1. 引言
盾构下穿城市铁路沿线工程复杂性高，对既有铁路稳定性影响重大。在某城市地铁建设过程中，盾构掘进下穿城市既有铁路线，对铁路沿线安全带来影响。目前，工程人员就盾构下穿城市铁路有关安全性问题的研究，大多出于经验总结阶段[1] [2]。如何科学评估盾构下穿施工对周围环境的影响问题，尚处于研究和探索中，运用数学建模手段对施工影响进行量化评估的研究方法同样亟待完善。因此，本文针对盾构下穿铁路工程，运用理论化和精细化建模手段，科学评估盾构施工对周边既有建构筑物的影响，具有重要的工程意义。
现阶段，已有不少学者针对盾构下穿既有铁路沿线的安全性影响展开深入探讨。施成华等[3]以盾构下穿既有隧道引发的扰动变形多源异构数据库为基础，运用XGBoost、支持向量机及神经网络等机器学习算法，构建出可用于预测新建盾构下穿施工诱发上覆高铁隧道变形的通用模型。郭佰东[4]则以深圳至大亚湾城际铁路大运站工作井区间隧道工程为依托，针对超近距、长距离始发并下穿大运枢纽的技术难题，采用三维数值模拟分析方法，同时结合现场数据与监测成果，开展关键技术研究。研究表明，在块状强风化粉砂岩地层中，大运枢纽的位移变形主要集中于盾构下穿阶段，变形区域在新建隧道线路中心两侧呈现对称分布特征。梁程程等[5]聚焦深厚黏土地层中盾构下穿铁路施工场景，重点探究土层扰动对铁路路基产生的影响。通过运用有限元软件Midas构建施工模型，系统归纳并总结了地层与铁路结构的变形规律。结果表示，当深厚黏土地层中盾构下穿铁路时，若盾构支护压力比控制在0.6~0.8区间，开挖面土体的位移方向改变。陈炳炎[6]以宁波市轨道交通6号线1期工程中，盾构区间隧道穿越铁路桥桩的工程实例为研究对象，通过提前地面加固、精准控制掘进参数等措施，分析盾构施工对铁路桥桩沉降的影响。结果显示，采用分阶段穿越、地面加固及二次注浆等组合措施，能够有效控制施工安全风险。
上述研究表明，隧道盾构施工对其下穿既有铁路线路和工程结构带来的安全隐患需要引起高度重视。如何分析盾构施工对于周边环境的影响以及精细化建模，将是施工方案安全评估的重点。因此，本文将采用Midas有限元模型，运用数值模拟方法，对本次盾构隧道下穿既有铁路线工程进行全过程数值模拟及高精度计算分析，从而探究和讨论此类隧道下穿工程对于既有线路的影响，为盾构隧道高效与安全施工提供支持与参考。
2. 工程概况
本次施工中，拟建盾构隧道垂直下穿邻近既有铁路隧道和高架。隧道始发井基坑距离邻近高架水平净距为42.5 m，出入口通道距离铁路路基竖向距离为13 m。盾构隧道采用单层装配式衬砌，采用通用环，错缝拼接方式，管片拼装完成后进行同步注浆及二次注浆。既有铁路线路为国铁Ⅰ级，双线电气化铁路，有砟轨道。铁路允许速度为70 km/h。
3. 有限元模拟
3.1. 评估依据
按《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB10314-2021)给出铁路运营设备监测预警值、报警值和控制值如表1、表2所示。
Table 1. Track displacement deformation monitoring warning value, alarm value and control value (mm)
表1. 轨道位移变形监测预警值、报警值和控制值(mm)
监测项目 |
控制标准 |
累积量预警值 |
累积量报警值 |
控制值 |
高速铁路 |
轨道竖向位移 |
±1.2 |
±1.6 |
±2 |
轨道水平位移 |
±1.2 |
±1.6 |
±2 |
普速铁路 |
轨道竖向位移 |
+1.8 −4.8 |
+2.4 −6.4 |
+3 −8 |
轨道水平位移 |
±4.2 |
±5.6 |
±7 |
Table 2. Bridge displacement deformation monitoring warning value, alarm value and control value (mm)
表2. 桥梁位移变形监测预警值、报警值和控制值(mm)
监测项目 |
控制标准 |
累积量预警值 |
累积量报警值 |
控制值 |
高速铁路 |
桥墩监测(有砟轨道) |
竖向位移 |
±1.8 |
±2.4 |
±3 |
墩台顶部、底部、横线路水平位移 |
±1.8 |
±2.4 |
±3 |
墩台顶部、底部、顺线路水平位移 |
±1.8 |
±2.4 |
±3 |
3.2. 模型建立
采用岩土有限元软件Midas GTS建立模型进行计算分析。本次建模拟定盾构掘进方向为X轴，既有铁路方向为Y轴，竖直方向为Z轴，建立三维有限元模型。为消除模型边界效应，降低计算误差，模型侧边界和底部边界距盾构隧道边缘不应小于盾构3倍外径。故本次建模拟定X轴方向长度为150 m，Y方向170 m，Z方向40 m。
