高 鹏

（中国铁建投资集团有限公司，北京 100855）

1 引言

随着我国城市轨道交通的发展，地铁下穿既有火车股道工程日益增多。盾构下穿施工不仅会影响到既有火车周边附属建筑物安全，还会引起既有城际铁路股道的差异沉降；当下穿股道的不均匀沉降或左右轨差异沉降过大时，将对列车行车及乘客生命安全造成严重威胁。现有盾构下穿既有城际铁路股道的研究大多基于现场监测资料实时分析股道变形规律，在不超过预警值的前提下，制定对盾构下穿工程的相应控制措施[1-2]。研究方法一般可分为理论公式和模型试验法，理论公式法对现场情况进行较大程度的简化，往往与实际复杂工况出入较大，尚存局限性；模型试验法由于其尺寸效应的存在及相关消耗巨大，应用研究较少。

随着计算机技术的发展，反观有限元数值模拟不仅能够考虑实际各类地层性质的影响，且可对盾构掘进过程进行精细化模拟，较为全面地反映地层变形特征与沉降规律；基于此，已有学者得到很多有价值的研究成果[3-4]。马相峰等[4]基于FLAC3D（美国ITASCA公司开发的仿真计算软件）分析砂卵石地层注浆加固对双线盾构下穿铁路沉降控制的有效性，齐勇等[6]等通过SAP2000研究便梁与注浆加固方案对地铁盾构机下穿既有城际铁路的沉降控制效果。

现在，有关地铁盾构机穿越既有城际铁路股道的精细化数值模拟仍较少，且往往采用摩尔库伦本构。本研究以天津地铁某盾构区间在某既有城际铁路股道下部穿越作为研究背景，通过Plaxis3D有限元分析软件精细化建模，采用反映土体掘进卸荷作用的HSS本构模型，研究盾构隧道下穿施工对火车股道的影响，并针对采取桩筏和非桩筏的不同加固举措对盾构隧道下穿既有城际铁路股道的不同作用，为类似地铁下穿既有城际铁路项目施工提供经验借鉴。

2 工程概况

天津地铁某盾构区间隧道呈东西走向，区间隧道呈长条形，沿线不仅具有很多年代久远的建筑物，而且地下电缆、燃气等各种管线十分庞杂。盾构区间底板设计标高范围在3.9～6.4 m之间。区间隧道施工拟选用土压式平衡盾构，盾构管片材质为钢筋混凝土预制结构；管片内径5.4 m，外径6.0 m，厚度0.3 m。盾构隧道区间最大埋深10.1 m，所处地层为圆砾层。地铁区间隧道和城际铁路股道示意图如图 1所示。

图1 区间隧道下穿既有城际铁路股道平面示意图

3 数值分析模型的参数设置

3.1 土层分布及材料参数

借助Plaxis 3D对地铁盾构机从既有城际铁路铁轨股道下方穿越情况展开数值模拟分析，通过构建三维有限元数值计算模型，对比分析有无桩筏加固措施对盾构隧道下穿火车股道的影响，在计算时考虑的主要因素如下。

对隧道区间周围土体构建的三维有限元数值计算模型为硬化本构模型（HSS），具有小应变特性[7]。借助HSS模型能够比较精准地对盾构隧道下穿引起的沉降进行有效预测，从而对盾构掘进引起的火车股道沉降进行精细化分析。因此，该研究借助HSS模型，利用初始小应变剪切模量G0ref和阈值剪应变γ0.7等关键参数，较为具体地反映土体小应变特性[8-10]。土体物理力学参数、小应变参数取值如表 1所示，其他材料参数如表 2所示（注：Embedded Beam为减去土体后有效重度，盾体重度为结构设备等效重度）。

表1 土体物理力学参数

表2 材料参数

本文地下水埋深设置为-5 m，模型土层共计6层，土层序号由上到下①～⑥分别是素填土、粉质黏土、沙土、圆砾等，土层分布及模型纵截面如图 2所示。为便于分析，3条股道的编号从左至右依次记为1号、2号、3号股道。

