地铁盾构隧道平行既有城际铁路施工的沉降影响分析

　　摘要：本文结合南京地铁三号线南京站站～新庄站区间工程，通过PECK法数值计算并用有限元法进行验证，分析了在不同地层损失下，盾构隧道施工引起的沉降对临近平行的既有沪宁城际路基段的沉降影响，并结合分析结果提出了盾构隧道平行既有城际铁路段的盾构掘进参数建议值，对指导工程施工及同类工程具有一定的参考价值。
　　关键词：盾构隧道；城际铁路；地铁区间；沉降影响
　　
　　1工程概况
　　南京地铁三号线南京站站～新庄站区间采用盾构法施工，采用2台盾构机掘进，由设置于曹后村附近的盾构始发井（兼事故风井）始发掘进至新庄站，右线先行始发，然后转场回到盾构始发井重新始发掘进至南京站站，在南京站站过站后在车站西端解体吊出。本区间有较长段与新建沪宁城际并行，最近点盾构隧道右线中心距沪宁城际下行线中心约38m，隧道中心距地表24m。隧道采用土压平衡盾构施工，隧道内径5500mm，外径6200mm，管片宽度为1.2m，管片采用错缝拼装形式。
　　平行段对应的沪宁城际线为路堑有砟轨道段，路基宽度13m，高度3m，路基边坡1:1.5，道床厚度35cm，道床边坡1:1.75；正线轨枕采用Ⅲc型有挡肩钢筋混凝土轨枕，行车速度不超过120km/h，列车采用CRH2型和谐号动车
　　
　　图1盾构隧道与沪宁城际平面位置关系示意图图2盾构隧道与沪宁城际横剖面关系示意图
　　沿线地形地貌复杂多变，自南京站至新庄站，为坳沟与岗地相间地段，总体上覆第四系主要以填土、粘性土、粉土、混合土组成，厚薄不均，下伏基岩，起伏较大，多破碎，裂隙发育，风化不均，软硬不一。隧道穿越地层为第四系土层、岩浆岩(闪长玢岩～闪长岩)及T2z角砾岩～角砾状灰岩，属工程地质条件复杂区。
　　盾构隧道在平行段和竖井范围内的土从上往下依次为①-1杂填土、①-2b3素填土、③-2b2粉质粘土夹粉土、③-3b1-2粉质粘土、④-4e1混合土、δu-2-1强风化闪长岩(砂土状)、δu-3-1中风化闪长岩(破碎)、δu-3中风化闪长岩和δu-4微风化闪长岩。场地属岗地地层，场地的抗震设防烈度为7度，场地范围内不存在液化层。
　　2工程难点
　　地质条件复杂，土层变化大，本区间地处岗地～坳沟，地貌复杂，沿线岩土种类多，起伏大，分布不均匀、性质变化大，分布有软夹层。地下水丰富，该区段地下水主要由上孔隙潜水、微承压水和基岩裂隙水组成。孔隙潜水主要赋存于①层填土中，为弱透水～微透水层，水量不大；微承压水主要赋存于④-4e1层中，为弱透水层；基岩裂隙水赋存于强风化岩和破碎的中风化岩中，由于受构造、闪长岩侵入及后期不同程度的囊状风化作用，岩体完整性、裂隙张开和密集程度、连通和充填情况、富水性及透水性呈不均匀性、各向异性，易产生渗透破坏，降低围岩的稳定性，对施工和防水都有较大影响。小半径盾构施工，节点处盾构隧道处于曲线段，平面曲线半径分别为500和515m，坡度为7‰，盾构在曲线段掘进易出现一定量的超挖，且是抬头推进，因此盾构姿态调整、纠偏等对土体造成扰动更大，地层损失也较大，从而对周边建筑和城际线可能造成较大的影响。
　　3盾构施工影响分析
　　盾构隧道施工与环境密切相关，相互影响。地铁施工所引起的应力释放、土体松动、水土流失对地面、地下环境都将产生影响，主要表现在地面沉降、建筑物沉降、倾斜、地下管线开裂、地下结构物的位移、开裂，严重的会导致地面塌陷等次生灾害。有时注浆压力过大引起地面隆起，地面荷载对地铁的影响主要表现在荷载压力对地铁的影响，导致轴线不均匀沉降等。平行段隧道随处地层主要以中风化岩为主，渗透系数较大，因此还需考虑地铁运营期隧道漏水可能产生的对城际线的影响。以下采用PECK法和有限元法分析盾构隧道施工对铁路的影响。
　　3.1PECK理论公式
　　R.B.Peck在1969年的国际土力学会议上，提出了著名的沉降槽计算公式，在Peck提出隧道引起的地表横向沉降槽（即图3中的s方向的地表变形）可以用高斯分布拟合的基础上，Attewell等人和Rankin总结了当时广泛应用的经验方法，并提出以下计算公式：
　　
　　3-1
　　式中：
　　s—地面任一点的沉降值(m)；
　　x—从沉降曲线中心到所计算点的距离(m)；
　　smax—地面沉降的最大值(m)，位于沉降曲线的对称中心上，按照3-2公式计算。
　　i—从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离(m)，一般称为“沉降槽宽度”,经验公式见3-4；
　　
　　图3隧道在开挖过程中引起的地表横向沉降曲线
　　
　　3-2
　　式中：
　　Vs—盾构隧道单位长度地层损失(m3/m)，按公式3-3计算；
　　3-3
　　
　　式中：
　　Vl—地层体积损失率，即单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积的百分比；
