论文部分内容阅读
摘要：本文以某地铁隧道盾构区间下穿京广铁路的工程案例为研究对象，在分析了盾构施工法下隧道地表变位的表现形式和机理后，建立京广铁路与盾构隧道交汇模型，研究了隧道注浆加固圈尚未起作用和加固支撑已完成两种条件下盾构隧道断面的沉降，并对比施工监控数据得出：该地层盾构法施工对铁路路基及立交桥面的沉降影响较小， 桥梁荷载及列车荷载下的地表沉降明显大于无荷载工况下的沉降。
关键词：地铁隧道；盾构区间；沉降；数值计算；京广铁路
中图分类号：U45文献标识码： A
0引言
随着我国城市化规模的日益扩大，城市交通拥堵事故频频泛滥，地铁无疑是缓解路面交通拥堵的重要措施。地铁网的规划不可避免的会穿过城市中部分房建、桥涵、河道、广场以及地面铁路线路等建筑物，在穿越这些建筑物的地铁隧道建设中，泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机施工是隧道掘进的首选方法。尽管盾构施工法有良好的防渗漏水性、施工安全性，并且其对地面交通、沿线建筑物和地下管线等影响极小，但盾构机在掘进过程中仍会造成地表及邻近建筑物的不同程度沉降。张海波[1]，杨晓杰[2]，姜忻良[3]均是由具体案例通过数值计算方法分析了地铁隧道建设对邻近建筑物或邻近建筑物施工的影响；城市建筑物高度集中，施工中会存在交叉影响，戴宏伟[4]，高广运[5]，黄强兵[6]，张治国[7]，张玉成[8]等从地铁隧道沿线邻近建筑物基坑开挖、地表荷载、地裂缝等多角度出发，研究了其对地铁隧道在施工、运营过程中的多方面影响。
地铁隧道在施工中需要严格控制地表沉降，本文依托某在建地铁盾构区间下穿京广铁路的工程项目，利用有限元软件ANSYS建立仿真模型，计算预计了盾构隧道在京广铁路下方掘进过程中会造成京广铁路路基、京广铁路上方立交桥等地面沉降，對比盾构区间施工监控量测数据，说明了盾构区间在该段工程掘进时对地表变位影响较小。
1工程概况
根据规划某地铁站区间沿途穿越多栋1～5层建筑物，并下穿京广铁路及其上部桥涵、立交等。区间长度约1252米，采用盾构法施工，盾构机采用带注浆功能的土压平衡盾构。盾构管片外径6m，内径5.4m，壁厚0.3m，纵向宽度每环1.5m。区间由上往下主要地层为：杂填土、素填土、含碎石粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，如图1。
区间下穿处京广铁路为三条主线和一条岔线，主线和岔线之间用货运仓库隔开，总宽度约41m。铁路上方桥涵长约65m，宽15m，桥面为双向三车道，桥涵结构形式为双桥墩三洞结构，桥墩为浆砌片石墙。其中一个桥墩底部宽约1.5m，顶部宽约0.8m；另外一个桥墩顶、底部宽均约7m。桥涵建设年代较早，现状为危桥，桥两端已采取限高及限重通行措施。桥墩为浅基础，底部地层为中风化泥质粉砂岩。
勘察期间，场地所有钻孔均遇见地下水，主要为第四系砂卵石层中的孔隙潜水及强～中风化基岩裂隙水。对强、中风化泥质粉砂岩进行了抽水试验及压水试验，强、中风化岩层渗透系数计算结果为0.024～0.266m/d，说明基岩的裂隙发育程度及富水性存在较大差异、但均属弱透水性地层。
图1盾构隧道与京广铁路交汇图
Fig.1 Chart of shield tunnel and Beijing-Guangzhou Railway
2盾构隧道地表变位的表现形式和机理
盾构法修建隧道，必然会引起地层移动而导致不同程度的地面沉降。盾构法施工引起地表位移与工程地质及水文地质条件、埋置深度、盾构机类型、施工工艺、线路条件等因素有关，在含水软弱地层盾构施工过程中，沿隧道纵向轴线所产生的地表变位一般规律如图2。
图2 隧道纵向轴线所产生的地表变位图
Fig.2 Ground depression
沿隧道纵向轴线所产生的地表变位表现形式一般包括：先行沉降、开挖面前的沉降和隆起、盾尾沉降、后续沉降等。这些沉降并非同时产生，地基条件和施工状况不同，沉降的类型也有所不同，将上述沉降的原因、机理分类整理见表1。
表1 地表变位机理表
Tab.1 Reason of ground depression
沉降种类 原 因 地基状况的变化 变化机理
①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
②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
③盾尾沉降 盾构机通过时的扰动 扰动 压缩
④盾尾空隙沉降 产生盾尾间隙 土体的应力释放 弹塑性变形
