高大 李雲龍 王剛

沈陽市市政工程設計研究院有限公司

摘 要：盾構隧道下穿有軌電車路基時，會對周圍土層造成擾動并造成路基沉降。路基沉降可能會給有軌電車運營安全帶來較大影響。為研究盾構隧道下穿有軌電車路基過程中路基的沉降變化規律，以沈陽地鐵4号線沈創區間為例，采用Midas-GTS-NX有限元軟件對盾構隧道下穿有軌電車路基施工過程進行三維數值模拟，研究結果表明：本工程最大沉降量約為1.4mm，小于有軌電車路基沉降控制值10mm，無需采取其他處理措施即可滿足變形控制要求；左右線盾構隧道同時開挖時，路基沉降量最大。在實際工程中，盾構隧道下穿重要構築物時應盡量避免同時施工；左右線盾構隧道前後錯開一定距離後施工可減少路基沉降，也可縮短工期。

關鍵詞：盾構隧道;有軌電車路基;有限元;路基沉降;

随着我國城市化進程的加快，地面交通已不能滿足城市交通運輸的需求，越來越多的城市開始發展地下軌道交通來緩解地面交通的壓力。軌道交通建設中，盾構施工因為具有環境影響小、施工安全、适應軟弱地質條件和施工進度快等優點，成為目前地下軌道交通施工的主流方法。但是在盾構施工過程中必然會對周圍土層造成擾動并造成路基沉降。盾構施工産生的地表沉降是引起鐵路路基及軌道變形的直接原因。在盾構下穿既有有軌電車路基時，盾構施工所造成的路基沉降可能會給有軌電車運營安全帶來較大影響[1,2,3,4]。因此，對于盾構下穿有軌電車路基影響分析就十分必要。

盾構掘進過程中引起的地表沉降與地層性質、渣土倉壓力、注漿量和注漿壓力、盾尾注漿時間、出土量及盾構推進速度等因素有關，十分複雜[4]。此外，盾構與鐵路的相對位置也是影響鐵路變形的重要因素[1]。

為研究盾構隧道下穿有軌電車路基過程中路基的沉降變化規律以及盾構隧道的開挖順序對有軌電車路基沉降的影響，本研究以沈陽地鐵4号線沈創盾構區間為例，采用Midas-GTS-NX有限元軟件對盾構隧道下穿有軌電車路基施工過程進行三維數值模拟，對盾構隧道下穿有軌電車3号線路基位移變化規律進行分析。

沈創區間盾構外徑為6m，内徑為5.4m；襯砌管片寬度為1.2m，厚度為0.3m。線間距為13m；區間隧道埋深為15.5m，區間隧道頂距離有軌電車路基底間距約為13.7m。有軌電車路基與盾構隧道的平面相對位置見圖1。

圖1 有軌電車路基與盾構隧道的相對位置 下載原圖

Midas GTS NX是一款通用岩土有限元分析軟件。在開發階段通過幾千種例題的計算，将其計算結果與理論值、及同其他程序的計算結果進行了比較、驗證，并在大量的工程項目上得到了運用。因此，使用Midas GTS NX軟件進行得到的結果是可信的。

本文采用Midas GTS NX進行三維數值模拟。土層本構模型為修正莫爾庫倫準則。管片、路基和土層均采用實體單元模拟，模型大小為（長×寬×高）165m×90m×30m，共26882個節點，45628個單元。模型的約束條件為：除地表為自由表面外，其他均為法向約束。

