地铁盾构区间对高铁隧道沉降影响研究

地铁盾构区间对高铁隧道沉降影响研究

1邵晓帆,2孙兆宏

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摘 要：地铁施工中，盾构区间下穿既有高速铁路的变形控制是决定工程成败的关键点，现以某城市地铁盾构区间下穿高铁隧道为例，采用同精度仿真模拟实验对盾构下穿高铁隧道进行模拟，研究表明，本工程的加固措施能够有效的控制高铁隧道的变形，保证高铁的运营安全。也为类似的工程类似工程提供借鉴。

关键词：盾构隧道；高铁隧道；仿真模拟实验；三维模拟

中图分类号：U452

0引言

轨道交通规划设计过程中不可避免会与铁路交叉，地铁区间施工过程中难免对周边的土地结构的稳定性产生影响，甚至破坏地层的结构。本文以盾构区间下穿高铁隧道为例，分析探讨了盾构区间对高速铁路隧道的安全影响，和加固措施对高铁隧道变形的影响。

1工程概况

某市5号线工程地铁盾构区间下穿高铁高铁隧道。区间为单洞单线隧道，采用盾构法施工，区间线路左、右线平行布置，结构顶部覆土厚度约11.4m～30.7m，线间距为12m～15m，线路最大纵坡为29‰。左、右线起终点里程为右（左）CK22+857.091～右CK24+093.823，区间全长1236.732m。

区间结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数：内径5500mm、外径6200mm，管片厚度350mm、环宽1.2m。衬砌环由3块标准管片+2块邻接管片+1块封顶块组成的5+1方式，采用标准环加左右转弯楔形环型式，错缝拼装。

区间穿越段铁路隧道正线里程范围为DK279+400～DK279+440，与铁路隧道的夹角约80度。该段区间左右线间距为12.0m，下穿段坡度为9.5‰。区间隧道顶部覆土约为29.7m，区间与高铁隧道结构底板竖向净距约为9m。

位置关系见图1、图2。

图1 区间隧道与高铁隧道相对位置关系平面图   图2 区间隧道与高铁隧道对位置关系剖面图

2 盾构造成地表沉降的原因分析和发生变形的机理

盾构掘进开挖的过程中，由于对既有土体的掘进和震动，改变了土体的原有应力值，使原有的土体单元产生了应力变化，从而引起了周围地层的变形位移。盾构掘进引起地基变形的原因有如下几点：

（1）目前土层常用的盾构机类型为土压平衡式盾构或泥水盾构，由于掘进过程中的土方量和排出的土方量不相等，开挖面水压力、土压力与压力舱压力不能够达到相同的数值，致使掘进面处于失衡的状态，导致地基产生变形位移。当掘进面的水压力和土压力的总值小于压力舱施加的压力时，地基就会产生下沉的变形；反之，当水压力和土压力的总值大于压力舱压力时，地基就会产生隆起变形。这是由于盾构机在掘进过程中，应力被释放、附加应力等，导致压力不平衡，从而引起的弹塑性变形（沉降或者隆起）。

（2）盾构掘进过程中时，由于盾构机的机身壳板与土层单元摩擦和对土体的扰动从而引起地基下沉或隆起。特别是对于曲线段和坡度变化较大的段落，推进时容易造成超挖，是产生土体扰动的主要原因。

（3）由于盾构机的尾部存在间隙，导致土体受朝着盾构机间隙填充，从而产生变形，造成地基下沉。这是由于土体的应力被释放，从而引起的弹塑性变形。原始土层下沉量大小受盾构机二次注浆加固的材质、注入时间、注浆的压力和注浆效果等影响。另外，若盾构机的注浆压力过大的话，也会造成土体临隆起变形。

（4）盾构的接头螺栓容易紧固不足，造成管片环产生变形，是盾构机盾尾间隙的进一步增大，盾构机盾尾脱出后导致外压不均等，造成结构的变形，进一步加大了土体的沉降。

（5）若盾构机掘进过程中出现涌水或管片产生漏水时，会导致地下水位快速下降造成土体的沉降，这种情况是由于盾构掘进的有效应力增加而引起的固结沉降产生的。

3盾构区间下穿的数值模拟

2.1计算假定

（1）由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设:

（2）围岩材料为均质、各向同性的连续介质。

（3）隧道的受力和变形按平面应变问题进行计算。

（4）在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响。

（5）管片按均质弹性圆环模拟。

2.2计算模型

本工程采用有限差分程序Flac-3D进行数值模拟，考虑到上部高铁隧道以及双线盾构区间的位置关系，故设置模型尺寸的大小如下：

单线模型整体尺寸为：长（y向）*宽（x向）*高（z向）=96m*42m*49.8m。

计算模型单元总数为167304个，总节点数为180836个，如图4.1.1所示；双线模型的整体尺寸为：长（y向）*宽（x向）*高（z向）=96m*59m*49.8m，如图4.1.2所示，计算模型单元总数为27756个单元数，总节点数为294097个。计算中，用8节点六面体实体单元进行模拟土层、注浆层、管片、以及高铁隧道结构。

