长株潭城际铁路树木岭隧道盾构施工对京广既有线铁路沉降影响分析
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摘要：本文结合长株潭城际铁路工程实际，主要针对树木岭隧道盾构临近及穿越京广既有线施工对铁路沉降的影响，进行了分析，以便确定相应盾构施工技术措施，以供同行参考。
关键词： 盾构施工 铁路沉降 分析
中图分类号：U45 文献标识码：A
1项目概况
长株潭城际铁路树木岭隧道进口里程DK1+440，出口里程DK14+300。
树木岭隧道进口工作井-树木岭站盾构区间为左右双线，采用两台Ф9.33m的土压平衡盾构从进口工作井始发后平行掘进。盾构管环外径9.0m,内径8.1m,管环厚度45cm，平均宽度1.8m，双边楔形量32mm，C50砼，抗渗等级P12，管片壁后空隙采用同步注浆进行充填。管环为通用管环，每环管片包含5块标准块，2块邻接块，1块封顶块。F块位置对应不同22组盾构推进油缸位置，管环类型分为22个点位。
2 盾构施工对邻近及下穿京广铁路的沉降影响分析
2.1盾构施工对邻近京广铁路段的沉降影响分析
2.1.1树木岭隧道与近邻京广铁路线位置关系
树木岭隧道进口至树木岭车站区间隧道于里程YDK1+440~ YDK2+226邻近京广铁路线，其中在里程YDK1+810.42~ YDK2+226设计采用Φ600@400双排高压旋喷隔离桩，位于现状铁路护栏外侧并躲避既有地下管线设置
2.1.2计算模型
根据隧道与京广铁路平面位置关系，取邻近京广铁路线最近横断面里程段YDK2+226分析，采用midas/gts软件计算，该段隧道埋深17.06m，两隧道中心间距为18m。模拟计算不考虑隧道纵向影响，取每延米隧道近似按平面应力应变问题处理。建立宽度100m，深度50m的二维有限元计算模型，模型左右边界水平约束，底部边界竖直向约束，地层材料及铁路路基采用四节点平面单元模拟，管片采用二节点弹性梁单元。岩土材料屈服条件采用Moth―Coulomb准则。
本计算考虑两种工况：有隔离桩和无隔离桩，分别计算两种工况下隧道施工引起的铁路路基沉降。列车荷载参照规范，取为60kPa。
2.1.3计算假定
（1）土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布；
（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖；
（3）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数；
（4）假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致；
（5）假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态；
（6）计算中不考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间纵向连接，而代之于考虑刚度折减系数，刚度折减系数计算中取为0.8；
（7）根据日本对工程实测数据统计，盾构隧道施工地层应力释放率为10%~20%，本数值模拟过程中考虑最不利情况，设定地层应力释放率为20%；
（8）模型中处自重外，考虑地面列车活载，为安全起见，地面施加60kPa的面压力。此处地面上是满布的列车轨道，所以将60kPa施加到整个模型的顶面。
2.2盾构施工对下穿京广铁路注浆加固区沉降影响分析
2.2.1隧道下穿京广铁路注浆加固区域说明
树木岭隧道进口至树木岭车站区间隧道于里程YDK2+260~ YDK2+400斜穿京广铁路客外上行线，正穿车辆段房屋2层1栋，3层1栋，1层3栋。
根据勘察报告，地表普遍分布第四系人工堆积层更新统冲洪积层，岩性为人工填土；地层有更新统冲洪积层及白垩系至下第三系东湖群，岩性主要为粉质粘土、细圆砾土及泥质粉砂岩。
盾构下穿既有铁路线前，在YDK2+226~ YDK2+295.86采取注浆加固，在既有铁路南北两侧施做注浆施工导洞作为注浆工作面，注浆加固区的范围沿铁路方向长度70m，总宽度40m。注浆加固区的深度方向为隧道顶部以上5m及顶部以下3(共8m)范围内。
2.2.2计算模型
树木岭隧道在YDK2+226--YDK2+295.86采取注浆加固，取隧道埋深为18.8m的里程段YDK2+246分析，采用midas/gts软件计算，两隧道中心间距为18m。模拟计算不考虑隧道纵向影响，取每延米隧道近似按平面应力应变问题处理。建立宽度80m，深度50m的二维有限元计算模型，模型左右边界水平约束，底部边界竖直向约束，地层材料及铁路路基采用四节点平面单元模拟，管片采用二节点弹性梁单元。岩土材料屈服条件采用Moth-Coulomb准则。考虑注浆加固对围岩岩性的改善，在模拟时适当提高加固区围岩参数，各材料参数取值见表1。
表1 围岩及支护结构物理力学参数
2.2.3计算假定
（1）土体为各向同性、均值的理想弹塑性体，简化地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布；
（2）初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，不考虑地下水的影响；忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下，土体达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖；
（3）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告中所给出的土体参数；
（4）假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致；
（5）假定既有铁路在施工前路基及轨道结构处于良好状态；
（6）计算中不考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间纵向连接，而代之于考虑刚度折减系数，刚度折减系数计算中取为0.8；
（7）根据日本对工程实测数据统计，盾构隧道施工地层应力释放率为10%~20%，本数值模拟过程中考虑最不利情况，设定地层应力释放率为20%；
（8）模型中处自重外，考虑地面列车活载，为安全起见，地面施加60kPa的面压力。此处地面上是多条列车轨道，所以将60kPa施加到整个模型的顶面。
2.2.4施工采取的应对措施
（1）根据数值模拟分析结果，未处理任何措施条件下，盾构下穿铁路路基时，施工产生的沉降不能满足铁路正常运营要求；
（2）采用地层注浆加固措施后，可以明显降低沉降量及沉降槽的宽度，注浆加固措施可以比较好的控制由于盾构穿越工程对京广铁路所带来沉降，降低工程风险；
（3）在实际施工时时刻跟踪监测，根据监测结果及时调整施工参数，确保盾构穿过时铁路安全；
（4）采用地层注浆加固措施后，由于无法完全保证隧道顶部地层加固范围及加固效果，若地面变形值达到警戒值，需采取地面跟踪注浆来保护路基；
（5）盾构施工会加剧地面铁路轨道的不平顺，从而加大地面列车的冲击荷载，根据监控量测结果确定是否在盾构推进过程中采取列车限速措施。
3.结束语
目前，我部第一台盾构机已全部组装调试完成，通过上述针对各种不同区段一系列盾构施工对京广既有线铁路沉降影响分析研究，使我们对穿越京广既有线铁路这一本工程最高的风险点和最大技术难点有了一个更加深入的了解，并根据沉降影响分析研究成果，编制完成了盾构临近及穿越京广既有线铁路的施工方案，用于指导下部盾构的实际施工。
参考文献：
（1）树木岭隧道进口至树木岭车站区间工程地质勘察报告；
（2）树木岭隧道进口至树木岭车站区间超前地质预报设计；
（3）相应的国家和行业标准、规范及规定：
①《铁路轨道施工及验收规范》TB 10302-96；
②《铁路轨道工程施工质量验收标准》TB10413-2003，J284-2004；
⑤《铁路隧道设计规范》TB10003-2005；
⑥《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》（铁建设[2007]88号）；
⑦《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）；