摘要：为保障地铁盾构施工穿越既有铁路运输线路和地铁隧道的安全，采用ABAQUS数值模拟技术，分析了列车动载荷和地震载荷作用下地面沉降量及衬砌管片的受力变形。结果表明，在列车动态载荷作用下，管片及框架桥最大应力分别为7.6MPa和4.6MPa。地表竖直方向的最大沉降量为5.7mm。在组合载荷作用下，管片及框架桥的最大应力和地表竖直方向的最大沉降量分别增大了4%和15%。该隧道施工有关强度和沉降控制满足设计技术要求。
关键词：城市地铁；隧道施工；穿越既有铁路；可靠性；
1引言
随着我国城镇化进程的推进和城市密集度的提高，利用和开发地下空间建设地下轨道交通，成为解决交通拥堵和减少排放污染的有效途径。在地下轨道交通盾构施工建设过程中，如何保障既有城市基础设施和人员安全将是面临的严峻挑战。针对保障盾构施工穿越城市既有建筑物安全性，学者们主要研究集中在从以下几方面；
（1）理论解析分析
由于地下施工土体力学的多样性，研究对象一般采用基于统计及连续介质的观点进行其理想条件下数学模型的研究。提出盾构施工穿越既有建筑有关破坏及地表沉降的近似数学描述，只能为施工方案是否安全提供了初步判断方法，但不能对其施工过程力学特性进行精确表达。
（2）数值模拟技术
随着计算机计算效率的提高和商业软件的开发应用，使得采用三维整体有限元法研究考虑盾构施工工序对穿越既有建筑物安全性的影响成为可能。实现对地面建筑与桥桩沉降、隧道变形不协调等较为准确的安全评估，相对于理论分析提高了施工安全评估的可靠性。
（3）现场监测研究
对于复杂地质条件和建筑群，现场地表沉降监测能够很好对施工过程提供安全预警和盾构施工参数实时调整。依据实际施工的监测数据，归纳出盾构施工穿越既有建筑物的沉降、变形等关键参数的变化规律，对类似施工的施工参数及加固措施的选取具有较强的指导意义。
综上所述，盾构施工数值模拟技术能够在施工前期较为准确的评估其施工方案的可行性。本文采用ABAQUS有限元软件，针对某城市地铁区间穿越既有铁路施工方案，开展地面沉降及衬砌管片应力状态分析，评估地面沉降是否合理，管片承载能力是否可靠。以期获得较为安全的施工方案和制定必要的施工保障措施。
2工程概况
地铁施工区间穿越既有铁路，该铁路以矩形框架桥横跨交通主干道。该桥高6m，宽31.5m，主要受力部位采用C28号钢筋混凝土浇筑。铁路上下行采用钢轨为P60kg/m的无缝钢轨和有砟轨道。盾构施工穿越铁路段为单洞单线-双线盾构隧道，全长1146m。该区段线路左右平行布置，左右线间距为47m。区间结构采用预制管片错缝拼装而成。盾构施工区间与既有铁路位置近似于对称布置。技术要求为管片衬砌结构直径变形量为≤2%×D，其中，D为隧道外径。地面沉降一般控制在0.02m以内，隆起量控制在0.01m以内。抗震防烈度为7度，即抗震等级是四级。
3盾构施工有限元模型建立
针对穿越框架桥既有铁路的隧道施工，将其穿越剖面图简化为轴对称图形，如图1所示。基于现有假设，建立有限元模型仅需建立1/2模型以减小计算规模，该模型水平和竖直各取50m。隧道半径为3m，隧道埋深为17.9m，衬砌厚度为0.3m。为了提高计算精度，在网格收敛性分析的基础上基于一定的网格划分策略进行网格划分，结果如图2所示。其中，网格采用四边形板单元，单元大小为0.035m，共11326个单元。
该有限元模型土体采取HS本构硬化模型模拟其土体压缩与剪切变化。地面为既有铁路，地层从上之下为杂填土、素填土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、粉土和砾砂。该地质条件下各地质基本材料属性如表1所示，隧道施工过程中的管片，浆液和框架桥的基本材料属性如表2所示。其中，预制管片拼装而成的衬砌环采用螺栓错缝拼接，其支撑刚度会有所衰减，管片的弹性模型折减系数为0.8。地铁穿越既有铁路不仅要承受框架桥上移动列车的动载荷，同时还能达到7度抗震防烈度。在评估地铁隧道安全性的过程中，轨道列车动态载荷依据线路特性及活载标准，为了保障安全选取客货共线特种荷载，通常采用一个激振力函数来模拟，选择运用较多的是潘昌实等人提出的激振力函数来模拟列车动载荷，并将其简化。