图2 土层分布及模型横截面示意图

3.2 模型参数设置

图 3为三维有限元分析模型。模型按照四面体网格形式展开划分，网格总计约为9万个单元，初始应力场为重力场。在管片与土体、盾体和土体间对界面单元进行设置，模拟土体与管片盾体之间产生的相互影响。由于盾构掘进为轴对称模型，为减少计算时间，取半边对称模型进行分析。盾构掘进直径为6 m，因为地铁盾构掘进时，通常影响范围为6～10倍盾构掘进半径。另外，为全面考虑地铁盾构区间下穿既有城际铁路股道全过程沉降变化并降低边界条件的不良影响，三维有限元分析模型尺寸为23 000 mmh 85 000 mmh 35 000 mm（高h长h宽），模型上表面设置成位移自由形式，侧面采取法向位移约束形式，底部对x，y，z三个不同方位的位移同时进行约束。

图3 三维有限元分析模型

衬砌及盾构机采用板单元模拟，在分析桩筏基础对盾构掘进引起火车股道沉降的影响时，在实际工况中，桩筏基础在地面以下建立，筏板借助实体单元形式，x方向长48 m，y方向宽35 m，z方向厚1.5 m，埋深3.5 m；桩基采用Embedded Beam梁单元，桩长18 m，超隧道拱底6 m，共设置4排桩，每排桩数为6根，桩数共计24根；共取3条股道进行分析，间距为1.5 m。

城际铁路动车的设计活载借助中国客车标准活载（ZK活载），添加ZK城际铁路动车的竖向静力活载。展开模型分析时，对ZK特种活载在路基上方均匀分布的情况进行全面分析，城际铁路轨道荷载P= 45 kN/m，活载Q= 250/1.6= 156.25 kN/m，另外分布宽度d= 3.2 m；由此计算得到地面承压大小为q= （P+Q）/d= 62.89 kPa，出于确保安全的考虑，地面施加荷载采取65 kPa的面压力。

为预测盾构掘进分步施工带来的股道沉降，对盾体设置面收缩以模拟实际盾体在纵向上的直径变化，对隧道分步掘进进行模拟分析，每一步施工步距为2.4 m，共计22个掘进步，掘进长度为59 m。隧道掘进先后次序与实际工程次序完全一样，掘进在时间上不能出现重叠，一直到完工为止。

4 结果与分析

4.1 无桩筏加固股道沉降分析

为消除边界条件影响，左线盾构一次性掘进7环至始发点x，坐标为-1.25 m，再次掘进5环后位于1号股道正下方，掘进7环后位于2号股道正下方，掘进9环后位于3号股道正下方，终点坐标为34.75 m。为验证模型，选取左侧股道对应监测点位置的左右轨道沉降值，与实际监测值作对比，结果如图4所示。

图4 不同掘进面距离下1号股道沉降模拟值与监测值对比

由图 4可知，股道最大沉降预警值为6 mm，模拟与监测值均未超过该值，且沿左右股道长度方向沉降值曲线走势与监测值吻合较好；随着盾构的掘进，模拟值与监测值吻合程度升高。因此，认为所建模型有效。1号股道沉降值随着盾构推进逐渐增大，最大沉降约4.6 mm，左右轨沉降差最大为0.33 mm，均小于红色预警值。

不同掘进面距离下2号股道左右轨沉降模拟值如图 5所示，横坐标为股道中心线距盾构掘进面距离，纵坐标为股道沉降值，灰色区域表示掘进面未到达股道，因此距离为负，2号股道沉降值随着盾构的推进逐渐增大，最终稳定在4.8 mm左右，左右轨沉降差值最大仅0.35 mm，两者均小于6 mm的红色预警值。

图5 不同掘进面距离下2号股道左右轨沉降模拟值

不同掘进面距离下3号股道左右轨沉降模拟值如图 6所示，3号股道沉降值随着盾构的推进逐渐增大，最终稳定在5.2 mm左右，左右轨沉降差值最大仅0.41 mm，两者均小于6 mm的红色预警值。最大沉降随着股道离盾构掘进面距离的增大而增大，排列顺序为3号＞2号＞1号，沉降出现累积增大趋势。因此，离初始挖开面距离越远的股道，越需要对其进行可靠的安全性评估，防范工程事故的发生。

