地铁盾构隧道下穿既有铁路加固方案数值分析

文章编号：１００９—４５３９（２０１７）０３—００７８—０５　・隧道／地下工程・　地铁盾构隧道下穿既有铁路加固　方案数值分析　杨　林　（中铁十七局集团有限公司　山西太原０３０００６）　摘要：地铁盾构下穿铁路施工是一项高风险作业，加固方案的合理性直接影响到隧道施工安全。对于苏州地铁３号线　下穿既有铁路加固方案，通过采用三维有限元方法，对盾构隧道的掘进进行数值模拟分析，结果表明：采用加固措施后，地　铁盾构在掘进过程中，其地表、桥墩及路基部位的沉降均为超过设计中规定限值；隧道周边采用加固措施后，能够降低左　右线隧道掘进相互之间的影响。由此得到，采用加固方案后，地铁盾构在掘进过程中，不影响其上铁路列车行车安全。　关键词：盾构隧道下穿加固方案数值分析　中图分类号：Ｕ４５５．４３　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—４５３９．２０１７．０３．０１９　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｍｅｔｒｏ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｒｏｓｓｉｎｇ　Ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｙａｎｇ　Ｌｉｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　１７　Ｂｕｒｅａｕ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈａｎｘｉ　０３０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｈｉｅｌｄ　ｕｎｄｅｒ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｉｓ　ａ　ｈｉｇｈ　ｒｉｓｋ　ｊｏｂ，ｔｈｅ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍｅ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｗａｓ　ｃａ￣ｉｅｄ　ｏｕｔ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐａｓｓｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｕｂｗａｙ　ｌｉｎｅ　ｉｎ　Ｓｕｚｈｏｕ　Ｍｅｔｒｏ　Ｌｉｎｅ　３．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｕｒｆａｃｅ．ｐｉｅｒｓ　ａｎｄ　ｐａｒｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｗｅｒｅ　ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｌｉｍｉｔｓ．Ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｆｏｒ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｕｌｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｌｅｆｔ　ａｎｄ　ｒｉｇｈｔ　ｌｉｎｅ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅａｃｈ　ｏｔｈｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎ—　ｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　ｄｉｄ　ｎｏｔ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｔｒａｉｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ　ｔｕｎｎｅｌ；ｕｎｄｅｒ　ｐａｓｓｉｎｇ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｓｃｈｅｍｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　１　引言　地表变形以及结构物的安全方面已有大量的研　究　，但对于软土地区地铁盾构连续下穿既有线工　随着城市轨道交通的快速发展，受城市地理环境　程方面的研究较少，其加固方案的好坏关系工程是否　的影响，出现越来越多的地铁隧道下穿既有线工程。　