（GB50011-2001）相关内容及条文说明7度抗震防烈度相应的地震加速度为0.1G。分析过程中，基于现有地震载荷施加方式，采用底部边界为阻尼约束，侧向边界仅约束竖直位移，模型表面（即地面）为自由边界开支抗震能力评估。其地震载荷加速度波采用轨道列车简化方法，即正弦波模拟。
4结果与讨论
基于施工隧道建立其有限元模型，设定边界条件并对其进行可靠性评估，重点考虑列车动载荷和地震载荷作用下隧道衬砌管片的安全性以及地面沉降量。具体计算结果分析如下。
（1）列车动载荷特性下的施工隧道可靠性
在列车通过框架桥过程中，列车动载荷对衬砌管片和框架桥的应力状态产生一定的影响。在整个计算过程中，衬砌的最大应力为7.9MPa，分布在衬砌管片的上端内侧。列车通过时，作用于路基上的动载荷对距离地面17.9m处的衬砌还管片影响较小，远没有达到破坏起强度的能力。而对于路基下的框架桥，应力较大值主要分布框架桥的间隔墙体上，其最大应力为4.6MPa，满足框架桥强度要求。
针对列车通过产生的地面沉降量，衬砌管片最大的径向和周向位移如图3和图4所示。其最大径向和周向位移均为1.2mm，整体产生的竖直方向的位移为1.6mm。而对于框架桥最大竖直位移为5mm，位于框架桥底端靠近中心对称的位置。两者的竖直沉降量均小于技术要求中所需控制的沉降量。建立的整个有限元模型，整体竖直方向位移变化。整体竖直位移位于中心对称轴区域沉降量相对较大，且接近载荷作用区域，由于框架桥结构刚度的原因引起附近竖直沉降增大，最大达到5.7mm。而在隧道区域竖直整体位移变化不大。因此，通过上述分析地面沉降、衬砌管片及框架桥应力状态均满足沉降量和结构强度的技术要求。
（2）地震载荷作用下的施工隧道可靠性
施工隧道在列车动载荷作用下未引起超量的沉降量和破坏性应力状态，依据到地区地震历史，在上述分析的基础上，同时考虑地震载荷共同作用的破坏效果，经计算其应力以及位移分布云图如图5、图6所示。由上述两图可以看出，整体应力分布值不大于7.9MPa，竖直方向最大沉降量不超过6.7mm。应力最大值位于及竖直位移最大变化量均匀位于砌成管片及框架桥区域。相对于列车动载荷作用下的最大应力和竖直沉降量分别增大4%和15%。因此，在该地区抗震烈度技术要求下，地铁盾构施工穿越既有铁路具有较高的安全性。
结束语
通过某城市区间地铁施工穿越既有铁路的应力及沉降量变化特性开展分析，重点考虑了列车通过动载荷及地震载荷对砌成管片和沉降量的影响，主要结论如下。
（1）在列车动态载荷作用下，管片及框架桥最大应力分别为7.6MPa和4.6MPa。地表竖直方向的最大沉降量为5.7mm。
（2）在列车动载荷和地震载荷共同作用下，管片及框架桥的最大应力达到7.9MPa，地表竖直方向的最大沉降量为6.7mm，分别增大了4%和15%。
综述所述，在列车通过动载荷及地震载荷作用下，该隧道施工有关强度和沉降控制满足设计技术要求，衬砌结构安全可靠，地表沉降控制合理。
参考文献
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论文作者:崔岩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：载荷论文; 管片论文; 隧道论文; 盾构论文; 应力论文; 列车论文; 框架论文; 《基层建设》2019年第8期论文;