王國富，王建，路林海

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2. 濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101)

盾構下穿鐵路橋涵變形規(guī)律及控制技術研究

王國富1,2，王建1，路林海2

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2. 濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101)

以濟南軌道交通R1線玉符河站～王府莊站區(qū)間盾構隧道下穿京滬鐵路框架橋涵為背景，采用FLAC3D軟件進行數值模擬，分析下穿施工中橋涵結構應力變形和鐵路軌道變形特征。結果表明：下穿過程中橋涵最大壓應力位于盾構左線上方立柱，其值為5.06 MPa，最大拉應力位于橋涵右側頂部，其值為1.00 MPa；穿越過程橋涵最大沉降值達到5.81 mm，均滿足結構應力、變形控制標準；由橋涵上方各軌道的最終變形曲線與左、右線拱頂上方軌道的變形時程曲線得出靠近施工側軌道先于其他軌道產生沉降，最終沉降值隨開挖方向依次增大至3.76 mm。結合分析結果提出盾構下穿鐵路橋涵施工控制技術及監(jiān)測控制方案，確定了盾構下穿施工20 m范圍為重點監(jiān)測區(qū)，并提出適用于濟南軌道交通建設的沉降控制標準。

盾構隧道；下穿橋涵；數值模擬；軌道變形；沉降標準

隨著我國軌道交通不斷發(fā)展，復雜地質條件下地鐵隧道穿越各種建(構)筑物、地下管線、市政道路等難度進一步提高，如何保證盾構隧道穿越過程中周圍土體的穩(wěn)定性，減小施工過程中對周圍環(huán)境的影響是軌道交通建設的重中之重[1]。當地鐵區(qū)間下穿鐵路橋涵時，對地面沉降、建(構)筑物的附加應力和變形具有嚴格的控制標準，減少施工中對路基以及鐵軌的影響，保證鐵路的安全運營引起了專家學者高度重視[2-3]。王建秀等[4]結合某超大直徑盾構下穿保護建筑群工程案例，基于地層損失建立了地表沉降和地層損失率關系的模型，對盾構推進到不同位置時地表沉降進行研究；徐干成等[5]以北京地鐵14號線馬家堡東路站—永定門外大街站盾構區(qū)間隧道為背景，對下穿京津城際鐵路進行三維模擬，提出注漿加固是控制地表沉降的有效方法，優(yōu)化了注漿參數和盾構機推進的土艙壓力；李濤等[6]以北京地鐵6號線區(qū)間隧道盾構穿越鐵路箱涵為背景，模擬了施工對既有鐵路箱涵產生的附加應力應變規(guī)律；霍軍帥等[7]以蘇州某地鐵盾構隧道下穿滬寧城際鐵路施工，采用板+樁組合結構形式進行加固，進行列車動、靜荷載下有限元模擬，驗證了組合結構支護沉降量為3.9 mm，同時最大拉應力均小于規(guī)范中的疲勞強度。前人研究較為廣泛，主要集中于地表沉降和橋涵變形的控制研究方面，對于盾構隧道、橋涵、鐵路三者相互影響、共同變形規(guī)律研究相對較少。本文以濟南軌道交通R1線玉符河站～王府莊站區(qū)間為背景，采用FLAC3D數值模擬，對盾構隧道下穿京滬鐵路框架橋涵施工過程進行分析，研究了橋涵上方地表沉降變形規(guī)律、盾構隧道與橋涵相互作用機理，提出了相應施工建議和控制標準，為類似工程提供了指導。

1 工程概況

1.1 新建工程概況

濟南地鐵地下段玉符河站～王府莊站區(qū)間線路沿劉長山路敷設，R1左線隧道下穿京滬鐵路框

架橋涵段，R1右線隧道下穿京滬鐵路路基段，然后向東到達王府莊車站，如圖1所示。橋上鐵路等級為Ⅰ級鐵路，共有7股直線+1組渡線，預留2股。7股直線自西向東依次為到發(fā)線、京滬上行線、水白上行線、京滬下行線、水白下行線、到發(fā)線、機待線，軌道結構形式為有砟軌道，列車運行時速120 km/h。按照風險工程分級標準，此處定為Ⅰ級環(huán)境風險工程。