根据工程现场周边情况，模型划分为以下几个部分：1、桥板及其桥墩、承台等附属结构；2、铁路路基；3、始发井及市政通道围护结构等；4、新建盾构隧道管片等；5、钻孔隔离桩、冠梁与支撑、施工便梁等。
计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图1。
3.3. 计算假设和边界条件
有限元数值模拟基于一定的假设和模型简化进行的。假定如下：
1) 计算中忽略构造应力，将初始应力场假定为自重应力场。
(a) 三维整体模型 (b) 既有工程结构模型
Figure 1. Schematic diagram of finite element calculation model
图1. 有限元计算模型示意图
2) 假定各土层均匀水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内。
3) 假定隧道结构在计算域内沿直线水平延伸。
本模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面约束法向和水平方向；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。
3.4. 计算参数
为充分反映盾构掘进对既有铁路线的影响，计算中土体采用摩尔–库伦模型。本场区范围内主要为杂填土、含淤泥中细砂、粉质黏土、中粗砂、粗砾砂、中风化花岗岩、微风化花岗岩。
建模时土体采用摩尔–库仑屈服准则。模型计算所需参数的物理力学指标根据工程地质勘察报告进行取值，同时结合相关工程经验，最终将计算所需的物理力学参数汇总如表3。
Table 3. Summary table of physical and mechanical indicators
表3. 物理力学指标汇总表
岩土名称 |
重度 |
泊松比 |
弹性模量 |
粘聚力 |
内摩擦角 |
γ |
υ |
E0 |
c |
|
kN/m3 |
- |
GPa |
kPa |
° |
杂填土 |
17.5 |
|
|
|
|
含淤泥中细砂 |
18.5 |
0.30 |
0.03 |
8 |
8 |
粉质黏土 |
19.9 |
0.31 |
0.05 |
20 |
12.5 |
中粗砂 |
19.0 |
0.27 |
0.025 |
0 |
30 |
粗砾沙 |
18.5 |
0.26 |
0.032 |
0 |
30 |
中风化花岗岩 |
24.7 |
0.23 |
5 |
30 |
25 |
微风化花岗岩 |
25.3 |
0.25 |
22 |
35 |
30 |
衬砌管片 |
25 |
0.24 |
34.5 |
|
|
同时，根据铁路相关规范，拟定路基轨道和列车均布荷载如表4所示。
Table 4. The subgrade track and train of the general speed railway are loaded
表4. 普速铁路路基轨道和列车均布荷载
轨道形式 |
轨道、列车荷载 |
分布宽度b (m) |
轨道自重(kN/m2) |
列车荷载q (kN/m2) |
总荷载p + q (kN/m2) |
有砟轨道 |
3.5 |
16.79 |
51.02 |
67.81 |
3.5. 施工步骤模拟
根据盾构隧道施工工艺流程，通过MIDAS/GTS软件模拟开挖，在模型中，按照实际施工状态，模拟施工荷载以及土体自重，同时施加加固措施。其主要过程如下：
1) 初始地应力平衡：将模型内初始状态参与计算的各土层、及边界条件激活，在重力作用下达到平衡状态，并将其位移清零；
2) 既有结构模拟：激活铁路路基、高架桥结构；激活位于铁路路基及桥上的荷载；位移清零；
3) 激活加固措施，包括施工便梁、袖阀管注浆加固、钻孔隔离桩、地下连续墙等；
4) 基坑下挖，施做第一道至第四道支撑；
5) 盾构机刀盘推进至铁路路基边缘，激活上一阶段管片，注浆层及注浆加固区；
6) 盾构机刀盘推进至铁路路基中心，激活上一阶段管片，注浆层及注浆加固区；
7) 盾构机穿越铁路路基，激活上一阶段管片，注浆层及注浆加固区；
8) 盾构施工完成，激活上一阶段管片，注浆层及注浆加固区；
9) 激活上一阶段管片，注浆层及注浆加固区。
4. 模拟结果
本次计算针对铁路路基的竖向位移和水平位移进行数值模拟分析。
4.1. 沉降变形
始发井及市政通道基坑施工均会对既有铁路线产生影响，但主要影响为盾构下穿对施工的影响。故本文选取始发井及市政通道基坑开挖完成后的工况为初始状态，然后依次分析盾构掘进过程中的多个施工阶段。
计算结果显示各施工阶段下，整体沉降变形云图和沉降值汇总如图2、图3、表5所示。
图2所示结果表明，铁路路基竖向变形在盾构掘进至铁路路基边缘时增长较快，而后增长较平缓，并逐渐趋于平稳。表5结果表明，盾构竖向变形在盾构下穿正下方位置变形明显。盾构下穿施工引起的铁路路基沉降最大发生在牵出线处，最大沉降为−0.785 mm，路基最大沉降满足10 mm控制标准。