⑤后续沉降 以上各种原因（残余影响） 压缩及蠕变沉降
3沉降计算
沉降计算采用数值建模方法，ANSYS有限元软件考虑土体的非线性弹塑性本构关系，可以很好的模拟土体与支护的共同作用。边界条件：左右两侧水平约束，下部X、Y方向约束，上部为自由边界。屈服准则：采用适合岩石和土壤的Druck-Prager屈服准则。计算参数取值说明：（1）区间隧道：设计采用平行双线圆形盾构隧道，外径6m，内径5.4m，管片厚度0.3m。（2）桥梁：三跨板式梁桥，计算中按实际进行简化建模，桥面按桥规设计取值。（3） 铁路：铁路简化为荷载施加在道床位置，轨道荷载P=54.4kN/m，活载为156.25kN/m，换算为均布荷载后乘以动力系数2.0，最后铁道荷载定为131.6kPa。（4）土层：隧道通过单一地层中风化泥质粉砂岩，变形模量参照《公路隧道设计规范》取为1e9Pa，泊松比0.27，粘聚力250kPa，内摩擦角36°，天然密度2400Kg/m3。模型网格划分如图3。
图3 模型网格
Fig.3 Mesh model
结合盾构掘进过程，分四种工况进行计算，各工况埋深及荷载情况分别是：工况一：位于京广铁路桥下方，埋深6米，上部无荷载工况；工况二：位于京广铁路桥下方，埋深6米，地面有铁路轨道，需考虑列车荷载工况（地面列车面荷载P=132kPa）；工况三：位于中部桥墩部位，埋深6+7=13米，上部有桥面自重及行车的荷载工况（桥墩顶部面荷载P=250kPa）。
4计算结果
4.1加固前地表沉降
盾构机掘进施工，注浆加固圈尚未起作用，计算时考虑加载注浆压力反力（反力面荷载P=50kPa），各工况的沉降云图如下：
（a）工况一沉降
（b）工况二沉降
（c）工况三沉降
图4 加固前沉降云图
Fig.4 Before the reinforcement settlement cloud
由图4，各工况下模型的最大沉降均在隧道拱顶位置，地表沉降最大值均在隧道断面正上方。工况一中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值0.59mm（向下）、地表最大沉降值0.38mm（向下）；工况二中拱顶最大沉降值2.6mm（向下）、地表最大沉降值1.83mm（向下）；工况三中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值4.2mm（向下）、地表最大沉降值2.93mm（向下）。
4.2最终地表沉降
开挖完成，注浆加固圈已经起作用，隧道管片支护也已起作用，不考虑加载注浆压力反力,各工况的沉降云图如下：
（a）工况一沉降
（b）工况二沉降
（c）工况三沉降
图5 加固后沉降云图
Fig.5 Final settlement cloud
根据图5得，各工况下模型的最大沉降均在隧道拱顶位置，地表沉降最大值均在隧道断面正上方。工况一中掘进完成后拱顶最大沉降值0.85mm（向下）、地表最大沉降值0.55mm（向下）；工况二中拱顶最大沉降值2.8mm（向下）、地表最大沉降值1.9mm（向下）；工况三中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值4.48mm（向下）、地表最大沉降值3.17mm（向下）。
即第三种工况下掘进完成状态下后拱顶及地表的沉降均为最大，分别为4.48mm（向下）和3.17mm（向下），均满足铁路沉降限定值5mm。
5监控量测
為确保盾构隧道的施工安全及京广铁路的正常运营，在该施工段地表布设监测点，以便掌握围岩和支护结构的动态，为确定隧道安全提供可靠的数据信息。选取两个较为典型的监测点，分别位于京广铁路立交桥的窄桥墩和宽桥墩顶部（见图1）。盾构穿越期间，监测频率平均1~2次/天，异常情况加强监测，监测点的沉降及沉降速度与时间曲线如图6。
图6 监测点沉降曲线
Fig.6 Settlement curves of monitoring points
从图6可以看出，盾构隧道施工对地表沉降影响较为显著，尤其在盾构穿越期间地表下沉较大，沉降速度最大值分别为0.85mm/d和1.36mm/d，加固完成后该部位很快完成沉降，监测数值也在正常范围内，分别稳定在3.96mm和4.23mm。这与前文通过数值模拟计算得到的沉降值相像，说明了数值计算评价地表沉降的合理性。
6结语
通过对盾构隧道在掘进过程中引起地表沉降变位原因及机理的分析，采用ANSYS有限元软件对盾构区间下穿京广铁路施工加固前后竖向位移的数值模拟，得出如下结论：