　　R—盾构机半径(m)；
　　沉降槽宽度系数i决定了盾构施工对周围土体的影响范围，一般而言，沉降槽宽度为5i。研究表明i取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深和隧道半径，其计算见公式3-4。
　　
　　3-4
　　式中：
　　Z—地面至隧道中心的距离(m)；
　　φ—土的内摩擦角(°)；
　　K—沉降槽宽度系数。
　　地层损失的取值对预测地面沉降的准确度有最重要的影响，应仔细分析地质条件并参照已有经验后合理确定。参考南京地区施工经验，盾构施工在一般施工条件下地层损失率可以控制到0.5%，但是考虑到地层特殊，现分别对地层损失率0.5%和1%进行分析。
　　3.2PECK法沉降计算
　　平行段处各计算参数如下：
　　隧道中心埋深Z：24m；土层摩擦角φ:34°；盾构外径D：6.2m；沉降槽宽度系数i：18.01m。盾构隧道两侧影响范围大致在45m左右，而盾构右线与城际线中线距离为38m，沪宁城际线已接近于沉降槽影响范围极限，基本可以认为盾构施工基本对城际线没有影响，通过peck计算结果也表明，当考虑地层损失率0.5%，城际线最大线路沉降不到0.8mm，如图4所示；即使考虑1%的地层损失率，城际线路最大沉降也不到1.5mm，如图5所示。
　　
　　图4考虑0.5%地层损失率时沉降曲线
　　
　　
　　图5考虑1%地层损失率时沉降曲线
　　3.3有限元法
　　采用数值模拟方法，考虑了施工期存在列车荷载作用时的铁路线路变形，通过plaxis有限元软件建立二维模型，模型尺寸130m×50m，土体采用硬化弹塑性模型（HS），在几何模型底部施加完全固定约束，在两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界。列车荷载采用ZK活载并按换算土柱计算并考虑冲击系数均布作用在路基面上，模型图如图6所示，数值模拟按照实际施工中先开挖右线隧道、后开挖左线隧道的顺序进行，考虑地层损失率为1%。计算结果拟合的线路沉降曲线如图7所示，隧道开挖完成时，双线完成后线路最大沉降为1.58mm，并且从沉降曲线图中可以看出在线路横断面范围内沉降比较均匀，沉降差很小，基本可以认为盾构施工对城际线影响很小，线路平顺性显然也能满足要求。
　　图6计算模型图图7隧道开挖完成后线路沉降曲线
　　由于盾构埋深相对较深、且所处地层以中分化岩为主，城际线离盾构相对较远，通过peck理论公式计算和有限元法验证分析表明盾构隧道施工对既有沪宁城际线路影响较小。
　　5结论及建议
　　（1）平行段盾构施工对城际线路影响较小，不建议对城际线采取地基主动加固措施，但考虑到岩层的渗透性较大，施工时承压水、裂隙水有可能渗漏导致岩层失稳或变形较大，因此建议施工期加强防水和监测，同时准备足量的道砟、一定数量的轨道或便梁，一旦线路沉降过大时立刻采取垫砟、扣轨或架设临时便梁的措施。
　　（2）该区段主要在风化岩中经过，隧道盾构施工应注意上下岩土强度差异及岩层自身的非均质性，严格加强对掘进方向的控制；局部下部微风化岩完整，强度高，应充分考虑盾构机刀具的适应性，注意上软下硬地层中的施工工艺，防止强风化岩涌水，加强防水、止水。洞顶主要为强风化岩和中风化岩，稳定性差，建议控制掘进速率。
　　（3）加强盾构推进施工控制，密切注意监测反馈信息，及时调整施工参数，同时注意平缓过渡；建议盾构在平行段施工时土仓压力控制在0.32MPa～0.34MPa，推进速度控制在2.0～2.5cm/min，每天推进5～7环；注浆压力控制在0.19MPa～0.21MPa。
　　（4）为保证城际铁路的行车安全和正常运营，在施工期间，必须对线路实施全天24小时的监控。本工点沪宁城际正线线路沉降报警值为±0.5mm/天，累计沉降量报警值为±5mm，由盾构施工引起的路基沉降控制在10mm以内；同时满足速度120km/h～160km/h的轨面静态几何不平顺管理值的经常保养标准。
　　参考文献
　　[1]季大雪.武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降影响分析[J].铁道工程学报.2009(10)
　　[2]肖广良.盾构在软土地层穿越既有铁路施工技术[J].隧道建设.2008(03)
　　[3]张书丰,孙树林,吴凯.南京地铁盾构施工引起的地表沉降分析[J].城市轨道交通研究.2006(05)
　　[4]杜孔泽,严广艺.近距离盾构隧道下穿铁路沉降分析[J].山西建筑.2005(14)
　　[5]刘招伟,王梦恕,董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报.2003(08)

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