地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析

地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析

第30卷增刊2 岩 土 力 学 Vol.30 Supp.2 2009年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2009

文章编号：1000－7598 (2009) 增刊2－0269－05

地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析

徐干成1，李成学1，王后裕1，赵 月2，胡 萍1

(1.空军工程设计研究局，北京 100068；2.铁道部第三勘查设计院集团有限公司，天津 300251)

摘 要：以北京地铁14号线马家堡东路站–永定门外大街站盾构区间隧道为背景，对隧道施工中的特级风险源——区间下穿京津城际铁路段的施工过程进行了三维仿真数值模拟。京津城际列车最大时速可达350 km/h，两轨面间的差异沉降不得大于5 mm，对地铁下穿段的施工提出了较高要求。数值模拟的计算结果表明，通过对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固可以有效控制盾构隧道施工引起的既有铁路纵向和横向沉降及不均匀沉降，从而保证既有铁路安全运营不受影响；同时，计算获得的管片后注浆参数及盾构机内土舱压力为隧道设计、施工提供了重要的参考依据。 关 键 词：盾构隧道；下穿铁路；沉降控制；注浆加固 中图分类号：U 45 文献标识码：A

XU Gan-cheng1, LI Cheng-xue1, WANG Hou-yu, ZHAO Yue2, HU Ping1

(1.The Air Force Engineering Design & Research Institute, Beijing 100068, China; 2.The Third Survey & Design Group Co. Ltd., Ministry of Railway, Tianjin 300251, China)

Analysis of influence of metro shield tunneling

crossing underneath high speed railway

Abstract: A numerical simulation is carried out to study the settlement of ground caused by the construction of a shield tunnel. As a high speed railway is just above the tunnel and the differential settlement of the steel rails is limited in 5 mm; it requires high quality of the tunnel construction. The simulation results indicate that the grouting reinforcement to the stratum between the railway and the tunnel is an effective way to control the settlement of ground; and the values of several parameters gained in the calculation can serve for reference in the construction.

Key words: shield tunnel; cross below the railway; settlement control; grouting reinforcement

1 引 言

北京地铁14号线西起丰台河西长辛店大灰厂东路，穿越永定河后沿京石高速向东北，下穿京石高速后向东，经菜户营桥进入北京南站后继续向东延伸至西大望路，折向北至朝阳公园后，向东北穿过四环路进入酒仙桥地区，最后转至来广营地区。

马家堡东路站-永定门外大街站区间作为整个14号线工程的首开段，将以小半径线路曲线下穿京津城际铁路。京津城际铁路是连接北京与天津的全国第1条城际间高速铁路，列车最高时速达350 km。盾构左右线两次近距离下穿城际铁路，并要确保城际铁路安然无恙，属于特级风险源。

盾构穿越施工是一项存在多项不确定因素共同作用的综合工程，隧道下穿铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，不仅加大了轮轨间的冲击力，加速轨道架构和基床的破坏，对铁路运营安全也产生严重影响。为了保证既有铁路的安全运营，目前采取的措施主要有两个，一方面对地基土进行加同处理，包括注浆加固等[1]，另一方面是严格控制盾构推进时的施工参数[2–3]，减少施工对地 层的扰动。本文以北京市轨道交通14号线工程马 家堡东路站–永定门外大街站区间为背景，采用数 值模拟的方法就盾构隧道下穿越既有铁路时，注浆加固对控制地表变形的作用进行分析，可为将来类似工程的设计、施工提供参考。

收稿日期：2009-08-18

第一作者简介：徐干成，男，1958年生，教授，博士生导师，主要从事地下工程的设计和研究。E-mail: xugancheng_xgc@

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2 工程概况

该盾构区间自马家堡东路站向东，穿越中海紫御小区沿规划松林南街向东，于小区东侧向南穿越京津城际铁路，于路南与永定门外大街站对接。线路平面有两处曲线（350 m和300 m），轨面埋深范围为19.8～19.0～21.7 m。结合永定门外大街站西端设置盾构始发井，结合马家堡东路站东端设置盾构接收井。

在地铁里程K20+420～K20+445处，区间以 56°角斜向下穿京津城际铁路，下穿段地铁线路为小半径曲线（300 m），且距离盾构始发井仅46 m。区间线路与城际铁路的平面位置如图1所示。

