王雅莉

(南京高等职业技术学校，南京 210000)

0 引 言

随着我国的城市化进程不断升级，我国城市交通基础设施面临的压力也是前所未有的。在这种现况下，北上广等一线城市率先通过轨道交通网络的建设解决了部分交通需求，参考一线城市的成功案例，其他大部分的城市在面临交通压力时也会相继选择较为成熟的解决方案。盾构法因为其施工过程中的干扰因素较少、对地面已建成交通的影响较小、施工周期短、成本低等优点而受到大量运用[1-3]。朱伟[4-6]指出国内在盾构施工技术与管理上尚有缺陷，以及未来盾构法施工技术的发展方向。蒋洪胜[7]基于上海二号线盾构隧道下穿污水管道，将盾构施工过程分为靠近、下穿和远离3个不同的施工阶段。黄宏伟[8-9]分析了盾构施工掘进时各个阶段引起的沉降值的占比。张冬梅[10]等将时间效应引入到盾构施工造成的地表沉降，并得到地表沉降的计算公式。顾其波[11]以宁波地铁1号线作为工程背景，对已有的地表沉降数据预测公式进行分析计算，进一步验证了公式的适用性。韩煊和李宁[12-13]先后研究了盾构施工导致地层沉降和建筑物变形的预测模型和盾构引起地表沉降的peck公式的适用性，并对公式中的参数提出相应的建议。

本文依托于江苏省淮安市某盾构施工工程，其关键技术之一即为盾构法隧道下穿高铁铁路路基关键技术分析。本文采用ABAQUS有限元分析软件模拟盾构隧道下穿铁路路基的工况，分析注浆压力的施工参数对地表沉降的影响，并通过拟合公式为实际工程提供参考。

1 工程概况

该盾构下穿铁路路基工程位于江苏省淮安市，施工方案为泥土压力盾构机，计划在铁路开通运营之前施工完成，因此不考虑列车在运营时产生的列车荷载。铁路站台地基宽度约为130 m，平行双孔隧道下穿铁路路基的长度为130 m左右，左右两边隧道的中心距离约为13 m，隧道顶部距离地表约20 m，隧道的中心线与铁路路基的方向大致成90°，由于曲率半径相对于长度较小，故不考虑。根据地质勘察报告可以得到所需的各个土层的材料参数，见表1。

表1 地层物理参数表

2 数值模型的假设与建模

2.1 模型假设

本文采用大型有限元软件ABAQUS建立数值模拟模型，对盾构机下穿铁路路基进行模拟和分析。因为数值模拟中无法如现实条件般把所有的自然和人为等因素都考虑进去，因此需要作出一系列的假设，使数值模型能够对现实世界中的复杂条件进行一定的简化，有针对性地分析单一变量或几种重要变量，从而忽略次要的或者难以在模型中实现的因素。假设三维有限元数值盾构施工模型符合下列假设条件：

①各向同性假设；②土层厚度均一且分布水平；③在盾构施工过程中只考虑盾构的注浆压力和土仓压力；④忽略地面线的斜率，认为地面是一个水平面，而且铁路路线与盾构路线正好正交；⑤盾构机施工的过程视为盾构机的空间变化，不考虑时间因素；⑥不考虑施工前的地基处理和施工过程中地下水的影响；⑦不考虑施工过程中的不可抗力因素。

2.2 盾构施工过程在模型中的简化实现

在ABAQUS有限元分析软件中，可以在分阶段施工管理中设置施工步骤的均匀性，这与实际盾构施工过程中的实时纠正偏差是有差别的。在现实施工的过程中使用到的“克泥法”工法，即在盾构的外壳与刀盘的外径之间输入注浆材料，然后将液态注浆材料赋予固态注浆材料的属性。在ABAQUS中，可以利用LDF开挖荷载释放系统来模拟这一点，可以将上一步骤中的LED释放系数设置为0.3，而在后一步骤的LED释放系数则设置为0.7，这样就可以认为盾构机外壳在施工过程中的变形非常小，可以近似认为是刚体。在数值模拟中，盾构的施工过程可以认为是“开挖-液体注浆-注浆材料固化成固体”这3步为循环的逐步掘进。