(a) 掘进至铁路路基边缘 (b) 掘进至铁路路基中心
(c) 盾构穿越铁路路基 (d) 盾构完成施工
Figure 2. Cloud map of subgrade settlement displacement distribution
图2. 各施工阶段路基沉降位移分布云图
(a) 铁路上行线 (b) 铁路下行线 (c) 牵出线
Figure 3. The final settlement result of the existing railway subgrade
图3. 既有铁路路基最终沉降结果
Table 5. Summary of the maximum settlement value of the roadbed
表5. 路基最大沉降值汇总
股道名称 |
最大正值/mm |
最大负值/mm |
铁路上行线 |
0.029 |
−0.758 |
铁路下行线 |
0.021 |
−0.777 |
牵出线 |
0.022 |
−0.785 |
4.2. 水平变形
1) 垂直铁路方向
各施工工况下垂直铁路方向水平变形云图和变形量汇总如图4、图5所示。
2) 沿铁路方向
各施工工况路基沿铁路方向整体水平变形云图和变形量汇总如图6、图7所示。路基表面最大水平变形汇总表如表6所示。
由图4、图6可知，垂直铁路方向水平位移在盾构下穿过程中变形平稳，而沿铁路方向水平位移随盾构开挖逐渐增大。由图5、图7可知，垂直铁路方向水平位移在盾构下穿正下方呈隆起状增大，而沿铁路方向水平位移在盾构下穿正下方呈折线状变化。垂直铁路方向，最大水平变形发生在牵出线处，值为0.198 mm；沿铁路方向，最大水平位移发生在胶济铁路上行线处，值为0.358 mm，均满足7 mm控制标准。
(a) 掘进至铁路路基边缘 (b) 掘进至铁路路基中心
(c) 盾构穿越铁路路基 (d) 盾构完成施工
Figure 4. Cloud map of horizontal displacement distribution in vertical railway direction
图4. 各施工阶段隧道管片垂直铁路水平位移分布云图
(a) 铁路上行线 (b) 铁路下行线 (c) 牵出线
Figure 5. The final horizontal deformation of the existing railway subgrade surface (vertical railway direction) result
图5. 既有铁路路基表面最终水平变形(垂直铁路方向)结果
(a) 掘进至铁路路基边缘 (b) 掘进至铁路路基中心
(c) 盾构穿越铁路路基 (d) 盾构完成施工
Figure 6. Cloud map of the horizontal displacement of tunnel segments along the railway
图6. 各施工阶段隧道管片沿铁路水平位移分布云图
(a) 铁路上行线 (b) 铁路下行线 (c) 牵出线
Figure 7. The final horizontal deformation of the existing railway subgrade surface (along the railway direction).
图7. 既有铁路路基表面最终水平变形(沿铁路方向)结果
Table 6. Summary of maximum horizontal deformation values of subgrade surface
表6. 路基表面最大水平变形值汇总
股道名称 |
垂直铁路方向(Wx) |
顺铁路方向(Wy) |
最大正值/mm |
最大负值/mm |
最大正值/mm |
最大负值/mm |
铁路上行线 |
0.138 |
−0.001 |
0.358 |
−0.349 |
铁路下行线 |
0.181 |
−0.002 |
0.351 |
−0.337 |
牵出线 |
0.198 |
−0.003 |
0.355 |
−0.339 |
5. 结论
本文依托某城市地铁建设中，盾构隧道下穿既有铁路沿线的工程项目，通过Midas有限元软件模拟盾构掘进过程，对工程结构进行全过程数值模拟分析，得到结论如下。
1) 经计算，盾构掘进过程中既有铁路路基沉降变形主要集中在盾构下穿处，整体变形量较小。路基最大沉降发生在既有铁路牵出线处，路基最大沉降满足10 mm控制标准。
2) 铁路路基表面水平方向整体变形量较小，且随施工行进，垂直和沿铁路方向上的变形均逐渐趋于稳定。垂直铁路方向最大水平变形发生在牵出线处，沿铁路方向的最大水平位移发生在既有铁路上行线处，均满足7 mm控制标准。
3) 本次建模根据工况对施工扰动和支护结构细部作适当简化，模型运算结果和实际工程存在一定偏差。在未来的研究工作中，需对建模过程进一步精细化，确保模型对盾构施工全过程的精准模拟。