关地层的施工经验，盾构施工的沉降槽宽度约为15～20 m，因此在隧道结构外两侧取3倍洞径宽18 m。该段地铁轨面标高约为19.9 m，区间结构底板埋深约23.5 m，隧道正上方的城际铁路路基距模型纵向边缘22 m。建立的FLAC3D数值模型如图2所示。

图2 数值模型

Fig.2 Numerical model

土体本构模型选用FLAC3D内置的摩尔-库仑模型，根据地质勘测报告，数值模型中的地层划分及土体力学参数取值见表1（据《北京地铁M14号线

工程02合同段岩土工程勘察报告（初步勘察报告）》）。

表1 土层力学指标

Table 1 Mechanical indices of ground

土层 粉质黏土素填土

黏聚力摩擦角厚度重度 弹性模量

泊松比 3

/ MPa / kPa/(°) /m/(kN/m)

2 18.9 5 0.3 6 10

图1 数值模型

Fig.1 Numerical model

3 水文地质条件

本区间段位于永定河冲洪积扇下部，地貌类型以第四纪冲洪积平原地貌为主，第四纪沉积韵律较为明显。地层由黏性土、粉土、砂类土、碎石类土交互沉积而成，碎石土厚度自西向东逐渐变薄，基岩埋深大于50 m。

本区间勘察范围内，主要为上层滞水、潜水和承压水。上层滞水分布不均匀、水位不连续、高低变化很大的特点，含水层主要为人工填土层和浅部粉土、砂土层。潜水以侧向径流补给为主，并接受大气降水、上层滞水的垂直渗透补给，以侧向径流及向下越流补给承压水的方式排泄。承压水含水层主要为砂类土、圆砾、卵石地层，其中夹有若干层黏性土隔水层。

粉质黏土 6 19.7 7 0.3 30 15 粉细砂 9 19.9 25 0.25 0 30 粉质黏土 3.2粉土 4.5卵石 15.5

19.7 7 0.3 30 15 19.8 20 0.3 8 25 22.0 45 0.2 0 40

4.2 盾构模拟

为了真实模拟盾构隧道的施工过程，特别建立了3层厚度不同的环形实体单元，分别用来模拟盾构管片、管片后注浆层以及由于超挖造成的空隙 层，如图3所示，图中管片厚300 mm，注浆层厚150 mm，空隙层在注浆层顶部、底部的厚20 mm，以模拟刀盘外径大于盾构外径造成的超挖，而在注浆层左右两侧的厚度比上、下的厚度多出30 mm，取为50 mm，以模拟由于隧道曲线造成的超挖。

为了模拟盾构机在隧道内的推进，借用开挖面与盾尾之间的注浆层单元来模拟盾构机的盾壳。

4 数值模型的建立

4.1 模拟范围及计算参数

模拟区域沿地铁线路方向取60 m长，深度取区间结构下20 m深。根据北京地区及国内盾构相

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注浆材料的硬化过程滞后3个管环。

隧道空间盾构管片注浆层 空隙层

盾构管片、注浆层、空隙层均用弹性材料来模拟，计算参数取为

表2 模型计算参数

Table 2 Calculation parameters

材料 管片

弹性模量/MPa

34 500

泊松比 0.25

图3 盾构模拟分层

Fig.3 Different layers for simulating the shield

凝固后注浆层

空隙层

150 0.25 0.006 7

0.3

5 盾构隧道施工过程模拟

5.1 盾构隧道施工模拟方法

在模型的侧面及底面施加法向方向的约束，令模型在自重及列车荷载（按静载考虑，取值30 kPa）作用下平衡并生成初始应力场；清除节点位移后，进行盾构施工过程的模拟。

首先，模拟盾构机的进洞过程。为了适应单元网格在隧道纵向方向的长度设置，盾构机长取为 8.4 m，模拟过程中盾构机每1步推进1个管片环宽的长度（1.2 m）。具体实现方法为

