盾构隧道下穿铁路力学行为分析

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摘要：采用盾构法施工城市地铁隧道时，如何控制隧道开挖对地表沉降、周边建构筑物的影响是施工所面临的一个重要问题。本文依托深圳地铁9号线盾构隧道下穿广深铁路，对地面沉降进行计算分析，探讨盾构施工对地层沉降及对上部建构筑物的影响，有助于指导施工。

关键词：盾构隧道，铁路，沉降分析

中图分类号：X731 文献标识码：A 文章编号：

Abstract: It’s an important issue to control the influence on ground surface settlement and buildings nearby when using shield construction of city subway tunnel. By using shield tunnels beneath the Guangzhou-Shenzhen Railway of the Shenzhen Metro Line 9，ground surface settlement was calculated and analyzed，and the influence of stratum settlement and structures built on the upper were discussed, which is useful for guiding the construction.

Key words: shield tunnel，railway，settlement analysis

1、引言

随着我国经济的高速增长，城市规模高速发展、城市人口日益密集、城市交通压力也越来越大。发展地铁不仅是当前缓解城市交通拥堵的有效途径，对促进和推进城市经济发展有着重要作用，发达的地铁交通也是一个城市现代化程度的重要标志。目前全国各大城市都在加快地铁建设。盾构法隧道施工具有安全、快速、地表沉降小等优点，目前已广泛应用于地铁隧道工程，然而，盾构施工诱发的环境问题也日益严重，如何控制地表沉降成为工程的一大难题。

2、工程概况

深圳地铁9号线鹿丹村站～人民南站区间沿春风路向东下穿广深铁路。本区间隧道设计采用盾构法施工，盾构掘进断面Ф6280mm，拼装管片外径Ф6000mm、内径Ф5400mm。广深铁路为国家I级干线铁路，轨道采用碎石道床、普通砼轨枕。盾构隧道平面上与铁路垂直相交，穿越长度约45m，区间隧道与铁路的竖向距离为23.5m。

3、工程水文地质条件

本区间隧道在建设路与和平路间下穿广深铁路，此区域地层由上而下一次为：素填土、淤泥质土、粘土、圆砾、粉质粘土、全风化变质砂岩、强风化变质砂岩、断层角砾、中风化变质砂岩。

隧道位于断层角砾、中风化变质砂岩地层，隧道顶埋深约21m，隧道与铁路路基间地层为素填土、淤泥质土、粘土、圆砾、粉质粘土、全风化变质砂岩、强风化变质砂岩。

本软件进行模型计算所采取地层参数如下表

地层参数建议值表3.1-1所示

4、盾构法施工隧道地面沉降原因的分析

（1）设计标准

根据《铁路线路修理规则》（铁运[2006]146号），建议下穿广深铁路轨道、结构限值如下：1）轨面沉降值不得超过10mm；2）相邻两股钢轨水平高差不得超过6mm；3）相邻两股钢轨三角坑不得超过6mm；4）前后高低（纵向水平）6mm。5）广深铁路的结构沉降不大于20mm。超过上述限值时，需对轨道进行调整或采取限速处理。

（2）沉降的表现形式和机理

采用盾构法修建隧道，会引起地层移动而导致不同程度的地面沉降。地基条件和施工状况不同，沉降的类型也有所不同，将沉降的原因、机理分类整理示于下表中。

地 基 变 位 机 理 表 4.2-1

沉降种类 原 因 地基状况的变化 变化机理

先行沉降 地下水水位降低 有效上覆土重增加 压缩、固结、沉降

开挖面前 沉降 沉降开挖面崩塌，过量取土 土体的应力释放，扰动 弹塑性变形

隆起 压入开挖面 反向土压力

盾尾沉降 盾构机通过时的扰动 扰动 压缩

盾尾空隙沉降 产生盾尾间隙 土体的应力释放 弹塑性变形

后续沉降 以上各种原因（残余影响） 压缩及蠕变沉降

5、 模型及计算条件

本计算分析采用Plaxis3D有限元程序进行分析，该程序是专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。为了减少模型边界条件对计算结果的影响，计算模型考虑水平方向-50m≤X ≤50m，竖直方向0m≤Y≤50.0m，掘进方向0m≤Z≤15m。模型几何参数均按照该节点处设计实际情况取值。地应力场模拟自重应力场，围岩材料的破坏采用Plaxis中的莫尔库仑破坏准则，盾构法隧道的衬砌采用壳单元进行模拟。计算模型如图5.1-1。