圖1 盾構隧道下穿京滬鐵路平面圖Fig.1 Planar graph of shield tunnel under-passing the Beijing-Shanghai railway

本工程左右兩線隧道均采用盾構法施工，盾構區(qū)間直徑為6.4 m，隧道內徑5.8 m，本區(qū)間隧道圓形襯砌采用單層鋼筋混凝土裝配式結構形式，盾構管片型式為平板型。管片外徑6 400 mm，內徑5 800 mm，管片厚度300 mm，環(huán)寬1.2 m。區(qū)間隧道主要處于卵石層，上覆土層為雜填土、黃土和粉質粘土。左線區(qū)間結構距離鐵路橋框架涵結構底板凈距為7.0～7.7 m，右線區(qū)間結構拱頂埋深16.8 m；框架涵施工完成后遺留于箱涵底部的挖孔樁樁長約10 m，區(qū)間結構距離挖孔樁最近距離為0.47 m左右。由于挖孔樁只是框架橋涵施工時臨時措施，所以該樁對盾構區(qū)間施工不起控制作用。

1.2 新建工程與既有工程位置關系

R1左線隧道上方為京滬鐵路框架橋涵段，該段框架橋建于2010年，為鋼筋混凝土框架橋。立交橋主體中心里程為京滬下行K475+915.04，孔跨布置為10.5 m+15.0 m+15.0 m+10.5 m。其中中間兩孔15.0 m框架為機動車道，結構凈高7.8 m，通行凈高5.2 m；兩側10.5 m鋼筋混凝土框架為非機動車道，結構凈高8.1 m，通行凈高3.0 m，路面下預留城市管道空間。全橋采用D型施工便梁架空線路，便梁下支墩為鋼筋混凝土挖孔樁加蓋梁和鋼木支墩。下穿截面剖面圖如圖2所示。

圖2 盾構隧道下穿京滬鐵路剖面圖Fig.2 Section of shield tunnel under-passing the Beijing-Shanghai railway

2 數值計算

2.1 計算模型與參數選取

采用有限差分軟件FLAC3D進行分析，考慮到施工過程中的空間效應，按照理論估算與模型試算結果，最終計算模型取濟南R1線下穿工程施工對軌道結構的有效影響范圍120 m×65 m×40 m的土體作為考察范圍，模型劃分138 440個單元，146 452個節(jié)點，如圖3所示。其中，地層采用實體單元模擬，采用摩爾-庫侖模型；管片采用shell單元模擬，鐵路軌道、橋涵和鋼筋混凝土挖孔樁采用實體單元模擬，力學模型均采用各向同性彈性模型[8]。

圖3 計算模型Fig.3 Calculation model

計算模型四周邊界采用滾軸約束，下表面采用固定約束，上表面(路基及鐵路軌道)采用自由約束。考慮到橋涵、土層和鐵路軌道之間在初始應力平衡及加載期間產生滑移，在橋涵、土層和鐵路軌道之間建立接觸面。

根據玉符河站～王府莊站區(qū)間巖土工程詳細勘察報告中各地層物理力學參數建議表，對計算模型中的力學參數取值見表1，各結構的力學參數取值見表2。

表1 地層物理力學參數表Table 1 Mechanical parameters of geological condition

表2 各結構力學參數表Table 2 Mechanical parameters of structures

2.2 計算假定

1)將盾構推力設定為1 200 t，土倉壓力設定為2 bar進行模擬；僅考慮正常使用工況，不考慮地震等偶然因素。

2)根據實際地質條件，各土層厚度變化不大，假定地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布，不考慮地質構造力的影響。

3)模擬計算的前提是施工處于正常良好控制的條件下。采用準靜態(tài)的方法模擬盾構機的掘進，因此假定管片—土體及盾殼—土體之間無相對運動。

4)模型中注漿加固體和橋涵部分均采用復合模量法通過提高彈性模量的方法完成對實際情況的模擬。

5)盾構的掘進、管片拼裝、盾尾同步注漿是一個連續(xù)循環(huán)的過程，目前的有限元軟件尚不能模擬這一動態(tài)過程，而只能將盾構施工視為逐步移動的過程。