①开挖一个管片宽长度的隧道土体，包括预先定义的隧道土体、管片环、注浆层、空隙层。

②给空隙层单元赋以远小于周围土体的力学参数，以模拟超挖造成的盾构机四周的空隙。

③给注浆层单元赋以盾壳的力学参数，以模拟盾构机本身对四壁土体的支撑作用。

④给开挖面施加土舱压力，以保持开挖面的稳定平衡。

⑤运行solve命令进行计算。

依此过程，实施盾构机的下一步推进，直到整个盾体全部进入隧道。

当盾构机全部进入土体后，每一步的开挖计算除了继续进行上述盾壳的模拟外，还要在盾构机尾部实施管片安装以及管片背后注浆的模拟。为了体现注浆材料的硬化过程，给注浆层设置2种属性：（1）凝固前的低刚度注浆材料，弹性模量等于注浆压力；（2）凝固后的注浆材料。这一阶段施工的具体模拟方法为：①将新开挖的一段注浆层设为盾壳；②将盾壳最后一段单元的材料属性改为凝固前的注浆材料的属性，同时，将紧贴这一段注浆层内部的薄层单元设为盾构管片；③继续步骤①、②，直到设置了3个管环宽度的凝固前注浆材料，将第一环的低刚度注浆材料设为凝固后的注浆材料，即假定

5.2 施工过程模拟及计算结果

京津城际列车最大时速可达350 km/h，两轨面间的差异沉降不得大于5 mm，属于特级风险源，对地铁下穿段的施工提出了较高要求。拟对下穿段地层进行注浆加固，以保证地铁施工对城际列车的正常运营不造成影响。

地层加固区：宽度在区间隧道结构外两侧取1倍洞径范围，深度为隧道结构底板至结构顶板上方12 m的范围内。加固地层的土体的弹性模量取为150 MPa。

左线隧道施工后，地层沉降云图如图4所示。图中可见，隧道拱顶的沉降值为14.29 mm，最大地表沉降值为5.01 mm，位于隧道正上方。

-1.429×10-2to -1.250 0×10-2-1.250×10-2 to -1.000 0×10-2 -1.000×10-2 to -7.500 0×10-3 -7.500×10-3 to -5.000 0×10-3 -5.000×10-3 to -2.500 0×10-3 -2.500×10-3 to 0.000 0×10 0.000×10 to 2.500 0×10-3 2.500×10-3 to 5.000 0×10-3 7.500×10-3 to 1.000 0×10-2 1.000×10-2 to 1.250 0×10-2 1.250×10-2 to 1.500 0×10-2 -1.5000×10-2 to 1.647 4×10

-2

图4 左线贯通后地层沉降云图（单位：mm）

Fig.4 Nephogram of settlement after the left line

is cut through(unit: mm)

双线隧道施工后，地层沉降云图如图5所示。计算结果表明，左线隧道拱顶沉降值为17.18 mm，右线隧道拱顶沉降值为16.73 mm。地表最大沉降发生在2条隧道的对称面位置，达到8.57 mm。隧道正上方的铁路路基因隧道施工产生的沉降基本为均匀沉降，左线隧道正上方路基中点（称之为点A）随开挖面推进产生的沉降曲线如图6所示。曲线表明，左线隧道施工时，A点的沉降值随着开挖面的临近加速增大，而当开挖面从该点下方穿过继续向前推进时，沉降值趋于稳定；右线隧道施工时，A

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点仍产生了一定的附加沉降，因右线隧道施工产生的沉降值是其总沉降量的34 %。

双线地铁施工完毕后，铁路路基的沉降槽曲线如图7所示。最大沉降发生在两条隧道的对称面位置，达到8.57 mm；左线隧道上方铁路路基的沉降为8.03 mm，右线隧道上方铁路路基的沉降为7.86 mm。

-1.7182×10-2 to -1.500 0×10-2 -1.5000×10-2 to -1.2500 0×10-2 -1.2500×10-2 to -1.000 0×10-2 -1.0000×10-2 to -7.500 0×10-3 -7.5000×10-3 to -5.000 0×10-3 -5.0000×10-3 to -2.500 0×10-3 -2.5000×10-3 to 0.000 0×10 0.0000×10 to 2.500 0×10-3 2.5000×10-3 to 5.000 0×10-3 5.0000×10-3 to 7.500 0×10-3 7.5000×10-3 to 1.000 0×10-2 1.0000×10-2 to 1.250 0×10-2 1.2500×10-2 to 1.500 0×10-2 1.5000×10-2 to 1.551 2×10-2

