暗挖隧道施工对下穿既有铁路路基沉降规律分析_余敦猛.pdf

摘要：为研究暗挖隧道施工对既有铁路路基沉降变形的影响，采用有限元法模拟分析隧道开挖不同时期路基纵向和横向沉降规律，路基两侧水平偏差沉降模拟以及不同隧道埋深、不同岩土强度参数对铁路路基沉降的影响。结果表明：隧道开挖对路基沉降差值曲线呈现出明显的正态分布规律；在隧道掌子面距前方将要开挖形成拱顶的地层位置较远时，沉降较缓慢，沉降值也较小；在掌子面到达该拱顶位置时，沉降量将以较大的速率快速上升，拱顶沉降较明显；隧道埋深越大，路基沉降最大值越小；导致路基沉降变形的主要岩土强度参数是内摩擦角。关键词：隧道下穿施工；路基沉降；有限元分析中图分类号：U456文献标志码：A文章编号：1009-7716（2023）01-0250-06暗挖隧道施工对下穿既有铁路路基沉降规律分析收稿日期：2022-03-10作者简介：余敦猛（1983），男，硕士，高级工程师，主要从事岩土与地下工程设计工作。余敦猛（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0610引言目前，我国交通运输体系不断增强，截至 2020 年，高速铁路总里程达 3.6 万 km，已建隧道越 16 798 座。隧道的开挖会在土层中产生卸载效应，导致土体应力应变变化，孔隙水压力等参数变化，诱发上方路基沉降变形。由于铁路路基变形调整能力有限，隧道下穿施工对既有铁路路基的影响必须经过严格的分析，以保证铁路的安全运营。隧道施工引起地表变形最早来源于煤矿开采时巷道施工引发的地表沉降。针对这一现象，已经开展了大量的研究和扩展。Peck1提出 Peck 公式来估算地表下沉。模型试验法在隧道施工研究中既可以检验计算结果，也可以指导施工。Kimura2模拟隧道在不同土层条件和埋深下引起的地表沉降规律。Shinichir 等3研究了不同的隧洞埋深条件和不同施工参数情况下衬砌拱顶受力及地表的沉降变形。Loganathan 等4采用弹性半平面解法来分析隧道施工引起的土体垂直位移规律。数值分析法可以考虑不同开挖方式、不同地质条件，应用较为广泛，常用的有有限元法、离散元法、有限差分法。张向东等5利用有限元法模拟分析不同埋深、不同开挖距离隧道施工对路基沉降破坏规律。房倩等6利用有限元数值模拟，分析了不同边界尺寸对圆形隧道开挖引起的地表沉降影响。本文主要通过有限元模拟，分析暗挖隧道施工对既有路基影响。利用 Midas/GTS NX 软件分析隧道开挖前后地表和路基位移变化情况和沉降规律，以及不同隧道埋深、不同岩土强度参数对铁路路基沉降的影响。1概况依托云南省某隧道工程，全长 3 618 m，隧道拱顶以上最大埋深 209.4 m。隧道上方与永久铁路成 84下穿而过，埋深为 30 m，穿越寒武系统下统牛蹄塘组1n，含碳泥岩，属于低瓦斯段，工程地质较差，围岩级别属于级围岩，采用大拱脚台阶法开挖施工。2建立有限元模型模拟隧道长 120 m，宽 150 m，自西北向东南方向开挖，地表铁路路基截取段的中点与下方隧道截取段的中点在地表的投影点重合，即模型中点，两线斜交成 84，土层厚度为 60 m，隧道埋深 30 m，依照 铁路隧道设计规范（TB 100032016）选取断面尺寸。铁路路基面宽 13.2 m，分为 4 层，加固层、上层路基、下层路基和挖除换填层，厚度依次为 2.8 m、3.2 m、5.3 m和 5 m；加固层及上层路基边坡坡度为 11.5，上、下路基边坡坡度为 11.75。路基采用弹性模型，土层采用符合莫尔-库伦准则的弹塑性模型。模型网格划分见图 1。应力边界条件：隧道洞室开挖后，围岩的初始应力状态遭到破坏，围岩应力在洞室周围一定范围内重新调整。这种应力状态应做如下假设：视围岩为均质、URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月相关专业250各向同性的连续介质；只考虑自重产生的初始应力场；隧道形状以规定的圆形为主；隧道位于地下一定深度处，可简化成无线体中的孔洞问题。