2.3 施工過程模擬

1)開挖一個管片長度(1.2 m)的隧道土體，包括預先定義的隧道土體、管片環(huán)、注漿層、等代層。

2)將等代層單元賦予遠小于周圍土體的力學參數，模擬超挖產生的盾構機四周空隙；管片shell單元外圍賦予盾殼力學參數，模擬盾構機對于隧道內部的支撐作用。

3)在盾尾進行管片安裝及壁后注漿模擬，待開挖完3環(huán)管片時，將shell單元材料屬性改為注漿體參數模擬注漿凝固過程，繼續(xù)完成3環(huán)開挖后，將shell單元賦以管片參數，即將注漿硬化滯后于為3環(huán)管片。

4)給開挖面施加土艙壓力，保持開挖面的穩(wěn)定性。

5)運行solve命令進行計算，循序漸進，直至盾構開挖完成。

3 盾構下穿橋涵數值分析

3.1 橋涵結構應力變形分析

盾構施工過程中，施工區(qū)間上方的橋涵結構會受到施工造成的擾動。為確保橋涵結構應力狀態(tài)在施工過程中處于安全狀態(tài)，通過數值計算手段對其安全性進行評估，圖4即為應力云圖。

圖4 橋涵應力云圖Fig.4 Stress nephogram of bridge

從云圖中可以看出盾構開挖施工對橋涵應力狀態(tài)產生了一定的影響，整個開挖過程中，橋涵右方立柱由于位于左線隧道上方位置，受施工影響最大，受到約5.06MPa壓應力作用，由于該位置最大主應力數值小于C40混凝土抗壓強度；同時，受到的最大拉應力位于橋涵右方頂部，其值為1.00 MPa，滿足C40混凝土抗拉強度要求，故橋涵結構應力處于安全狀態(tài)。

圖5 橋涵沉降量時程圖Fig.5 Time-history of bridge settlement

通過模擬，得到橋涵沉降量最大的位置位于左線隧道上方橋涵結構底板處，分析圖5可知，橋涵沉降曲線呈現兩個極大值，分別出現在盾構左右線開挖3～6環(huán)時橋涵隆起0.5～0.8 mm，源于盾構開挖破壞周圍土體平衡，推進導致前方土體產生擠壓。隨后開始產生沉降，主要源于盾尾開挖空隙、注漿不足、盾構偏移等。總體來說，左右線盾構分別穿越橋涵施工時，橋涵沉降量占總沉降的50%左右，當雙線貫通時橋涵沉降總量達到5.81 mm。

3.2 既有軌道結構穩(wěn)定性分析

隧道穿越既有線施工時，對既有線的結構產生擾動是不可避免的，嚴重時可能會造成既有線結構的破壞，影響行車安全。濟南軌道交通R1線以隧道形式下穿既有鐵路線路勢必會引起周圍土體的應力改變和沉降變形，引起鐵路路基產生不均勻沉降，進而導致既有鐵路線路發(fā)生變形，產生軌道不平順。利用數值分析手段，根據有限元分析結果對軌道結構安全性進行評估。

為更加有效地了解既有鐵路結構附加變形的分布情況，并為施工期間的監(jiān)控量測提供控制標準，分別沿鐵路縱向方向提取上方8股軌道結構最終變形量，對盾構隧道左右線拱頂上方軌道沉降進行變形時程研究，同時得出每股軌道左右線最大沉降的數據并進行分析(設盾構開始側為第1股軌道，依次編號直至第8股軌道)。