图3单线数值模型                图4双线数值模型

2.3模拟工况及结论

在本模型中，左、右纵向长150m，分别将将左、右线土体分为50段，每段纵向长度为3m，即在数值模拟考虑盾构管片距离高铁隧道结构底部的不同的距离时对隧道结构的影响，设置四种工况，分别是3m、6m、9m、12m，着重分析地表和隧道底部的沉降变化，以及结构的变形。得到了以下结论：

（1）单线隧道下穿高铁隧道施工时，隧道开挖将会产生地表沉降，由于高铁隧道刚度较大，施工引起的高铁隧道上方位置的地表沉降值均较小。随着盾构区间距离高铁隧道底部距离的逐渐增大，高铁隧道上方地表沉降和高铁隧道底部沉降值均逐渐减小，当盾构区间距离高铁隧道底部距离为9m时，盾构施工不需要切断高铁隧道两侧的围护桩，施工引起的高铁隧道下沉最大值为0.41mm，地表沉降最大值为1.36mm，沉降值较小。因此，施工时盾构区间与高铁隧道的距离可设置为9m。

（2）双线隧道下穿高铁隧道施工时，地表沉降值均较小，当盾构管片与高铁隧道距离由3m增大至12m时，高铁隧道正上方地表沉降先增大后减小，最大值均不超过1.4mm；高铁隧道底部地层沉降较小，当盾构管片距离高铁隧道底部为9m时，高铁隧道底部地层沉降最大为1.35mm。当盾构管片与高铁隧道距离由3m增大至12m时，管片的应力差值占比均较小，地铁左右线盾构施工时不产生相互影响。

2.4仿真模拟实验及结论

（1）实验目的及相似理论

盾构下穿高铁隧道，施工将会对高铁隧道产生影响，本试验主要分析盾构施工对高铁隧道竖向位移的影响。本试验综合考虑现场工程实际尺寸、模型类型和材料、制作条件、量测设备等因素，确定本试验的几何相似比为1:5，土体重度相似比为1。

（2）实验平台的构建

为更好地模拟盾构的掘进过程，尽量减小人为操作的影响，本次试验专门开发了一种模拟盾构开挖的半自动装置Φ1.2m土压平衡盾构机，Φ1.2m土压平衡盾构机由刀盘、前盾、中盾、后盾、螺旋输送机、驱动系统、推进系统、拼装系统、出渣系统、管片输送、液压系统及控制系统等组成。

（3）相似材料选取及模型制作

区间穿越地层主要为新黄土、细砂、粉土和粉质黏土层，黏土土体重度约为19kN/m3，黄土及粉质黏土的粘聚力约为12kPa~25kPa，摩擦角约为16°~24°，压缩模量约为9MPa含水率约为15%~21.4%；细砂的粘聚力约为0kPa，摩擦角约为25°~28°，压缩模量约为10MPa；中粗砂的粘聚力约为0kPa，摩擦角约为30°，压缩模量约为18MPa。5号线地层中包含有卵石土，其粘聚力约为0KPa，摩擦角约为35°~37°，压缩模量约为25MPa。根据相似关系换算后的模型试验黄土及粉质黏土体参数目标值：土体重度约为19kN/m3，土体的粘聚力约为2.4kPa~5kPa，摩擦角为16°~24°，含水率约为15%~21.4%，压缩模量约为2MPa。

根据试验结果，在1环刀内装112g配制土，15g重晶石粉是压缩模量合适的配比选择，即15g重晶石粉时，压缩模量在2MPa附近波动，波动是由于试验操作和仪器误差，包括喷水不均匀等条件的限制。随滑石粉配比增加，粘聚力减小。15g滑石粉是粘聚力合适配比选择，既保证粘聚力在2.4kPa~5kPa,同时保证了使用材料的经济性。为保证含水率合理，加入少量水。最终选取合适配比方案是：土：重晶石粉：滑石粉：水=75：15：15：7。

盾构下穿高铁隧道为钢筋混凝土结构，混凝土标号为C30，钢筋采用φ28的HRB400钢筋。C30钢筋混凝土的弹性模量为31.5GPa，根据相似关系需要配置的相似材料的弹性模量为6.3GPa。通过查阅资料可知，C20混凝土的弹模为28GPa，设计强度为10 MPa，若采用低标号的混凝土直接折减并配置出弹性模量为6.3GPa的材料，则相似材料混合料的强度将大大低于10 MPa。为了配制高强度、低弹模相似材料混合料，采用以下几种措施：首先，采用低标号的水泥（325R 水泥）、低弹模骨料，使得混合料的整体弹性模量维持在较低水平；其次，采用高水灰比（0.6）、高砂率（60%），进一步降低混合料的弹性模量；第三，仅采用上述两种方法，还无法使混凝土的弹性模量降低至试验要求范围，还需掺入橡胶粉，从而大大降低混合料的弹性模量；最后，随橡胶粉的掺入，弹性模量降低，混合料强度也将随之降低，若不采取其他措施，将无法满足强度要求。因而，在混合料中加入聚丙烯纤维，以提高相似材料混凝土的后期强度。

