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摘要：昆明市轨道交通4号线菊华站～昆明东站区间盾构施工，需下穿沪昆铁路，在下穿施工过程中为保证运营安全，是否需要铁路运营线停运，成为铁路及施工单位重点考虑的问题，本文基于土体摩尔-库伦屈服准则，采用Midas/GTS有限元软件建立三维有限元模型，模拟了盾构下穿既有运营铁路施工过程，研究了盾构下穿既有运营铁路施工过程中线路的变形情况，分析了盾构下穿既有运营铁路线施工对其线路的稳定性影响，并依据数值模拟结果制定了既有线正常运营的下穿施工方案。为减小运营风险，施工中采取了多项措施，以接近数值模拟的理想边界条件，并利用沉降监测结果优化施工控制措施，结果表明：在既有线不中断运营的条件下盾构下穿施工，其三维有限元数值模拟结论与现场实测结果对比，两者整体上吻合较好，取得了较好的社会及经济效益。
关键词：盾构施工；既有铁路运营线；三维有限元
引言
随着我国主要城市轨道交通的大力建设，地铁隧道之间以及与公路、铁路的交叉穿越施工将会越来越多，在交叉穿越工程中，新建盾构隧道近距离下穿施工将对上覆既有建（构）筑物产生较大影响。因此，研究穿越工程中下穿盾构、既有建（构）筑物及地层的相互影响机理具有重要的现实意义[1]。当前，随着昆明城市建设的不断推进，昆明城市交通也由平面线状向立体网状发展，出现了不少地铁隧道下穿既有地铁、公路、铁路等情况。这无疑会使既有建（构）筑物的稳定性及行车安全受到影响，同样也会加大区间盾构的施工难度。本文针对昆明市轨道交通4号线菊华站～昆明东站区间盾构下穿沪昆铁路施工，就如何评价铁路路基的安全性，如何控制区间盾构近接施工工艺参数等关键技术问题给出了类似工程的参考，对开展区间盾构施工对既有建（构）筑物及其行车安全稳定性的研究有较强理论及实际意义。
目前，国内外已有较多关于盾构下穿对其周边既有结构物影响的研究。Zanten&Vries[2]依托荷兰某实际隧道穿越工程，应用三维有限元法分析了由于隧道穿越工程施工而导致的地表沉降因素；丁祖德等[3]依据穿越某框架结构建筑施工的地铁隧道，根据隧道—土体—结构相互作用原理，采用有限元软件 Midas/GTS 建立地铁隧道穿越施工对隧道上方既有地表建（构）筑物影响的三维有限元模型，分析了地铁隧道与地表建（构）筑物间的空间距离一定，而隧道洞轴线与建（构）筑物的夹角不同时，地表建（构）筑物基础和结构受隧道开挖所引起的附加应力和变形。
本文结合昆明市轨道交通 4 号线菊华站～昆明东站区间盾构下穿既有运营铁路工程展开研究，对菊华站～昆明东站区间盾构下穿沪昆铁路在施工过程中对线路的影响进行深入的分析，为盾构下穿铁路施工的同时确保既有线安全运营提供参考和借鉴。
图1.1 昆明轨道交通 4 号线线路走向图
1 工程概况
1.1 昆明轨道交通 4 号线概况
昆明轨道交通4号线为连接主城区与呈贡新区的重要轴线，线路起于昆明主城区西北部陈家营站，止于呈贡新城昆明火车南站，途径五华、高新、盘龙、官渡、经开、呈贡6个行政区；线路全长43.396km，共设29座地下车站（新建车站28座）、2座停车场、1座车辆段。
1.2 菊华站～昆明东站区间设计概况
菊华站～昆明东站区间线路自菊华站大里程端出站后沿昆河铁路向西南敷设，而后向南偏离昆河铁路方向，待穿沪昆铁路路基段后，线路再次沿昆河铁路向西南延伸，经黑土上凹村、彩云北路、凉亭小区、昆明市第二汽车综合性能检测站、云南省全都安三轮摩托专业批发市场后，进入昆明东站小里程端。区间右线隧道全长 1426.287m，左线隧道全长1424.508m。区间左右线各有 5 个平曲线，最小半径均为500m；区间纵坡均为双向坡，下坡段纵坡均为2‰，上坡段最大坡度均为28‰；区间共设两处联络通道。线路大部分位于昆河铁路下方，沿途依次穿越黑土下凹村民房（侧穿）、沪昆铁路凉亭 1#、 2#号铁路桥（侧穿）、沪昆铁路路基段（正穿）、黑土下凹村民房（正/侧穿）、昆明石化工贸公司（正穿）、石化加油站（正穿）、凉亭小区民房（正/侧穿）、彩云北路过街人行天桥（正穿）、昆明市第二汽车综合性能检测站房屋（正穿）、云南省全都安三轮摩托专业批发市场（正穿）。