無水乙醇、沒食子酸標準品、福林酚試劑、蘆丁標準品、DPPH、脫氧核糖、三氯乙酸、PBS、抗壞血酸、TPTZ均為分析純。

圖6 軌道結構沉降曲線Fig.6 Settlement curves of track structure

每2 m進行監(jiān)測點布置，得到8股軌道最終沉降，計算的結果顯示左軌(靠近玉符河站)的沉降值均小于右軌，左右軌道沉降差值在0.05～0.12 mm，每股軌道沉降最大點處于左線隧道中心偏橋涵方向1～3m處，隨著開挖的方向，鋼軌的沉降值也逐漸增大分別為2.69，2.72，2.91，3.11，3.34，3.64，3.69和3.76 mm。由圖6看出，左線上方沉降出現略微突起，由橋涵立柱、橋涵主梁、地層共同作用所導致；盾構開挖使軌道整體產生沉降，由于左線盾構先于右線施工導致左線上部沉降明顯大于右線沉降，可知右線盾構開挖前土體已產生固結，使盾構開挖產生的建筑空隙減少；曲線整體符合Peck沉降曲線[9]，隧道開挖范圍內的軌道沉降最大，距離隧道中心20 m以外，沉降值迅速減小到1 mm以下，可將20 m作為盾構施工影響區(qū)，進行重點監(jiān)測。

圖7 左線中心上方沉降變形時程圖Fig.7 Time-history of the settlement above the center of the left line

由于地鐵R1線模擬施工中，先開挖R1左線，所以在左線“開始開挖→開挖完畢”的階段中，對比圖7～8分析，左線的沉降速度明顯大于右線的沉降，且沉降量占總沉降的60%～70%。

圖8 右線中心上方沉降變形時程圖Fig.8 Time-history of the settlement above the center of the right line

當右線開挖時，右線的沉降又明顯大于左線的沉降。在開挖過程中，8股軌道的沉降呈現出一定的先后順序，距離開挖點較近的軌道沉降先于其他軌道。

4 盾構施工參數及措施

4.1 盾構機參數控制

保持開挖面穩(wěn)定是控制沉降的重要環(huán)節(jié)。通過控制掘進速度和出土量來控制土倉壓力，保證土倉壓力與開挖面壓力平衡[10]。根據地質報告，綜合確定下穿橋涵過程中盾構推進速度降低至10～20 mm/min，出土量在每環(huán)45～50 m3；從刀盤向開挖面添加泡沫和膨潤土來改善開挖面土體的和易性，來降低盾構機刀盤扭矩，減少對刀具的磨損，注入量控制在開挖土方的20%～40%[11]。

4.2 注漿控制

及時進行壁后同步注漿和2次注漿。同步注漿量控制在空隙的120%～180%，泵送出口的壓力略大于隧道周圍水土壓力，壓漿量和壓漿點視壓漿時的壓力值和地層變形監(jiān)測數據進行相應調整。管片脫出盾構機后，再對鐵路軌道影響范圍內的預留注漿孔進行跟蹤補漿，漿液為水泥、水玻璃雙漿液，注漿壓力0.3～0.35 MPa，起到減少鐵軌繼續(xù)沉降的作用。

4.3 管片控制

保證管片拼裝質量和盾尾密封效果，防止隧道滲漏。隧道防水對地面沉降的影響較大，施工過程中應準確掌握管片的位置，根據盾構姿態(tài)正確排列管片；掘進過程中進行連續(xù)壓注盾尾密封油脂，為防止意外漏漿情況，可加大密封油脂的注入量[12]。

5 施工監(jiān)測控制

為確保下穿施工安全、順利進行，減少對路基和列車的影響，對影響范圍內的線路加強檢查和監(jiān)測，采取現場靜、動態(tài)監(jiān)測相結合的方法，并將測試數據與計算分析結果進行不斷對比、分析、反饋，從而更好地指導工程施工。

5.1 橋涵應力變形監(jiān)測

主梁應變監(jiān)測截面可以選擇主跨支點斷面、各跨跨中斷面、1/4跨斷面。立柱監(jiān)測點可以選擇在立柱軸線上的支撐、立柱與立柱縱向支撐的交點處。在應力監(jiān)測中應盡可能選取應力集中處進行監(jiān)測，同時需要在盾構施工過程中對橋涵的墩柱、主梁以及沉降變形最大位置進行變形監(jiān)測。