1. 在模型中，同一种工况下，盾构隧道开挖掘进时的地表沉降（包括拱顶最大沉降）明显大于开挖完成的，有效加固后的沉降；
2. 盾构区间下穿京广铁路施工中，地表沉降受到铁路的列车荷载影响较大，注浆加固圈尚未起作用前有无荷载得到的地表沉降值分别是0.38mm、1.83mm；有效加固后最终地表沉降值分别是0.55mm，1.90mm。
3. 监控量测是监控围岩和支护结构的动态变位的有效手段，比对模型计算中工况四沉降值与实际监测点量测值可得数值计算法预测盾构隧道下穿京广铁路施工时地表沉降的准确性和实用性。
参考文献：
[1].张海波，殷宗泽，朱俊高，地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（5）：755-760.
[2].杨晓杰，邓飞皇，聂雯等，地铁隧道近距穿越施工对桩基承载力的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（6）：1290-1295.
[3].姜忻良,贾勇,赵保建等，地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J]. 岩土力学2008,29(11):3047-3052.
[4].戴宏伟，陈仁朋，陈云敏，地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J]. 岩土工程学报，2006,28(3):312-316.
[5].高广运，高盟，杨成斌等，基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J]. 岩土工程学报，2010,32(3)：453-459.
[6].黄强兵,彭建兵,樊红卫等，西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究[J]. 岩土工程学报，2009,31(5)：781-788.
[7].张治国,张孟喜,王卫东，基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J]. 岩土力学2011(07):2085-2092.
[8].张玉成,杨光华,姚捷等，基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J]. 岩土工程学报，2010,32(S1): 109-115.
作者简介：郝忠院（1985- ），男，陕西榆林人，硕士研究生，主要从事地铁隧道工程方面的研究工作。
关键词：地铁隧道；盾构区间；沉降；数值计算；京广铁路
中图分类号：U45文献标识码： A
0引言
随着我国城市化规模的日益扩大，城市交通拥堵事故频频泛滥，地铁无疑是缓解路面交通拥堵的重要措施。地铁网的规划不可避免的会穿过城市中部分房建、桥涵、河道、广场以及地面铁路线路等建筑物，在穿越这些建筑物的地铁隧道建设中，泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机施工是隧道掘进的首选方法。尽管盾构施工法有良好的防渗漏水性、施工安全性，并且其对地面交通、沿线建筑物和地下管线等影响极小，但盾构机在掘进过程中仍会造成地表及邻近建筑物的不同程度沉降。张海波[1]，杨晓杰[2]，姜忻良[3]均是由具体案例通过数值计算方法分析了地铁隧道建设对邻近建筑物或邻近建筑物施工的影响；城市建筑物高度集中，施工中会存在交叉影响，戴宏伟[4]，高广运[5]，黄强兵[6]，张治国[7]，张玉成[8]等从地铁隧道沿线邻近建筑物基坑开挖、地表荷载、地裂缝等多角度出发，研究了其对地铁隧道在施工、运营过程中的多方面影响。
地铁隧道在施工中需要严格控制地表沉降，本文依托某在建地铁盾构区间下穿京广铁路的工程项目，利用有限元软件ANSYS建立仿真模型，计算预计了盾构隧道在京广铁路下方掘进过程中会造成京广铁路路基、京广铁路上方立交桥等地面沉降，對比盾构区间施工监控量测数据，说明了盾构区间在该段工程掘进时对地表变位影响较小。
1工程概况
根据规划某地铁站区间沿途穿越多栋1～5层建筑物，并下穿京广铁路及其上部桥涵、立交等。区间长度约1252米，采用盾构法施工，盾构机采用带注浆功能的土压平衡盾构。盾构管片外径6m，内径5.4m，壁厚0.3m，纵向宽度每环1.5m。区间由上往下主要地层为：杂填土、素填土、含碎石粉质粘土、全风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，如图1。