2.3 三维数值模拟模型的建立

采用ABAQUS有限元分析软件建立三维有限元模型，模拟盾构机掘进时双线下穿铁路路基的施工过程。因为实际工程中的盾构掘进过程中施工的长度高达135 m且盾构隧道的埋深较大，这些因素都将导致程序计算时间过长，同时考虑到模拟盾构掘进的过程中是施工步骤的循环，所以适当降低盾构掘进的长度为25 m。在模型中利用实体单元模拟铁路的路枕、钢轨等铁路的附属结构。模型图见图1。

图1 盾构双线下穿铁路路基三维模型图

从工程背景中可知，各个土层从上至下分别为人工填土、砂质粉土、黏土、粉质黏土、夹砂质粉土和粉砂。为了减小边界条件对模型计算的影响，将模型的尺寸设定为长度为100 m，宽度为25 m，模型的高度为50 m，盾构隧道的顶部距离地表为20 m，盾构隧道和铁路的夹角为90°。三维有限元数值模型的土体采用的本构为Mohr-Coulomb，盾构外壳、衬砌、液态注浆层、固态注浆层和轨枕采用弹性模型。模型的边界条件为在X=0处约束X方向的位移，在Y=0处约束Y方向的位移，在Z=0处约束Z方向的位移。在实际工程中，盾构下穿施工计划在铁路开通运营前施工完毕，故不考虑高铁运营时的列车荷载等条件。模型经过网格划分后共有36 806个单元，40 146个节点。

在模型中各个土层的物理力学参数是通过地质工程勘探报告获得的，将报告中涉及到的三维建模所需的土层材料参数和结构材料参数作出整理，见表1和表2。

表2 模型结构参数表

模型中施工参数的选取参考相关理论计算或者相似的工程经验可知，土仓压力的上限约为230 kPa，下限约为170 kPa。为分析盾构掘进过程中注浆压力的变化对结果的影响，共设置6种计算工况，不同的计算工况仅有注浆压力这一变量有所不同，其他的施工参数如土仓压力、盾构掘进长度和盾构隧道中心线的水平间距都是相同的。计算工况表见表3。

表3 数值模拟工况表

3 数值计算结果

3.1 截面的沉降槽分析

工况1-工况6的沉降槽曲线图2-图4。

图2 工况1-工况6右边隧道开挖完毕后沉降曲线图

图3 工况1-工况6左边隧道开挖完毕后沉降曲线图

图4 工况1-工况6沉降曲线变化趋势

从图2中可以看出，当工况1-工况6右边隧道开挖结束时，沉降槽的最大沉降值位于右边隧道的中心处，最大沉降值范围为-2.74～-6.52 mm，沉降槽的宽度在渐渐变小，这说明随着注浆压力的变大，右边隧道中心的最大沉降值在逐渐变小，而且从工况1-工况6这种沉降减小的差值在不断变小。从图3中可以看出，共工况1-工况6左边的隧道开挖完毕，沉降槽的发生最大沉降值的点往左偏移，而且最大沉降值的范围较右边隧道有所增加，最大沉降值的范围是-4.36～-11.63 mm。这同样说明了随着注浆压力的增加地表沉降的降低，也可以把沉降槽的宽度系数降低。图4为每一种工况的沉降槽随时间的变化曲线，可以看出从工况1-工况6在右边隧道开挖结束之后左边隧道开始开挖，沉降槽的宽度在变大，深度也在加深。当注浆压力增加到一定值时，地表可能会发生隆起，如后面几个注浆压力较大的工况。