位移边界条件：侧面边界为水平位移约束，底面边界为竖向位移约束，上部边界为自由边界，无任何约束。模型参数包括土层参数、路基参数和隧道内部构建参数。地基土层主要包括 3 层不同土体，由上至下分别为粉质黏土、强风化含炭泥岩及弱风化含炭泥岩；路基总共为 4 层，包括加固层、上层路基、下层路基和挖除换填层；隧道开挖方式为大拱脚台阶法，开挖过程中所需要的内部构件主要有隧道喷射混凝土、超前小导管加固层及中间钢支撑。由于本文主要研究隧道开挖阶段路基沉降规律，在简化路基加固层上等效施加 60 kPa 的均布静定荷载。计算模型参数见表 1。3下穿隧道对铁路路基沉降规律分析新奥法作为隧道施工常用的喷锚暗挖法施工技术，由于地表位移波动范围过大，影响周围构筑物或建筑物而使其不能正常使用。因此需对地表位移进行数值模拟分析。为综合反映隧道施工开挖对地层竖向位移以及地基竖向位移的影响，取隧道开挖初始第 1 步和开挖完成这 2 个工况阶段作数值模拟情况说明。隧道开挖地层和地基竖向位移云图见图 2。由图 2（a）、图 2（b）可知：隧道初步开挖上台阶时，拱顶沉降最大，最大值为 9.46 mm；下台阶隆起，余敦猛：暗挖隧道施工对下穿既有铁路路基沉降规律分析图 1模型网格划分表 1计算模型参数模型参数地层厚度/m容重/（kNm-3）弹性模量/kPa泊松比内摩擦角/（）黏聚力/kPa地基土层力学参数粉质黏土818.550 0000.3001320强风化含炭泥岩2021.0400 0000.2323545弱风化含炭泥岩3222.0500 0000.2324550路基力学参数加固层1.893 0000.2520.10035上部路基4.242 0000.3519.0001531下部路基5.3110 0000.3221.1301240挖除换填层5110 0000.3221.0131240隧道内部构建力学参数隧道喷混0.315 000 000中间钢支撑300 000导管加固层0.520800 0000.24860隆起值为 11.08 mm，开挖面正上方地表沉降值为1.04 mm。地层沉降等高线呈锥形分布，隧道中心线附近 10 m 范围为地表变形较大区域，距隧道中心线越远，变形值越小。沿隧道纵向，地层变形向开挖面前方及侧方扩展，由近及远、从下至上逐渐减小，距边界面 5 m 处地表沉降值为 0.97 mm，10 m 处地表沉降值为 0.81 mm。路基中线两侧的竖向位移情况有所不同，近隧道掌子面一侧的路基边缘沉降值较另一侧路基边缘大。由图 2（c）、图 2（d）可知：当隧道都开挖之后，地表沉降槽宽度趋于稳定，距隧道中心线外侧 10 m 处地表沉降值为 7.51 mm。开挖时间越早，地表沉降值越大，沿隧道纵向地表沉降值趋于减小。隧道开挖完成后，拱顶地层沉降量 22.4 mm，沿 Z 轴正向至地表沉降量越来越小，地表最大沉降值为 8.71 mm，此时拱底处隆起量为 16.5 mm。（a）初步开挖地层竖向位移（b）初步开挖地基竖向位移（c）结束开挖地层竖向位移（d）结束开挖地基竖向位移图 2隧道开挖地层与地基竖向位移云图（单位：m）2023 年第 1 期251隧道开挖完成后，路基两侧边缘差异沉降现象明显减轻，基本无差异。因此在实际隧道开挖下穿路基过程中，要加强监测，做好防范措施，防止或减轻路基差异沉降对铁路轨道正常运营造成的影响。3.1参数敏感度分析方法敏感度分析方法是系统分析中常用的分析系统稳定性的一种方法，现在己经被人们较为广泛地应用在岩土工程领域。它首先假设有一系统，其某一系统特性为 P，有 k 个主要因素，X x1，x2，xk，构成P=f（x1，x2，xk），式中 x1，x2，xk为输入的参变量。为工程应用简便起见，以单因素敏感度分析方法进行敏感度分析，即一次改变一个特定参数变量，保持其他因素均不发生变化，观察其对基坑支护沉降的影响。常用的参数敏感度分析方法为扰动分析法，即在参数合理初值的附近产生一定的扰动，从而判断在扰动范围内对控制目标所产生的影响大小。