（4）试验流程

1）模型土样制备与吊装

试验开始之前进行模型土的与砂卵石的配置，采用挖掘机将开挖土、重晶石粉、滑石粉和水进行模型土配制，比例为土：重晶石粉：滑石粉：水=75：15：15：7；砂卵石的比例为55；45。分层装填至模型槽中并夯实，每层装填高度不超过10cm。以隧道底部为原点，0-2.4m范围内填筑砂卵石，2.4m-4.1m范围内填筑细砂，4.1m-7.1m范围内填筑模型土，土层填筑至3m时，将隧道模型吊装进模型基坑内。

2）监测点的预埋与布设

拱顶上方30cm处开始埋设第一个测点，依次在距拱顶60cm、90cm、120cm、180cm以及地表处，并将各测点进行编号，将测线从土体上方引出并编号，将测线的另一端连接至应变监测仪的端口。

3）吊装高铁隧道模型并布设位移测点

待土层填筑至3m时，采用洛阳铲在土层中进行打眼，打眼的尺寸有两种，分别为直径五公分与十公分，之后将三连拱模型吊入基坑内，三连拱底板预先钻好的孔与土层的孔对准，最后将测管放入其中，测线与位移计相连，开始测量。始发端与接收端的测点在土层填至距隧道底部6.5m时进行打眼，随后将测管放入孔中。

4）调试盾构设备及应变仪

将盾构机吊装至模型槽始发位置，盾构机与反力架之间放置1m长的黑色管片，进行力的传递；将油泵，控制台，动力柜，程序柜进行连接，测试盾构机的刀盘系统、螺旋机系统以及掘进系统是否正常；检查渣土改良的注浆系统、管片背后注浆系统的通畅性；调试应变采集系统，并将数据初始化，检查各测点通道的通畅性，记录测点编号与应变仪通道号，将二者一一对应。

5）盾构掘进施工及数据采集

在盾构机的始发阶段时，盾壳会在反力矩的的作用下发生旋转，因此在盾壳与反力架之间焊接限位器，防止盾壳旋转。掘进的同时采用应变采集仪采集盾构施工过程中，地层及结构的竖向位移，掘进施工时观察挖掘出来的渣土，并根据需要采用膨润土对渣土进行改良。掘进的同时，采用人工进行管片拼装，对隧道进行支护，管片拼装完成后，对管片后方进行注浆加固，防止地层沉降过大。

6）渣土改良

试验盾构机的螺旋出土机是有轴式，具有很好的防涌水及出土能力，内径180mm。盾构机开挖的地层为砂卵石层，经过试验，不进行渣土改良螺旋机出土极不顺畅，需要对其进行渣土改良，改善其流动性。

采用膨润土泥浆对砂卵石进行渣土改良，改善其流动性和可塑性。采用的膨润土泥浆配比为1：12，配置完成后静置24小时，熟化后即可进行渣土改良。为探究膨润土泥浆与渣土的比例，进行塌落度试验。

7）管片背后注浆

盾构机的刀盘与管片之间存在直径差，因此在管片脱出盾尾后，管片与土层会存在空隙，需要及时注浆，减少地层损失造成的沉降。前期采用的是水泥砂浆进行管片背后注浆，配比为水泥：砂：水=200kg：680kg：536kg，沉降控制效果良好，但是存在堵塞注浆管的现象，因此后期采用纯水泥浆进行管片背后注浆，沉降控制效果良好，且堵塞注浆管的现象大大减少，配比为水：水泥=2：1。

（5）结论

（1）随着拱顶距桩底距离的增加，各监测断面最大沉降量减小。距结构底1.8m和1.2m，土仓压力设置为全土柱静止土压力时，地表最大沉降值由0.26mm增加到0.33mm，增加26.9%；高铁隧道底地层最大沉降值由0.18mm增加到0.23mm，增加27.8%。

（2）距高铁隧道结构底距离均为1.8m，土仓压力分别采用全土柱静止土压力和结构下方土柱静止土压力时，高铁隧道底地层最大沉降值由0.18mm增加到0.48mm，增加111.1%。因此，在施工过程中建议采用全土柱静止土压力作为土仓压力控制值。

（3）盾尾脱出是引起沉降的主要因素，对于盾尾脱出引起的沉降，背后注浆大约在继续开挖3m浆液凝固后沉降稳定，建议实际工程中采用早凝注浆填充材料，以控制沉降变形。

（4）三种工况下结构沉降分别为0.115mm、0.245mm和0.142mm，小于对应工况高铁隧道底地层沉降值，沉降差值分别为0.065mm、0.235mm和0.088mm。

5结论

综上所述，地铁盾构区间隧道下穿高铁隧道施工过程中对是满足铁路安全运营的要求。

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邵晓帆（1991—），男，本科生

孙兆宏（1991—），男，研究生