盾构隧道管片变形缝（盾构隧道下穿有轨电车路基影响分析）

高大 李云龙 王刚

沈阳市市政工程设计研究院有限公司

摘 要：盾构隧道下穿有轨电车路基时，会对周围土层造成扰动并造成路基沉降。路基沉降可能会给有轨电车运营安全带来较大影响。为研究盾构隧道下穿有轨电车路基过程中路基的沉降变化规律，以沈阳地铁4号线沈创区间为例，采用Midas-GTS-NX有限元软件对盾构隧道下穿有轨电车路基施工过程进行三维数值模拟，研究结果表明：本工程最大沉降量约为1.4mm，小于有轨电车路基沉降控制值10mm，无需采取其他处理措施即可满足变形控制要求；左右线盾构隧道同时开挖时，路基沉降量最大。在实际工程中，盾构隧道下穿重要构筑物时应尽量避免同时施工；左右线盾构隧道前后错开一定距离后施工可减少路基沉降，也可缩短工期。

关键词：盾构隧道;有轨电车路基;有限元;路基沉降;

随着我国城市化进程的加快，地面交通已不能满足城市交通运输的需求，越来越多的城市开始发展地下轨道交通来缓解地面交通的压力。轨道交通建设中，盾构施工因为具有环境影响小、施工安全、适应软弱地质条件和施工进度快等优点，成为目前地下轨道交通施工的主流方法。但是在盾构施工过程中必然会对周围土层造成扰动并造成路基沉降。盾构施工产生的地表沉降是引起铁路路基及轨道变形的直接原因。在盾构下穿既有有轨电车路基时，盾构施工所造成的路基沉降可能会给有轨电车运营安全带来较大影响[1,2,3,4]。因此，对于盾构下穿有轨电车路基影响分析就十分必要。

盾构掘进过程中引起的地表沉降与地层性质、渣土仓压力、注浆量和注浆压力、盾尾注浆时间、出土量及盾构推进速度等因素有关，十分复杂[4]。此外，盾构与铁路的相对位置也是影响铁路变形的重要因素[1]。

为研究盾构隧道下穿有轨电车路基过程中路基的沉降变化规律以及盾构隧道的开挖顺序对有轨电车路基沉降的影响，本研究以沈阳地铁4号线沈创盾构区间为例，采用Midas-GTS-NX有限元软件对盾构隧道下穿有轨电车路基施工过程进行三维数值模拟，对盾构隧道下穿有轨电车3号线路基位移变化规律进行分析。

沈创区间盾构外径为6m，内径为5.4m；衬砌管片宽度为1.2m，厚度为0.3m。线间距为13m；区间隧道埋深为15.5m，区间隧道顶距离有轨电车路基底间距约为13.7m。有轨电车路基与盾构隧道的平面相对位置见图1。

图1 有轨电车路基与盾构隧道的相对位置 下载原图

Midas GTS NX是一款通用岩土有限元分析软件。在开发阶段通过几千种例题的计算，将其计算结果与理论值、及同其他程序的计算结果进行了比较、验证，并在大量的工程项目上得到了运用。因此，使用Midas GTS NX软件进行得到的结果是可信的。

本文采用Midas GTS NX进行三维数值模拟。土层本构模型为修正莫尔库伦准则。管片、路基和土层均采用实体单元模拟，模型大小为（长×宽×高）165m×90m×30m，共26882个节点，45628个单元。模型的约束条件为：除地表为自由表面外，其他均为法向约束。

图2 三维有限元模型 下载原图

主要物理力学指标见表1、表2。

表1 土层物理力学参数 下载原图

表2 结构物理力学参数 下载原图

整个掘进过程可分为土体开挖、管片拼装2个过程。对三维盾构掘进模型做适当简化来模拟施工过程，主要施工步骤为：

(1）开挖右线区间1个管片宽度（1.2m）的土体，包括预先定义的隧道土体和管片层。

(2）激活（1）中钝化土体相应位置的盾构管片。

(3）重复（1）和（2）直到右线贯通后，再施工左线隧道。

本工程右线盾构隧道首先施工，右线贯通后再施工左线盾构隧道，每条线分别有76个开挖步骤。左右线分别下穿有轨电车路基时路基的沉降曲线如图3、图4所示。由图3可知，右线开挖时，路基沉降峰值出现在第40开挖步，沉降值约为1.0mm；由图4可知，左线开挖时路基沉降峰值出现在第116开挖步，沉降值约为1.4mm。

图3 右线盾构下穿路基沉降曲线 下载原图

图4 左线盾构下穿路基沉降曲线 下载原图

图5为盾构隧道开挖过程中，距两隧道中心横向不同距离有轨电车路基沉降曲线。从图5中可以看到，路基沉降槽呈正态分布，沉降槽宽度约为50m，约为隧道中心线距离的3.3倍。有轨电车路基的沉降值峰值发生在两个隧道中心的上方，偏向于隧道右线，即先开挖的隧道那一侧，最大沉降量约为14mm，小于有轨电车路基沉降控制值10mm，无需采取其他处理措施即可满足变形控制要求。

图5 路基沉降曲线 下载原图

为研究左右线盾构隧道开挖顺序对路基沉降的影响，建立三种不同工况进行分析，工况介绍如表2所示。

表3 工况表 下载原图

图6为三种工况下左右线隧道开挖至有轨电车路基底部时的路基沉降曲线。从图中可以看到三个工况中工况1路基沉降量最大，约为1.6mm，大于上述3.1节中的最大沉降量1.4mm。

图6 路基沉降曲线 下载原图

从图6中可以看到工况3与3.1节中结果基本一致，路基最大沉降量发生在第二条盾构隧道开挖至路基底部时刻，沉降值约为1.4mm。可见针对类似于本工程的盾构隧道与路基存在一定夹角的下穿工程，两条盾构隧道先施工完任意一条对路基的最终沉降影响较小。

工况2-A中的路基沉降量大于工况3-A和3.1节中的相同工况，但是工况2、工况3与3.1节中路基最终沉降量基本一致。因此，为减小盾构隧道开挖对路基沉降的影响，左右线隧道不建议同时施工。前后错开一定距离后施工（工况2），可减少路基沉降，施工工期相对于3.1节和工况3也可减少。

以沈阳地铁4号线沈创区间盾构隧道下穿有轨电车路基为研究对象，通过建立三维数值模型，研究了盾构下穿导致的路基沉降规律。主要得出结论如下：

(1）本工程右线贯通后再施工左线盾构隧道，最大沉降量约为1.4mm，远小于有轨电车路基沉降控制值10mm，无需采取其他处理措施即可满足变形控制要求。

(2）左右线盾构隧道同时开挖时，路基沉降量最大。在实际工程中，盾构隧道下穿重要构筑物时应尽量避免同时施工。

(3）左右线盾构隧道前后错开一定距离后施工可减少路基沉降，同时与“左线隧道开挖完毕后，施工右线隧道”的工况相比，也可缩短工期。

[1] 王志超，甘露，赖金星，等．盾构下穿铁路路基钢轨变形及路基沉降分析[J]．深圳大学学报（理工版），2018(4):389-397.

[2] 蔡小培，蔡向辉，谭诗宇，等．盾构下穿施工对高速铁路轨道结构的影响研究[J]．铁道工程学报，2016(7):11-17.

[3] 魏纲．盾构施工中土体损失引起的地面沉降预测[J]．岩土力学，2007(11):2375-2379.

[4] 边金，陶连金，郭军．盾构隧道开挖引起的地表沉降规律[J]．地下空间与工程学报，2005(2):247-254.