3.2 时程曲线分析

工况1-工况6的节点时程曲线见图5-图7，图中横坐标为施工步骤前12步右边隧道的开挖阶段，13-24步为左边隧道的开挖阶段，左右隧道中心节点在同一横截面上。

图5 工况1-工况6右边隧道中心节点时程曲线

图6 工况1-工况6左边隧道中心节点时程曲线

图7 工况1-工况6左右边隧道中心节点时程分析曲线

从图5可以看出，工况1-工况6施工工况的前12步的斜率大于后面13-24步的施工斜率，而且各个工况的施工斜率的发展趋势相同。这表明注浆压力越高，其沉降曲线的斜率越低，两者呈反相关，同时右边隧道开挖引起的右边隧道中心点沉降大于左边隧道开挖对其中心点沉降的影响。从图6可以看出，各个工况的前12步的沉降曲线的斜率要小于后面13-24步的沉降曲线斜率，且各个工况的沉降曲线斜率变化趋势相同，这同样说明注浆压力的增大可以有效降低沉降曲线的斜率，而且可知左边隧道对沉降的影响大于右边隧道的影响。从图7可以看出，工况1-工况6等6种工况的左右两边隧道的中心节点的最终沉降值相差不大，两个隧道中心节点的时程曲线呈“果核”状。这是因为在同一开挖工况中，前12步右边隧道的沉降曲线斜率绝对值大于左边隧道沉降曲线斜率，当施工步骤为13-24步时斜率绝对值大小为左边隧道大于右边隧道，而且随着注浆压力的增加，左右两个隧道中心节点的时程曲线斜率的绝对值差值在不断增大，所以在曲线图中呈现出“果核”状分布。

3.3 注浆压力与单线盾构地表沉降的关系

ABAQUS有限元软件模拟的右边隧道开挖完毕时地表沉降的最大值出现在右边隧道的中心位置，表4为右边隧道开挖结束之后地表沉降的最大值随注浆压力的变化。从表4可知，随着注浆压力的增大地表沉降的最大值会变小，将表4中的数据绘图可得到图8，并将图8中曲线拟合得到线性方程，见式(1)：

图8 右边隧道注浆压力与最终沉降的关系曲线

表4 注浆压力与单线隧道掘进时地表沉降的关系表

S1=0.015P-9.496

(1)

式中：S1为右边隧道开挖结束时的沉降值，mm；P为注浆压力值，kPa。

从表4和图8中可知，注浆压力与地表沉降的最大值呈正线性相关，其相关度为R=0.99。可以通过式(1)预测盾构单线隧道或双线盾构隧道中先行线中的地表沉降。

3.4 注浆压力与双线盾构地表沉降的关系

ABAQUS有限元软件模拟的双线盾构隧道开挖的最大地表沉降出现在两个隧道的中间位置，将注浆压力与对应的最终地表沉降最大值列于表5中，将表5中的数据绘图得到图9，并将图9中的曲线拟合得到线性方程，见式(2)：

S2=0.029P-17.332 2

(2)

式中：S2为左右隧道开挖完毕之后的最终沉降量最大值，mm；P为注浆压力值，kPa。

从表5和图9中可知，双线盾构隧道完工之后沉降最大值范围为-4.37～-11.63 mm。而且可以看出，地表沉降与注浆压力成正线性相关，相关度R=0.99，可以利用式(2)对双线盾构隧道中的地表沉降进行预测分析。

表5 注浆压力与双线隧道掘进时地表沉降的关系表

图9 左右双线隧道注浆压力与最终沉降的关系曲线

4 结 论

采用有限元软件ABAQUS模拟不同工况下双线盾构隧道下穿高铁铁路路基，可以得出以下结论：

1)无论是单线盾构隧道下穿路基还是双线，盾构的注浆压力可以影响沉降的大小和沉降槽的宽度。随着注浆压力的增大，地表沉降会随之减小，沉降槽的宽度也会变大，当注浆压力达到一定程度时可能会使地表发生隆起。

2)沉降曲线斜率受到相邻隧道开挖的影响，当左右两个隧道先后开挖时沉降曲线的分布呈现出“果核”状，而且沉降曲线斜率随着注浆压力的增加而变小。

3)单线盾构隧道和双线盾构隧道的地表沉降最终值都与注浆压力有关，而且两者呈正相关，可以利用两者的关系预测单线或双线盾构掘进时地表的沉降值。