图5.1-1有限元整体网格模型

Plaxis3D有限元软件中对土方开挖的模拟以及隧道衬砌的支护是通过“杀死”或“激活”对应的土体以及衬砌单元实现的，即所谓“生死单元”。故通过设置合理的分析步骤和激活相应的单元可以对具体的施工工况进行仿真模拟分析。

本模拟过程主要分为如下几个步骤:①隧道范围内土体开挖;②架设管片;③下一环管片土体的开挖;④架设下环管片;⑤循环第一、二步骤.

6、数值模拟结果与分析

本计算分析中，最关心的问题为盾构施工对广深铁路轨道变形的影响。通过对具体施工工况的模拟，得到如下有限元计算结果，如图5.1-2所示。

图5.1-2盾构施工引起的地表位移

从图5.1-2可知盾构施工引起的最大地面沉降为4.3mm，广深铁路轨道变形满足《铁路线路维修规则》中容许最大变形量10mm的要求。

7、结论

（1）由于隧道埋深较深，盾构通过前不须对广深铁路进行预加固处理，盾构通过时引起的沉降可以满足铁路保护的相关要求。

（2）由于盾构施工是一个应力释放的过程，盾构施工造成周围土体不同程度的扰动，引起地面沉降和地层位移，故地铁区间隧道下穿广深铁路过程中提出以下技术措施：

①优化盾构施工参数，如土仓压力、推进速度、总推力、出土量、刀盘转速、注浆量和注浆压力等。

②通过加气保压使土仓内压力值保持恒定，减少波动以确保开挖面的稳定；根据施工经验及现有地层特点严格控制出碴量，避免碴土的少出、多出；适当增加泡沫剂及水的用量，根据掘进情况及时调整加入量；盾构下穿时，严格控制掘进速度，避免出现速度的较大波动，快速完成管片拼装，减少盾构停机的时间。

③盾构掘进过程进行严格的线形控制和姿态控制，姿态调整不宜过大、过频，减少纠偏，特别是较大纠偏，姿态调整控制在±5mm范围内，以避免对土体的超挖和扰动。

④结合具体的地质情况，采取合适的注浆压力，确保同步注浆及二次注浆的质量和数量，及时填充管片与围岩间隙，提高结构的抗渗性、改善结构受力情况，减小地层变形。

3） 信息化施工，加强监测，根据监测结果不断修正盾构掘进参数，并根据监测结果对广深铁路进行跟踪注浆处理措施。

4 ）建立了专项安全施工方案、专项安全应急预案。

8、结语

盾构隧道施工，地表沉降是对地面建构筑物影响的最大因素之一，通过盾构施工引起地表沉降理论分析，找出影响沉降的关键点加以控制，使地表沉降控制在相关规定的标准中保证铁路行车安全。

参考文献

[1]周文波 盾构法隧道施工技术及应用 北京：中国建筑工业出版社 2004

[2]竺维彬，鞠世健 复合地层中的盾构施工技术 北京：科学出版社 2006

[3]何川，曾东洋 盾构隧道结构设计及施工对环境的影响 成都：西南交通大学出版社 2007

[4] 盾构法隧道施工与验收规范(GB 50446-2008)/中国建筑工业出版社

[5] 深圳地铁9号线工程初步设计技术要求．深圳，2010．

[6]《深圳市地铁9号线工程鹿丹村-人民南区间详细勘察阶段》岩土工程勘察报告（广州地铁设计研究院有限公司）．深圳，2010

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