圖2 三維有限元模型 下載原圖

主要物理力學指标見表1、表2。

表1 土層物理力學參數 下載原圖

表2 結構物理力學參數 下載原圖

整個掘進過程可分為土體開挖、管片拼裝2個過程。對三維盾構掘進模型做适當簡化來模拟施工過程，主要施工步驟為：

(1）開挖右線區間1個管片寬度（1.2m）的土體，包括預先定義的隧道土體和管片層。

(2）激活（1）中鈍化土體相應位置的盾構管片。

(3）重複（1）和（2）直到右線貫通後，再施工左線隧道。

本工程右線盾構隧道首先施工，右線貫通後再施工左線盾構隧道，每條線分别有76個開挖步驟。左右線分别下穿有軌電車路基時路基的沉降曲線如圖3、圖4所示。由圖3可知，右線開挖時，路基沉降峰值出現在第40開挖步，沉降值約為1.0mm；由圖4可知，左線開挖時路基沉降峰值出現在第116開挖步，沉降值約為1.4mm。

圖3 右線盾構下穿路基沉降曲線 下載原圖

圖4 左線盾構下穿路基沉降曲線 下載原圖

圖5為盾構隧道開挖過程中，距兩隧道中心橫向不同距離有軌電車路基沉降曲線。從圖5中可以看到，路基沉降槽呈正态分布，沉降槽寬度約為50m，約為隧道中心線距離的3.3倍。有軌電車路基的沉降值峰值發生在兩個隧道中心的上方，偏向于隧道右線，即先開挖的隧道那一側，最大沉降量約為14mm，小于有軌電車路基沉降控制值10mm，無需采取其他處理措施即可滿足變形控制要求。

圖5 路基沉降曲線 下載原圖

為研究左右線盾構隧道開挖順序對路基沉降的影響，建立三種不同工況進行分析，工況介紹如表2所示。

表3 工況表 下載原圖

圖6為三種工況下左右線隧道開挖至有軌電車路基底部時的路基沉降曲線。從圖中可以看到三個工況中工況1路基沉降量最大，約為1.6mm，大于上述3.1節中的最大沉降量1.4mm。

圖6 路基沉降曲線 下載原圖

從圖6中可以看到工況3與3.1節中結果基本一緻，路基最大沉降量發生在第二條盾構隧道開挖至路基底部時刻，沉降值約為1.4mm。可見針對類似于本工程的盾構隧道與路基存在一定夾角的下穿工程，兩條盾構隧道先施工完任意一條對路基的最終沉降影響較小。

工況2-A中的路基沉降量大于工況3-A和3.1節中的相同工況，但是工況2、工況3與3.1節中路基最終沉降量基本一緻。因此，為減小盾構隧道開挖對路基沉降的影響，左右線隧道不建議同時施工。前後錯開一定距離後施工（工況2），可減少路基沉降，施工工期相對于3.1節和工況3也可減少。

以沈陽地鐵4号線沈創區間盾構隧道下穿有軌電車路基為研究對象，通過建立三維數值模型，研究了盾構下穿導緻的路基沉降規律。主要得出結論如下：

(1）本工程右線貫通後再施工左線盾構隧道，最大沉降量約為1.4mm，遠小于有軌電車路基沉降控制值10mm，無需采取其他處理措施即可滿足變形控制要求。

(2）左右線盾構隧道同時開挖時，路基沉降量最大。在實際工程中，盾構隧道下穿重要構築物時應盡量避免同時施工。

(3）左右線盾構隧道前後錯開一定距離後施工可減少路基沉降，同時與“左線隧道開挖完畢後，施工右線隧道”的工況相比，也可縮短工期。

[1] 王志超，甘露，賴金星，等．盾構下穿鐵路路基鋼軌變形及路基沉降分析[J]．深圳大學學報（理工版），2018(4):389-397.

[2] 蔡小培，蔡向輝，譚詩宇，等．盾構下穿施工對高速鐵路軌道結構的影響研究[J]．鐵道工程學報，2016(7):11-17.

[3] 魏綱．盾構施工中土體損失引起的地面沉降預測[J]．岩土力學，2007(11):2375-2379.

[4] 邊金，陶連金，郭軍．盾構隧道開挖引起的地表沉降規律[J]．地下空間與工程學報，2005(2):247-254.

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