区间下穿处京广铁路为三条主线和一条岔线，主线和岔线之间用货运仓库隔开，总宽度约41m。铁路上方桥涵长约65m，宽15m，桥面为双向三车道，桥涵结构形式为双桥墩三洞结构，桥墩为浆砌片石墙。其中一个桥墩底部宽约1.5m，顶部宽约0.8m；另外一个桥墩顶、底部宽均约7m。桥涵建设年代较早，现状为危桥，桥两端已采取限高及限重通行措施。桥墩为浅基础，底部地层为中风化泥质粉砂岩。
勘察期间，场地所有钻孔均遇见地下水，主要为第四系砂卵石层中的孔隙潜水及强～中风化基岩裂隙水。对强、中风化泥质粉砂岩进行了抽水试验及压水试验，强、中风化岩层渗透系数计算结果为0.024～0.266m/d，说明基岩的裂隙发育程度及富水性存在较大差异、但均属弱透水性地层。
图1盾构隧道与京广铁路交汇图
Fig.1 Chart of shield tunnel and Beijing-Guangzhou Railway
2盾构隧道地表变位的表现形式和机理
盾构法修建隧道，必然会引起地层移动而导致不同程度的地面沉降。盾构法施工引起地表位移与工程地质及水文地质条件、埋置深度、盾构机类型、施工工艺、线路条件等因素有关，在含水软弱地层盾构施工过程中，沿隧道纵向轴线所产生的地表变位一般规律如图2。
图2 隧道纵向轴线所产生的地表变位图
Fig.2 Ground depression
沿隧道纵向轴线所产生的地表变位表现形式一般包括：先行沉降、开挖面前的沉降和隆起、盾尾沉降、后续沉降等。这些沉降并非同时产生，地基条件和施工状况不同，沉降的类型也有所不同，将上述沉降的原因、机理分类整理见表1。
表1 地表变位机理表
Tab.1 Reason of ground depression
沉降种类 原 因 地基状况的变化 变化机理
①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
②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
③盾尾沉降 盾构机通过时的扰动 扰动 压缩
④盾尾空隙沉降 产生盾尾间隙 土体的应力释放 弹塑性变形
⑤后续沉降 以上各种原因（残余影响） 压缩及蠕变沉降
3沉降计算
沉降计算采用数值建模方法，ANSYS有限元软件考虑土体的非线性弹塑性本构关系，可以很好的模拟土体与支护的共同作用。边界条件：左右两侧水平约束，下部X、Y方向约束，上部为自由边界。屈服准则：采用适合岩石和土壤的Druck-Prager屈服准则。计算参数取值说明：（1）区间隧道：设计采用平行双线圆形盾构隧道，外径6m，内径5.4m，管片厚度0.3m。（2）桥梁：三跨板式梁桥，计算中按实际进行简化建模，桥面按桥规设计取值。（3） 铁路：铁路简化为荷载施加在道床位置，轨道荷载P=54.4kN/m，活载为156.25kN/m，换算为均布荷载后乘以动力系数2.0，最后铁道荷载定为131.6kPa。（4）土层：隧道通过单一地层中风化泥质粉砂岩，变形模量参照《公路隧道设计规范》取为1e9Pa，泊松比0.27，粘聚力250kPa，内摩擦角36°，天然密度2400Kg/m3。模型网格划分如图3。
图3 模型网格
Fig.3 Mesh model
结合盾构掘进过程，分四种工况进行计算，各工况埋深及荷载情况分别是：工况一：位于京广铁路桥下方，埋深6米，上部无荷载工况；工况二：位于京广铁路桥下方，埋深6米，地面有铁路轨道，需考虑列车荷载工况（地面列车面荷载P=132kPa）；工况三：位于中部桥墩部位，埋深6+7=13米，上部有桥面自重及行车的荷载工况（桥墩顶部面荷载P=250kPa）。
4计算结果
4.1加固前地表沉降
盾构机掘进施工，注浆加固圈尚未起作用，计算时考虑加载注浆压力反力（反力面荷载P=50kPa），各工况的沉降云图如下：
（a）工况一沉降
（b）工况二沉降
（c）工况三沉降
图4 加固前沉降云图
Fig.4 Before the reinforcement settlement cloud
由图4，各工况下模型的最大沉降均在隧道拱顶位置，地表沉降最大值均在隧道断面正上方。工况一中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值0.59mm（向下）、地表最大沉降值0.38mm（向下）；工况二中拱顶最大沉降值2.6mm（向下）、地表最大沉降值1.83mm（向下）；工况三中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值4.2mm（向下）、地表最大沉降值2.93mm（向下）。
