的。正是这种不一致性可能会导致股道两股钢轨的竖向不均匀变形。图４则给出了地表竖向位移沿区间隧道纵向的分布曲线。

 　　

      由图４中地表竖向变形沿区间隧道纵向的分布曲线可得，地表位移在纵向上最大坡度位于掌子面处，其分布范围约为３Ｄ长度，坡度值约为１‰。由此换算得到两股钢轨的竖向不均匀位移值约为１．４３５ｍｍ，小于《铁路线路维修规则》规定的限值４ｍｍ。