区间隧道采用土压平衡盾构法施工，自昆明东站方向始发，至菊华站方向接收。盾构管片采用平板式单层预制钢筋混凝土管片衬砌，采用通用环管片模板。 管片材料为 C50 混凝土，内径为5.5m,厚度为0.35m，外径为 6.2m，管片宽度为1.2m。
图1.2 区间与既有铁路线相对位置关系图
1.3 区间盾构隧道与既有沪昆铁路线的相对位置关系
地铁区间与既有沪昆铁路的相对位置关系平面图如图 1.2 所示： 区间盾构隧道以 15°～32°小角度分别穿越沪昆铁路客车联络上、下行线，沪昆铁路货线上、下行线及机待线共5条铁路线路。根据铁路昆明局提供的相关资料以及现场实地调查：上述5条铁路股道设计时速均为 120km/h，采用有砟轨道形式，如下图所示：
图1.3 现场实地调查图
新建昆明市轨道交通4号线菊华站～昆明东站区间，盾构隧道由昆明东站方向始发往菊华站方向推进，里程为菊华站～昆明东站区间YDK15+380～YDK15+650 ，下穿沪昆客车联络上、下行线；下穿沪昆铁路货车上、下行线及机待线路基共5条铁路线路基。
2 盾构下穿沪昆铁路设计方案
图2.3 盾构隧道穿越区域一铁路路基横断面图
地铁区间与既有沪昆铁路路基的平面相对位置关系如图 2.1 所示，拟建盾构隧道穿越既有沪昆铁路段主要可分为两个区域：
区域一：区间盾构隧道YDK15+380～YDK15+445段下穿沪昆铁路客车联络上、下行线，沪昆铁路货车上行线3条铁路股道，线路设计时速均为120km/h，道床结构采用有砟轨道形式，为2016年近期新填方路基。区域二：区间盾构隧道YDK15+445～YDK15+445段下穿沪昆铁路货车下行线以及机待线2条铁路股道，线路设计时速均为120km/h，道床结构采用有砟轨道形式，为2004年早期填方路基。根据现场勘查及所收集资料，这5条铁路股道基本位于同一水平面内，即其轨面标高基本相同，但路基工程处理措施不同且竣工年代不同。“区域一”及“区域二”的断面位置关系图如图2.3所示：
图3.1 三维数值模拟网格模型
由图2.2及图2.3可看出，两区域盾构隧道直径均为6.2m，隧道埋深约20m。铁路有砟轨道位于隧道3倍洞径外，可初步判定隧道开挖对铁路股道影响不严重。另外，由图2.2可以看出，后期修建的区域一填方路基在施工时，对地表9.6m下的约6m范围路基土体进行了多向水泥搅拌桩加固。
图3.2 隧道与股道俯视图
3 盾构下穿沪昆铁路施工过程三维数值模拟分析
考虑到区域一涉及高铁联络线，安全等级要求高，本论文仅对区域一中的沪昆客运线进行数值模拟分析。
3.1 三维有限元模型数值模型的建立
（1）计算范围
按照昆明轨道交通4号线（菊华站～火车东站区间）设计图以及下穿段铁路股道施工图、竣工图等资料，利用 MIDAS-GTS 软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，取盾构隧道开挖方向为y轴，z轴垂直于岩层，x轴沿着盾构隧道横向，并且与y轴和z轴满足右手法则。
计算区域主要根据盾构隧道以及既有火车股道的布置情况，并满足一定边界效应的要求来确定。在本模型中，左右线隧道中心间距约 13m，在左右线隧道中心各往外取40m，横向共选取80m；盾构隧道穿越铁路股道，选取新沪昆客线（含2股道）进行分析；在高度方向共选取40m，左、右线隧道埋深约20m。
（2）网格划分
昆明轨道交通4号线下穿沪昆铁路路基数值模拟网格模型如图 3.1所示，隧道与股道俯视图如图 3.2所示。土体强度准则为Mohr-Coulomb准则，采用实体单元模拟，钢轨采用梁单元模拟，管片和盾构机盾壳均采用板单元模拟。由于本次计算主要考虑盾构推进过程中地表面以及股道的位移变化，因此，模型忽略盾构机与周围土体之间的摩擦作用以及盾构机推进过程中的千斤顶压力。