能顺利进行。本文以苏州轨道交通３号线工程苏州　盾构隧道穿越作为一种施工难度大、风险高的项目，　新区站站～发展路站区间为背景，采用数值模拟的方　其安全眭受到众多因素的影响，盾构下穿铁路引起的　法就地铁盾构隧道连续下穿既有铁路路基和高铁桥　铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，不仅加大了轮　梁时，加固措施对控制地表上结构的变形进行分析，　轨问的冲击力，加速轨道结构和基床的破坏　ｌｊ。目　可为将来类似工程的设计、施工提供参考。　前，对于地铁盾构下穿铁路路基、高铁桥梁和建筑时　２　工程概况　收稿日期：２０１７一Ｏ１—０９　基金项目：中铁十七局集团有限公司科技研究开发计划项目（２０１６—３４）　作者简介：杨林（１９８６一），助理工程师，从事隧道及地下工程技术研究。　发展路站～苏州新区站区间线路沿沪宁铁路　７８　铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＣ》ＬＯＧＹ　２０１　７　ｆ０３Ｊ　・隧道／地下工程・　北侧向东至大同路向南穿过沪宁城际铁路及沪宁　铁路至发展路附近接入发展路站，左右线路中心线　间距ｌ２～２７．９　ｍ，区间采用盾构法施工。盾构下穿　防止浆液外渗，保证注浆效果。双重管旋喷桩两侧　伸出京沪铁路路基段主加固区各１０　ｎｌ。次加固区　外侧设置１排＋８００＠６００　ｍｍ双重管旋喷桩。＋８５０　京沪线普速铁路路基段（铁路里程Ｋ１３５８＋６７０～　Ｋ１３５８＋７００），区间线路与铁路交角为５８。～６１。。　盾构下穿京沪铁路路基，道床形式为有碴道床，隧　道顶部与路基底部竖向距离约１５　ｍ。盾构下穿沪　宁城际高铁黄花泾特大桥（高铁桥梁设计里程　ＤＫ２０９＋８３４～ＤＫ２０９＋８９９），该桥为预制法施工的　＠６００　ｍｍ三轴搅拌桩投影面积内的综合水泥掺量　为２７．６９％（即：每幅三轴搅拌桩全断面水泥掺加量　为２０％），水泥采用４２．５级以上的普通硅酸盐水　泥，其加固剖面图见图３。　简支箱梁体系，下穿处无砟双线桥梁桥墩高度为　２．３５～２．８５　Ｉｎ，箱梁长度为３２．６　ｍ，线路坡度为　４．５％ｅ。每个墩台下设８根　１　０００　ｍｍ钻孔桩，桩　长有４５．５　ｍ（墩号为６５号）、４６　ｍ（墩号为６６号）　和４７　Ｉｎ（墩号为６７号），桥下净空约为３　ｎｌ。盾构　隧道左右线自相邻两跨下分别斜穿，隧道顶部埋深　约１６．８　ｍ，隧道外侧与桩基最小水平净距为６．５　ｍ。区　问线路与普铁路基及高铁桥梁的平面位置如图１　所示　图２地基加固平面图　花泾河特大桥　图１　盾构隧道与沪宁高铁、沪宁铁路的位置关系平面图　图３京沪铁路地基加固横剖面图　３地基加固方案　苏州地铁地基采用袖阀管倾斜注浆加固，铁路　线路两侧１０　ｍ范围内为主加固区，加固范围为区问　３．２　穿越沪宁城际高铁桥梁段地基加固措施　桥桩之间采用袖阀管注浆加固，沿隧道方向伸　出桥梁范围约２０　ｍ为主加固区，继续沿隧道方向伸　出约２０　ｍ为次加固区。主加固区加固范围和次加　隧道左右两侧各１０　ｍ；沿隧道方向伸出主加固区范　围约２０　ｉｎ为次加固区，加固范围为隧道左右两侧各　３　ｎｌ。加固深度为上至４—２粉砂层上１　ｎｌ，下至盾　固区加固范围同下穿普铁路基段。　注浆处理前，为了减少因注浆对高铁桥梁桩基　的影响，在主加固区外侧增设＋３００＠４００　ｍｍ的树　构隧道底ｌ　ｍ，根据详勘取包络图，加固深度共　ｌ５．２５　ｍ，其加固平面图见图２。　３．１　穿越京沪铁路段地基加固措施　京沪铁路地基加固采用３排＋８００＠６００　ｍｍ双　根桩，树根桩桩底部低于加固体底部３　ｍ。高铁桥　梁下树根桩为３排，其余地段为２排。在次加固区　外侧增设ｌ排６８５ｏ＠６００　ｍｍ的三轴搅拌桩，其加　固剖面图见图４。　