图6 不同掘进面距离下3号股道左右轨沉降模拟值

综上分析可知，3号股道沉降值最大。基于此，探讨最危险的3号股道在不同掘进面距离下的左右股道长度方向沉降值。其对比曲线如图 7所示，横坐标为股道长度方向坐标值，纵坐标为股道沉降值。由图可知，无论是左股道或右股道，沉降最大值均出现在盾构刀盘正上方即对应股道长度方向x=0m处，约5.3mm。最大差异沉降随着掘进面的推进先增大后减小，最大值出现在距掘进面0 m左右位置，为0.46 mm，距掘进面12 m后沉降差趋于稳定；出现此现象的原因可能是盾构刀盘正上方对应土体扰动最大。当盾构越过股道后，由于衬砌铺装及同步注浆，土体沉降开始减弱，直至趋于稳定。

图7 不同掘进面距离下沿3号股道左右轨长度方向沉降模拟值

4.2 有桩筏加固股道沉降分析

为对比盾构隧道下穿火车股道情况下桩伐基础对股道的保护作用，本节分析在桩筏基础加固的情况下，沉降最大的3号股道在距掘进面不同距离时的沉降分布规律及差异沉降曲线。除增加桩筏基础保护外，其他条件均与无桩筏基础工况一致。

图 8为3号股道不同掘进面距离下监测点沉降分布，横坐标为股道距掘进面距离，纵坐标为股道沉降值。左右轨沉降值均随盾构掘进面的推进先增大后减小，最大沉降值不超过1.4 mm，左右轨最大沉降差为0.081 mm，出现在距掘进面约4.8 m处，该值远小于未加桩筏基础情况下的股道沉降值，最大沉降值约为未进行地基加固工况下的1/4左右。

图8 不同掘进面距离下3号股道左右轨沉降模拟值

图 9为3号股道在不同掘进面距离下左右股道长度方向的沉降值对比曲线；横坐标为股道长度方向坐标值，纵坐标为股道沉降值。由图可知，无论是左股道或右股道，沉降最大值均出现在盾构刀盘正上方即对应股道长度方向x=0 m处，约1.1 mm，且左右轨最大沉降差值也出现在此处，约为0.085 mm，远远小于未加固方案。沉降值随着掘进面的推进逐渐增大，沉降差随着掘进面的推进先增大后减小，距掘进面12 m后沉降差趋于稳定。

图9 不同掘进面距离下沿3号股道左右轨长度方向沉降模拟值

5 结论

根据天津地铁某区间下穿既有城际铁路地质资料，选取区间隧道断面，通过Plaxis 3D建立动态掘进模型，研究盾构隧道下穿既有城际铁路股道掘进对火车股道的影响，同时分析不同掘进面处、有无桩筏基础、股道与掘进面不同初始距离影响下股道及左右轨沉降规律，主要结论如下。

（1）股道沉降值随着盾构掘进面的临近逐渐增大，而后趋于稳定，同一股道左右轨沉降差值呈先增大后减小的趋势；无桩筏基础下最大沉降均值约5.2 mm，采用桩筏基础后减小为1.4 mm，无桩筏基础下最大沉降差均值约0.46 mm，采用桩筏基础后缩小至0.085 mm；

（2）无桩筏基础时，股道最大沉降随股道离掘进面初始距离的增大而增大，呈现累积效应；采用桩筏基础加固后，该值变化微小。由于股道最大沉降出现在隧道掘进面正上方，实际施工时应注意下穿隧道掘进面正上方对应区域股道沉降变化情况，做好相应监测工作。

（3）采用桩筏基础对火车股道下方土体进行加固可有效减小下穿隧道掘进引起的股道沉降，最大沉降点沉降值可减小约73%，差异沉降可减小约82%。因此，对于土质较差或周边环境复杂地区，为保证沉降在合理可控范围内，确保对周边环境影响最小，可考虑采用桩筏基础对地基进行加固，从而实现下穿隧道的顺利施工及上部股道的安全运营。