4.2最终地表沉降
开挖完成，注浆加固圈已经起作用，隧道管片支护也已起作用，不考虑加载注浆压力反力,各工况的沉降云图如下：
（a）工况一沉降
（b）工况二沉降
（c）工况三沉降
图5 加固后沉降云图
Fig.5 Final settlement cloud
根据图5得，各工况下模型的最大沉降均在隧道拱顶位置，地表沉降最大值均在隧道断面正上方。工况一中掘进完成后拱顶最大沉降值0.85mm（向下）、地表最大沉降值0.55mm（向下）；工况二中拱顶最大沉降值2.8mm（向下）、地表最大沉降值1.9mm（向下）；工况三中盾构掘进反压阶段拱顶最大沉降值4.48mm（向下）、地表最大沉降值3.17mm（向下）。
即第三种工况下掘进完成状态下后拱顶及地表的沉降均为最大，分别为4.48mm（向下）和3.17mm（向下），均满足铁路沉降限定值5mm。
5监控量测
為确保盾构隧道的施工安全及京广铁路的正常运营，在该施工段地表布设监测点，以便掌握围岩和支护结构的动态，为确定隧道安全提供可靠的数据信息。选取两个较为典型的监测点，分别位于京广铁路立交桥的窄桥墩和宽桥墩顶部（见图1）。盾构穿越期间，监测频率平均1~2次/天，异常情况加强监测，监测点的沉降及沉降速度与时间曲线如图6。
图6 监测点沉降曲线
Fig.6 Settlement curves of monitoring points
从图6可以看出，盾构隧道施工对地表沉降影响较为显著，尤其在盾构穿越期间地表下沉较大，沉降速度最大值分别为0.85mm/d和1.36mm/d，加固完成后该部位很快完成沉降，监测数值也在正常范围内，分别稳定在3.96mm和4.23mm。这与前文通过数值模拟计算得到的沉降值相像，说明了数值计算评价地表沉降的合理性。
6结语
通过对盾构隧道在掘进过程中引起地表沉降变位原因及机理的分析，采用ANSYS有限元软件对盾构区间下穿京广铁路施工加固前后竖向位移的数值模拟，得出如下结论：
1. 在模型中，同一种工况下，盾构隧道开挖掘进时的地表沉降（包括拱顶最大沉降）明显大于开挖完成的，有效加固后的沉降；
2. 盾构区间下穿京广铁路施工中，地表沉降受到铁路的列车荷载影响较大，注浆加固圈尚未起作用前有无荷载得到的地表沉降值分别是0.38mm、1.83mm；有效加固后最终地表沉降值分别是0.55mm，1.90mm。
3. 监控量测是监控围岩和支护结构的动态变位的有效手段，比对模型计算中工况四沉降值与实际监测点量测值可得数值计算法预测盾构隧道下穿京广铁路施工时地表沉降的准确性和实用性。
参考文献：
[1].张海波，殷宗泽，朱俊高，地铁隧道盾构法施工过程中地层变位的三维有限元模拟[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24（5）：755-760.
[2].杨晓杰，邓飞皇，聂雯等，地铁隧道近距穿越施工对桩基承载力的影响研究[J]. 岩石力学与工程学报，2006，25（6）：1290-1295.
[3].姜忻良,贾勇,赵保建等，地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J]. 岩土力学2008,29(11):3047-3052.
[4].戴宏伟，陈仁朋，陈云敏，地面新施工荷载对临近地铁隧道纵向变形的影响分析研究[J]. 岩土工程学报，2006,28(3):312-316.
[5].高广运，高盟，杨成斌等，基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J]. 岩土工程学报，2010,32(3)：453-459.
[6].黄强兵,彭建兵,樊红卫等，西安地裂缝对地铁隧道的危害及防治措施研究[J]. 岩土工程学报，2009,31(5)：781-788.
[7].张治国,张孟喜,王卫东，基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J]. 岩土力学2011(07):2085-2092.
[8].张玉成,杨光华,姚捷等，基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J]. 岩土工程学报，2010,32(S1): 109-115.
作者简介：郝忠院（1985- ），男，陕西榆林人，硕士研究生，主要从事地铁隧道工程方面的研究工作。