７９　重管旋喷桩隔离，隔离桩底部低于加固体底部３　ＩＴＩ，　铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１７（０９１　・隧道／地下工程・　《苏州市轨道交通３号线工程岩土工程勘察报告　沪宁城际高铁爿耗浸特大　…　（详细勘察阶段）》，其模型图见图５、６，各个土层物　理力学参数见表１。　ｏｌ３　ｍ　５．２边界条件　２　边界约束条件施加在土体边界上，模型底面限　结构项　标高　制竖向位移，模型侧面限制水平方向位移　。约束　桩　方向，防止桩发生扭转。　加固体底　固　标高一２１．３　塑　３排　３排　８根直径ｌｏｏｏｍｍ　钻孔灌注桩基础　一　图５数值计算模型　图６隧道、桥梁、路基及　加固区域模型　图４　黄花泾河特大桥地基加固横剖面图　表１　土层物理力学参数　４水文地质条件　土层　压缩　莺度／　黏聚力／　摩擦　层厚／模量／ＭＰａ　（ｋＮ・ｍ一　）　ｋＰａ　角／（。）　ｍ　１—２素填土　６．１８　１．９１　６　８　２　３—１黏土　７．９３　１．９９　３６．４　ｌ３．９　４．３　３—２粉质黏土　５．９２　１．９ｌ　２７．１　１７．２　３．２　３—３粉土　８．０７　１．９　８　２４．６　１．６　４—２ｂ粉砂　１１．７１　１．９９　６　３０．３　６．７　６—１黏土　８．３９　２．０１　４４．８　１４．４　８．２　６—２粉质黏土　７．Ｏ６　１．９６　３３．４　ｌ４．９　８．５　７—１粉质黏土　５．８４　１．９　２４．４　ｌ６　３　５　７—３粉质黏土　５．５７　１．８８　２３．３　１５　８　・隧道／地下工程・　处施加土压力０．２５　ＭＰａ，开挖第二环时将前一环掌　子面处的压力钝化。　■　■４　…”　。　”　“　”　（２）依次进行上一过程，在开挖第７环时，激活　第一环管片及注浆层，钝化第一环盾壳网格，将管　片及未凝固的注浆材料属性赋予相应的网格组，同　时给予注浆压力０．３　ＭＰａ。　（３）在开挖第ｌ１环时，将第一环凝固后的注浆　材料属性替换未凝固的注浆材料，钝化第一环的注　浆压力。后续施工过程依此进行，直至开挖完成。　５．５监测点设置　ｆＨ　ｌ｝＿　…　＿　””Ｉ　　。　■　。””Ｉ　　”。　。　ｏ　：　Ｉ　雪　“　”　。”。　■。，ＩＩ¨　”　　Ｉ　。　．５　３０１　ｒｈ＊０００　图８右线贯通后地表沉降等值线图　｛　咯基测　占＇编号　Ｕ．）　—　数值计算过程中，地铁隧道两侧３个桥墩６５＃　～．－．　６７＃上　设测点；对于路基，两隧道中线上方路基测　；０　｝Ｏ　ｆ　—　一ｏｉ５　４　。　】　点为ｏ＃Ｎ点，依次向路基两边设点，左线上方测点　编号为一１０＃，左线上方测点编号为１０＃，其监测点　布置见图７。　Ｊ　鎏Ｉ一　１ｊ０　Ｊ　Ｊ　：１　Ｊ５　＿　右　通　忙　Ｉ　一　一　图９右线贯通后路基中线沉降曲线　由图９可以看出，右线隧道贯通后．路基表面的　最大沉降值出现右线隧道正下方，其沉降最大值为　２．４　ｍｍ，小于设计文件规定的ｌ０　ｍｍ。并且其沉降　曲线与Ｐｅｃｋ沉降槽的下沉变化曲线基本一致。　０．０２　０．０Ｏ　－０．０２　ｇ－０．０４　一０．０６　誉一０．０８　图７测点设置示意　一０．１０　幽一０．１２　—６计算结果分析　６．１　右线贯通结果分析　０．１４　Ｏ．１６　Ｏ．１８　一一图１０右线贯通后桥墩沉降最值曲线　由图８可以看出，右线贯通后，地表沉降区域基　本Ｌ分布在盾构隧道上方的位置，其整个地表的沉　降等值线图基本上呈现为凹槽形状；从图上还可以　看出，地表最大的沉降值出现桥梁次加固区域Ａ与　未加固的交叉部位，其最大沉降为６．３０　ｍｍ，这是因　为在普铁路基和高铁桥梁范围内，地表进行了袖阀　由图ｌ０呵以看出，右线隧道贯通后，６５＃和６６＃　桥墩都出现一定沉降，而６７＃桥墩没有沉降　这主　要是由于在６５＃桥墩和６６＃桥墩之间地表进行了袖　阀管以及树根桩加固，６７＃桥墩与右线隧道之问存在　类似隔离墙的左线隧道加固　，造成右线隧道开挖　管注浆及旋Ｉ喷桩加固，使得地表沉降最大值位置向　隧道上方未加固区域偏移，并且最大沉降远远小于　设计中规定的预警值１２　ｍｍ。　对其影响较小，６５＃与６６＃桥墩的沉降基本上差不　多，桥墩的最大沉降０．１６　ｌｌｉｎｌ小于设计文件中规定　的ｌ　ｍｍ限值，即右线隧道贯通后，桥梁行车安全。　８１　铁道建筑技术ＲＡＩＫＷＡＹ　Ｃ０ＮＳＴＲＵＣＴ１０Ｎ　ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　２ｏ１７ｌ０３｛・隧道／地下工程・　等¨　关于地面沉降曲线由Ｖ型变成ｗ型Ｃ值界限　为０．