5.2 路基軌道變形監(jiān)測

路基軌道變形監(jiān)測采用靜、動態(tài)監(jiān)測結合的方式。其中，靜態(tài)監(jiān)測包括結構與軌道橫向變形監(jiān)測、結構與軌道縱向變形監(jiān)測、軌道幾何形位監(jiān)測、路基及邊坡變形監(jiān)測；動態(tài)監(jiān)測包括軌道結構振動加速度監(jiān)測、鋼軌的橫、垂向受力和位移監(jiān)測。對于盾構左右線上方的軌道需進行嚴格監(jiān)測，防止意外事故產生。

對監(jiān)測數據及時整理反饋，根據監(jiān)測結果對施工參數進行調整?；跀抵的M，結合《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》[13](TB10002.1—2005)和《穿越城市軌道交通設施檢測評估及監(jiān)測技術規(guī)范》[14](DB11/T915—2012)建立沉降監(jiān)測控制標準：橋涵沉降不得超過8 mm；軌道沉降不得超過10 mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過3 mm；盾構隧道影響區(qū)域內軌道方向10 m弦量水平高差不得超過5 mm。

6 結論

1)濟南軌道交通R1線盾構隧道穿越既有鐵路橋涵為工程背景，研究盾構下穿過程中鐵路橋涵及地面應力變形規(guī)律，得到施工過程中需要嚴格控制的風險點。

2)采用有限差分軟件FLAC3D進行數值模擬預測了橋涵應力變形，得到靠近盾構一側的橋涵右側壓應力和變形達到最大值。模擬得到了盾構隧道穿越對地面軌道產生的影響，其中盾構左線上方偏橋涵1～3 m處沉降達到最大；軌道沉降由近及遠(靠近玉符河站為近處)依次增大，沉降控制在2.692～3.761 mm范圍，處于軌道運行沉降安全范圍以內；隧道開挖范圍內的軌道沉降最大，可將20 m作為盾構施工影響區(qū)進行重點勘察監(jiān)測。

3)針對模擬結果，提出施工安全建議，在盾構施工參數、同步注漿與2次注漿、管片拼裝、施工連續(xù)性方面提出控制要求；對橋涵應力變形監(jiān)測位置和路基軌道監(jiān)測內容進行總結并提出適合濟南軌道交通建設的沉降控制標準，將控制標準落實到實際施工中。

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Rules and control technology of deformation caused by shield tunnel under-passing the railway bridge culvert

WANG Guofu1,2，WANG Jian1，LU Linhai2

(1.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China ；2.Jinan Rail Transit Group Co.Ltd.，Jinan 250101，China)

In the engineering background of the Jinan rail transit line R1 line Yufu River Station ～Wangfu-zhuang station shield tunnel under-passing the Beijing-Shanghai railway frame bridge. With the help of FLAC3D，the deformation and stress of the bridge structure is simulated numerically and the characteristics of railway track deformation are analyzed. The calculation results show that the maximum compressive stress of bridge is 5.06 MPa in the position of the column above the left line of the shield at the process of under-passing bridge, and the maximum tensile stress of bridge is 1.00 MPa at the top of the bridge culvert right side; sedimentation value of the bridge culvert through the process reached 5.81 mm. These results all meet the stress and deformation control standards. Based on the final deformation curves of track structure above bridge culvert and deformation time history curves of track at the top of the left and right lines. It is concludecl that the rail track close to construction side get settlement before the other tracks, the final settlement value increases with the excavation direction to 3.76 mm. Combined with the results of the analysis，construction control technologies and monitoring and control schemes are proposed for the shield tunnel under-passing the railway bridge culvert. The scope of 20 m is determined as the key monitoring area and settlement control standards for the construction of Jinan rail transit are presented.

shield tunnel；under-passing the bridge culvert ；numerical simulation ；track deformation；settlement standard

2016-07-20

山東省自然科學基金資助項目(ZR2014EEQ028)

王國富(1964 - )，男，山東榮成人，博士，從事巖土工程、結構工程相關理論與技術方面的研究；E-mail：metro_jinan@126.com

U45

A

1672-7029(2016)12-2471-07