具体做法为选取一系列的待分析参数，利用控制变量法一次只变动一种参数，保持其他参数不变，然后将各参数代入数值有限元模型进行计算分析，计算各参数扰动对结构控制目标的影响。一般常用扰动分析方法的步骤为：（1）选择与结构状态相关的主要影响参数，并确定参数的初值与扰动范围。（2）选择主要影响参数所影响的控制目标，分析在参数扰动范围内对控制目标产生的影响大小。（3）引入敏感度系数 S，定量分析各影响参数的敏感度，区分主要影响参数和次要影响参数。S=|dx/dx|r（1）式中：dx 为参数扰动引起的控制目标增量；dx 为初始参数对应的控制目标值；r 为参数扰动的大小。3.2影响参数的敏感度分析针对隧道施工对下穿既有铁路路基沉降变形影响的量化分析，主要是对影响路基变形沉降的各个因素进行分析，而路基沉降变形的影响因素很多，有些还相互影响。本文主要分析隧道开挖、隧道埋深、岩土体强度参数这 3 种因素对路基沉降变形的影响规律，对岩土体强度参数进行分析时，主要取黏聚力c 和内摩擦角 作为参数敏感性的影响因素。3.2.1隧道开挖引起的路基沉降规律隧道开挖过程中路基沉降演进见图 3。隧道开挖过程中的路基纵向沉降变形规律可大致划分为慢速增长阶段、快速增长阶段、缓慢收敛阶段和稳定阶段 4 个阶段。前期沉降慢速增长阶段一般发生于掌子面距离测点 12 倍洞径外，占总沉降量的 10%15%。隧道开挖产生的卸载效应导致附近岩土层应力场变化，地层损失造成的地下水排出导致土体排水固结。不同的隧道开挖工法（例如盾构法、暗挖法等），不同的开挖步骤（例如台阶法、CD法、CRD 法等），不同的衬砌类型（例如整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌），以及不同的断面大小和支护时间，还包括地质条件因素和施工降雨影响，都与开挖前期沉降有一定的关联。通常，浅埋暗挖法引起的地表前期变形以沉降为主，也可能出现隆起现象。沉降快速增长阶段一般在隧道开挖面距观测点 13 倍洞径内，占总沉降量的 50%60%。由于隧道开挖扰动导致岩土体内部应力场、渗流场等边界条件改变，隧道上覆土层应力、孔隙水压力、渗流速率发生变化，此阶段地表沉降速率加快，沉降变形明显加大。沉降缓慢收敛阶段在隧道开挖工作面距离测点 35 倍洞径外，占总沉降量的 15%20%。由于隧道初期衬砌支护施作完成，上覆土层压密趋于稳定，变形速率基本不变，沉降量增长缓慢。沉降稳定阶段在隧道开挖工作面远离测点 5 倍洞径，占总沉降量的 5%10%。由于衬砌支护已经完成，衬砌支撑明显，围岩变化稳定，周围土体进一歩稳定，地表沉降进一步减小，沉降趋于平缓。隧道开挖引起路基的横向沉降变形符合正态曲线分布规律（见图 4）。根据 Peck 理论和既有文献研究，隧道下穿施工所引起的路基横向沉降槽沉降规律与地表沉降规律相似，均可采用高斯曲线拟合，不受开挖方式、岩土参数及路基高低等因素影响。图 4 的数值模拟曲线也很好地证明了隧道开挖过后路基基底中线的沉降分布呈现明显的正态分布规律，且接近于隧道正上方位置达到最大沉降值，最大沉降值为 9.3710-3m，沿两侧沉降值呈正态分布趋势减小。余敦猛：暗挖隧道施工对下穿既有铁路路基沉降规律分析图 3隧道开挖过程中路基沉降演进2023 年第 1 期2523.2.2隧道开挖对路基两侧沉降水平偏差的影响隧道下穿施工会引起路基的不均匀沉降，引发铁路线路水平高差的产生，威胁列车的行驶安全。自隧道开挖始，为反映隧道开挖对路基两侧沉降水平偏差的影响，分别取开挖第 1 步、第 10 步、第 20 步、第 30 步、第 34 步这 4 种工况做模拟分析，综合结果见图 5、图 6。由图 5、图 6 可以明显看出，路基两侧的沉降虽然在沉降曲线及最终沉降量上差别不大，但在时间上存在明显的差异性。隧道开挖率先下穿的近路基侧边的沉降速率在开始阶段明显大于远路基侧边，两者在同时刻存在沉降量差异，并呈现出明显的正态曲线分布规律。在隧