图3.3 既有土层及盾构注浆圈加固图
本模型共有单元132800个，节点71557个， 其中盾构左线隧道单元12149个，节点6786个，右线盾构隧道单元12607个，节点6937个。在盾构隧道周围网格较密，往外则逐渐加大。
本模型采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。根据施工方案，先进行盾构隧道右线（模型左侧）的施工，通过后再进行左线（模型右侧）施工。
（3）计算参数选取
根据《昆明市轨道交通4号工程菊华站～昆明区间详细勘察（中间资料）》以及相应技术规范，在有限元分析中，材料的物理力学参数如下表：
图 3.4 土层总体变形云图
（4）荷载
①自重：程序根据建立的单元材料容重，自动计算其体积后计算自重，最后分配给各单元节点用于分析。
②上部荷载=铁路荷载，取中--活载。
（5）土层加固
根据《昆明市轨道交通 4 号线施工图（菊华站～昆明东站盾构区间）》确定在有限元分析中对既有路基土体多向水泥搅拌桩加固区域和盾构管片背后土层加固区域按提高土层参数进行模拟。
3.2 计算结果分析
（1）盾构施工地层位移变形分析
隧道贯通后，土层总体变形云图如图 3.4 所示。
由三维沉降云图可知：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较大。
由计算结果可知，双线隧道贯通后，最大地表沉降值为6.37mm，小于10mm的地面沉降控制值，位于左、 右线盾构隧道上方中间区域。
（2）盾构施工股道位移变形分析
对4条钢轨变形进行监测，按Y向顺序分别定为1#钢轨、2#钢轨、3#钢轨和4#钢轨，双线隧道贯通过程时，钢轨的变形曲线如图 3.5～3.8 所示。
图3.6 2#钢轨的轨向沉降及最大轨向差异沉降曲线图
图3.8 4#钢轨的轨向沉降及最大轨向差异沉降曲线图
由上图可知，盾构下穿区域一铁路路基时，引起的铁路轨道最大沉降值约为6.20mm，小于10mm的轨道沉降控制值；相邻钢轨之间的差异沉降小于1mm，小于4mm的变形控制值；两条股道的单轨最大轨向差异沉降为0.67mm/10m，小于4mm/10m的变形控制值。
4 数值模拟结论
通过4号线盾构隧道穿越沪昆铁路路基股道的三维有限元计算结果，可以得到以下结论：
（1）由于左、右线盾构隧道线间距较小，叠加效应较为明显，因此地表最大竖向沉降位于两隧道中线上方区域。
（2）双线隧道贯通后，铁路路基范围内，最大地面沉降值约为6.37mm，小于10mm的地面沉降控制值。
（3）盾构下穿沪昆铁路路基股道引起的铁路轨道最大沉降值为6.20mm，满足10mm的变形控制要求；相邻钢轨之间的差异沉降小于 1mm，满足4mm的变形控制要求；钢轨的纵向不均匀沉降为 0.67mm/10m，满足4mm/10m 的变形控制要求，因此盾构在穿越区域一时，采用现有洞内注浆措施，可确保既有铁路线的正常运行。
表4.1 既有路基股道位移计算值（单位：mm）
注：因沪昆铁路运营繁重，铁路部门将竖向沉降限值由+10mm,-30mm调整为±10mm。
（4）通过表4.1模拟计算结果可知：由于地铁盾构区间是以小角度穿越昆明东站前沪昆铁路路基，因此，主要造成穿越范围内铁路路基的整体式沉降，而轨道的差异沉降则相对较小，铁路轨道的平顺性受盾构穿越影响不大。所以，施工措施主要应以控制地表沉降为主。
5 盾构下穿沪昆铁路施工方案
5.1 明确施工方案
依据数值模拟结论，明确了采用既有营业线不中断运营的盾构下穿施工方案。
由于数值模拟分析采用了一些假设条件，并不能完全反映工程实际情况，因此，在实际盾构穿越沪昆铁路前，现场需进行试验段施工，确定最优掘进参数，收集了邻近铁路地层下穿施工的地表沉降监测数据，并通过监控量测的反馈采取改进措施对地表沉降进行了有效控制。
5.2 试验段盾构施工沉降原因调研及其控制成效