５这一规律。　由图ｌ３可以看出，双线隧道贯通后，６５＃和６７＃　６．２双线贯通结果分析　由图１ｌ～ｌ２可以看出：双线隧道贯通后，地表最大　沉降值出现的位置同右线贯通，最大沉降为６．１０　ｍｌ／ｌ，其　最大沉降也未超过设计文件规定的预警值１２　ｍｍ；　双线隧道贯通后，地表沉降槽进一步扩大。　双线隧道贯通后，路基表面的最大沉降出现左　线隧道的正上方，其最大沉降值为２．４５　ｍｍ，小于设　桥墩的最大沉降要大于６６＃桥墩的沉降，这是由于　双线隧道开挖后，６６＃桥墩在两排隔离桩中间导致其　沉降要小；桥墩的最大沉降值为０．２　ｍｍ，远小于设　计文件规定的限值，这也说明了地基加固的作用，　从另外一方面来说即双线隧道贯通后，不影响桥梁　行车安全。　０．０４。簟　ｏ．０６｝　　．．　计文件规定值１０　ｍｍ；由其路基中线沉降曲线为ｗ　型，由Ｃ：　／（ｈ＋Ｒ）：２．１＞０．５，这也符合陈春来　＿　ｏ．Ｓ　一一．一４ｏ　ｆ　鼙　一　一　．一．一一　婚基：　刚．！　Ｌ编号　０　’　１　４；０　５・　Ｉ　●　－骞一ｏ．ｏ８｝　－一双线贯通　ｌｉ．ｏｌ　双线’　Ｊ　｝　，．　耋－ｏ．．｝－ｚ｝　／／／＼　／＼　＼　一０．　ＩＬ　＼　＼　＼．　０　１　４０　１８幽　２１３图１１双线贯通后地表　图１２双线贯通后路基　中线沉降曲线　图１３双线贯通后桥墩　沉降等值线图　沉降最值曲线　７结论及建议　通过对苏州地铁３号线在相关加固措施下进行　数值模拟计算得到了以下结论：　（１）地铁盾构掘进过程中，其地表、桥墩以及路　桥梁的安全控制技术［Ｊ］．北京交通大学学报，２０１４　（１）：１３—１９．　［４］　王体广．盾构区间近距离下穿铁路桥梁影响分析［Ｊ］．　城市轨道交通研究，２０１６（３）：１０４～１０８．　［５］　柴江明．盾构下穿既有铁路时安全技术措施研究［Ｊ］．　铁道建筑技术，２０１５（７）：４６—４９．　［６］　张恒臻．地铁盾构隧道下穿既有铁路沉降分析与控制　研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１５：４３—６８．　基部位的最大沉降量都未超过设计文件规定的限值。　（２）盾构隧道区域采用三轴搅拌桩及袖阀管注　浆加固方案，减少了盾构隧道的左右线在开挖过程　［７］　蔡小培，蔡向辉，谭诗宇，等．盾构下穿施工对高速铁　路轨道结构的影响研究［Ｊ］．铁道工程学报，２０１６　（７）：１１—１７．　中相互间的影响，有利于隧道掘进过程洞内及洞外　施工安全，降低了工程施工风险。　（３）根据数值模拟计算结果，沪宁高铁桥梁与　京沪铁路路基采取三轴搅拌桩及袖阀管注浆加固　［８］　霍军帅，王炳龙，周顺华．地铁盾构隧道下穿城际铁路　地基加固方案安全性分析［Ｊ］．中国铁道科学，２０１１　（５）：７１—７７．　方案时，地铁盾构在下穿过程中，不影响其上面铁　路列车的行车安全。　参考文献　［１］　徐干成，李成学，王后裕，等．地铁盾构隧道下穿京津　城际高速铁路影响分析［Ｊ］．岩土力学，２００９（ｓ２）：　２６９—２７２．　［９］　李成宝．大直径泥水盾构下穿严重损坏房屋施工技术　［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（８）：３３—３６．　［１０］李冀伟．地铁隧道盾构下穿对既有隧道的影响研究　［Ｄ］．西安：西安科技大学，２０１２：６２—６３．　［１１］房明，刘镇，周翠英，等．新建隧道盾构下穿施工对既　有隧道影响的三维数值模拟［Ｊ］．铁道科学与工程学　报，２０１１（１）：６７—７２．　［１２］陈春来，赵城丽，魏纲，等．基于Ｐｅｅｋ公式的双线盾构　引起的土体沉降预测［Ｊ］．岩土力学，２０１４（８）：２２１２—　２２１８．　［２］　彭坤，陶连金，高玉春，等．盾构隧道下穿桥梁引起桩　基变位的数值分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１２　（３）：４８５—４８９．　［３］郭玉海，李兴高．大直径盾构下穿北京机场快轨高架　８２　Ｌ　ＡＹ　Ｃ０ＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　７－ＥＣＨ～０ＬＯＧＹ　２０１　７　ｆ０３　Ｊ　铁道建筑技术　ＲＡＩ