加固措施对控制沉降的效果是非常明显的。

-1.006×10-1 to -1.000 0×10-1-1.000×10-1 to -7.500 0×10-2 -7.500×10-2 to -5.000 0×10-2 -5.000×10-2 to -2.500 0×10-2 -2.500×10-2 to 0.000 0×10 0.000×10 to 2.500 0×10-2 2.500×10-2 to 5.000 0×10-2 5.000×10-2 to 7.500 0×10-2 7.500×10-2 to 1.000 0×10-1 1.000×10-1 to 1.008 3×10-1

图8 双线贯通后地层沉降云图（单位：mm） Fig.8 Nephogram of settlements after two lines are cut

through(unit: mm)

图5 双线贯通后地层沉降云图（单位：mm）

Fig.5 Nephogram of settlement after the right line is cut

through(unit: mm)

图9 沉降槽曲线 Fig.9 Settlement trough curve

6 结论及建议

（1）盾构法施工引起的地层变形具有明显的三维特征，沿隧道轴线方向不同位置的地层的竖向和水平位移变化很大。

（2）由于线路曲线造成的隧道超挖将引起明

图6 A点沉降曲线

Fig.6 Settlement curves of point A

显的地表沉降以及隧道周围土体的水平位移。

（3）在其它影响因素不变时，土舱压力与地层的原始应力接近时，地表沉降值最小；土舱压力小于地层的原始应力时，会导致开挖面前方的地表下沉；土舱压力大于地层的原始应力时，会导致开挖面前方的地表隆起；土舱压力大于或小于地层的原始应力都会导致隧道开挖面后面的地表沉降。

（4）地表沉降值与注浆压力成反比，注浆压力越大，地表沉降越小。

图7 沉降槽曲线 Fig.7 Settlement trough curves

针对上述问题，在进行盾构隧道施工时，建议采取如下措施：①对隧道上方土体进行注浆加固是控制地表沉降的有效方法，为了保证城际铁路的正常运营，应对施工影响区域内的地层提前进行注浆加固。注浆参数的选取应结合现场试验，满足注浆加固后土体的弹性模量不低于150 MPa的条件。②在施工过程中土舱压力应该设置为地层的侧压力大小，这样既不影响掘进速度又能减少地表沉降量；

下转第276页

随后，取原地层参数对隧道施工过程进行了相似的数值模拟（不对地层进行加固）。双线隧道施工后的地层位移云图及城际铁路路基的沉降曲线分别如图8、9所示。

盾构施工后，左线隧道上方铁路路基的沉降为4.69 cm，右线隧道上方铁路路基的沉降为4.59 cm。与上一节加固条件下的计算结果相比较可以发现，

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的变形，并保证支护结构的安全的前提下尽量减少成本，现场及时对设计参数进行调整，在拱顶和拱腰处适当加长锚杆，由原来的3 m加长到4 m，其它部位锚杆长度不变。加强初期支护钢拱架拱脚部位的固定，确保钢拱架拱脚安放在稳固的基础上，并在拱脚两侧设锁脚锚杆加以固定，尽早施做仰 拱，使初期支护及时封闭形成承载环。

参 考 文 献

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分析[J]. 地下空间与工程学报，2007，3(3)：475－478.

6 结 论

通过选测项目对定西黄土隧道的长期监测，从锚杆轴力计、单点位移计和土压力盒所测得的数据并结合隧道常规监测及其他断面所得数据分析可以得到以下结论：

（1）隧道在地质条件不良的黄土地段施工时，应尽早施做仰拱，使支护结构尽早形成承载环。

（2）黄土隧道位移稳定较快，一般在仰拱施工完成后基本达到稳定状态，但是内力的稳定需要较长的时间，基本要在2次衬砌施工完成后逐步趋于稳定。

（3）在仰拱施做前应加强观测，因为围岩内力与位移在这段时间变化较大，增加观测次数，有利于掌握围岩的早期变化规律，为后期的施工和设计提供必要的参考。

上接第272页

同时，在盾构推进过程中应该把控制注浆压力作为一个主要的施工控制参数，避免地表产生过大沉降或隆起。③加强监测，控制盾构推进速度，如发生较大的变形，应及时反馈设计、施工单位以调整施工参数。

参 考 文 献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w8p1.html