表5.1为区间盾构施工试验段收集的500组地表沉降数据，由表5.1可知，盾构下穿施工沉降变形率高达19.6%、地表沉降量最大值为13mm,大于限值10mm，且为模拟计算值6.37的两倍多，现场实测数据与理论计算值相差较大，经分析原因并现场验证，形成了表5.2菊华站～昆明东站区间盾构施工地表沉降值过大原因调研及控制措施汇总表。表5.3 是依据表5.2进行施工优化控制后现场所测的地表沉降统计，由表5.3与表5.1比较可知，在采取了有针对性的控制措施后，地表沉降的变形率由19.6%降至3%，最大沉降量由13mm下降为12mm，地表变形率得到了有效改善。
根据表5.3显示的地表沉降数据，最大沉降量为12mm，超过10mm的变形限值，变形率的比例为3%。分析沉降量控制没能达到数值模拟的预期，仍超限的主要原因是铁路路基的密实度及填料均较试验段地层条件好，且铁路地基层采用了水泥搅拌桩加固。为了能进一步将最大沉降量控制在10mm范围内，最大限度的保证运营线路的安全，采取了如下措施：
（1）盾构掘进时采用克泥效工法控制盾构掘进过程中的地表沉降。
（2）在盾构下穿过程中，对铁路线路运营列车采取限速措施。
5.3 数值模拟与工程实测结果比较
表5.4是区间盾构下穿沪昆铁路路基沉降工程实际监测数据，表5.5是区间盾构下穿沪昆铁路路基及股道沉降量的工程实际监测数据与数值模拟结果的比较。
由表5.5 可知，区间盾构下穿沪昆铁路路基及股道沉降量的工程实际监测数据与数值模拟结果一致，均在变形控制值范围内，地表最大沉降量为3mm，优于数值模拟沉降量6.37mm的结果。
表5.4 区间盾构下穿沪昆铁路施工路基沉降监测统计表
表5.5 沪昆铁路路基及股道沉降位移量的比较（单位：mm）
注：因沪昆铁路运营繁重，铁路部门将竖向沉降限值由+10mm,-30mm调整为±10mm。
6 结论及总结
此次昆明轨道交通4号线菊华站～昆明东站区间下穿的沪昆铁路线路运营任务繁重，特别还承担着昆明火车站与昆明南高铁站的联络客运任务，昆明铁路局要求盾构下穿施工不得对铁路安全生产及运营造成影响。如何评估盾构下穿施工对铁路线路造成的影响程度，以便据此制定下穿方案报铁路局审批，是本次下穿方案制定的关键环节。本文通过Midas-GTS 有限元软件进行数值模拟，给出了盾构下穿施工运营线路可不中断运营的明确结论，现场以此为依据，不遗余力的完善盾构掘进参数及施工工艺，最终成功的穿越了既有线线路，在本次施工中，充分体现了理论指导实践，同时实践对理论合理性进行反馈的交互关系，取得了良好的社会及经济效益，主要结论如下：
（1）基于土体摩尔-库仑屈服准则，采用 Midas-GTS 有限元软件，采用三维有限元数值模拟方法，可较好地预测隧道区间下穿既有铁路运营线施工对其的沉降、位移的影响程度，并能够为现场施工方案的制定给予指导作用。
（2）在昆明轨道交通4号线菊华站～昆明东站区间隧道下穿沪昆铁路线路的施工过程中，既有铁路路基及股道产生的沉降及位移均在容许限值范围内，盾构下穿施工过程未对既有铁路行车的正常运营造成实质性影响。
（3）基于土体摩尔-库仑屈服准则，采用 Midas-GTS 有限元软件，采用三维有限元数值模拟的结果，可以做为现场施工效果的评估依据，能够为优化现场施工工艺提供指导作用。
参考文献
[1]沈刚，盾构近距离下穿既有地铁隧道相互影响机理研究[D]. 深圳大学, 2016.
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[4]铁路行车线上施工技术安全规程（TBJ412-87）.
[5]盾构法隧道施工与验收规范（GB50446-2008）.
论文作者:胡晓庄
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/15
标签：盾构论文; 铁路论文; 隧道论文; 昆明论文; 区间论文; 路基论文; 股道论文; 《防护工程》2018年第36期论文;