一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法。

背景技术

砂卵石地层由于其组成成分主要为颗粒体，不均匀性较大，砂卵石地层与岩石地层具有较大物理力学差异，砂卵石地层具有明显的几何不稳定性。当盾构在砂卵石地层掘进时，易发生砂土坍塌，进一步造成周围土体不均匀沉降，严重者会产生地表坍塌等次生灾害。随着城市地铁大规模建设，砂卵石地层中盾构隧道且下穿既有铁路线路的情况逐渐增多。由于在砂卵石地层中进行盾构掘进可能造成较大地层损失，导致地表产生不均匀沉降，影响近接建/构筑物正常使用安全。

现有变形影响计算中对于砂卵地层的物理力学参数，主要依靠室内试验，对于砂卵石的级配与物理力学参数有较大的敏感性，现有工程经验局限性较大。此外，现有技术主要针对无近接工况，盾构隧道在砂卵石中下穿既有铁路线路的工程案例仍有限，尚未形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，该方法结合强度折减数值计算模型、塌落拱数值计算模型与精细化三维数值计算模型三种模型综合分析盾构隧道在砂卵石地层中对近接既有铁路的影响，形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法。

为达到上述技术目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，包括如下步骤：

S1.建立基于强度折减法的二维数值计算模型对毛洞状态下地铁盾构隧道以及出入场线隧道进行分析，获取隧道整体安全系数；

S2.通过有限元软件ABAQUS建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，获取在后建隧道开挖不破坏先建隧道上方围岩自身形成的承载拱的情况下，后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数；

S3.通过FLAC3D有限元软件建立精细化三维数值计算模型，对施工方法、施工工序、施工速度、支护参数、支护时间以及结构的安全性进行对比分析，计算得出围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形；

S4.对步骤S1获取的隧道整体安全系数、步骤S2获取的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及步骤S3中所获取的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形通过与既有铁路变形控制指标体系中规定的沉降控制指标进行对比，若全部满足则合理。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.在所述模型中建立盾构隧道、矿山法暗挖隧道、铁路桥与铁路股道；

S12.施做既有铁路桥、股道以及施加列车荷载，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；

S13.开挖盾构左线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；

S14.开挖盾构右线隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；

S15.一次开挖出入场线暗挖隧道，通过所述计算模型进行强度折减计算安全系数；

S16.对步骤S12至S15中所获取的安全系数进行比较，得到砂卵石地层隧道下穿既有铁路的整体安全系数。

进一步地，所述步骤S1中的安全系数w按如下公式计算：

式中：c、c′—分别为初始粘聚力和极限粘聚力；

—分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。

进一步地，所述步骤S2中的安全系数分析还需根据不同围岩压力释放率下隧道开挖对既有铁路股道的影响进行修正；

所述开挖过程通过全断面开挖方式进行模拟，用以分析矿山法隧道开挖时不同围岩压力释放率对既有铁路股道的影响；

所述围岩压力通过施加洞周径向反力的方式模拟以及通过控制反向力的大小来控制围岩压力释放率。

进一步地，所述步骤S2依据隧道断面大小、围岩级别与埋深假定塌落拱高度，建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，并计算盾构隧道结构内力以及盾构隧道管片安全系数。

进一步地，所述隧道埋深的判定根据荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定，判定公式如下：

H

式中：

h

s——围岩级别；

ω——宽度影响系数，ω＝1+i(B-5)；

B——隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响(m)；

i——B每增减1m时的围岩压力增减率，当B＜5m时取i＝0.2；当B＞5m时取i＝0.1。

进一步地，所述隧道潜在坍塌二维数值计算模型包括以下计算步骤：

S21.施做既有铁路桥及股道，将对应钢筋混凝土参数赋予铁路桥与股道所在单元；

S22.施加列车荷载于铁路桥与铁路股道；

S23.将盾构左线隧道上方坍落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；

S24.将盾构右线隧道上方坍落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；

S25.开挖上方出入场线铁隧道并对施工隧道初期支护与二次衬砌赋值上方坍落范围计算参数；

S26.通过隧道潜在坍塌二维数值计算模型，计算盾构隧道结构内力以及盾构隧道管片安全系数。

进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S31.建立模型及边界条件，然后模拟隧道埋深及隧道开挖；

S32.通过步骤S31的三维数值计算模型计算盾构隧道与出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降、出入场线隧道围岩压力不同释放率时股道的沉降与10m弦测高低差以及按照核心土台阶法施工时，随着掌子面向铁路股道推进，股道沉降与线路轨道10m弦测量的高低偏。

进一步地，所述精细化三维数值计算模型取值范围根据实际工程情况沿纵向取、沿横向以及隧道仰拱下方取值，所述精细化三维数值计算模型的前后及左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由边界。

进一步地，所述模拟隧道埋深及隧道开挖中的地层及初期支护用弹塑性实体单元模拟，管棚及超前小导管用弹性实体单元模拟，二次衬砌用弹性实体单元模拟。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明通过结合强度折减数值计算模型得到的隧道整体安全系数、塌落拱数值计算模型得到的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及精细化三维数值计算模型得到的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形三种计算结果综合分析盾构隧道在砂卵石地层中对近接既有铁路的影响，解决了现有技术经验局限性较大的问题，并形成针对砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法达到节省人力物力的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的地铁盾构隧道以及出入场线隧道安全系数计算模型；

图3为本发明的隧道潜在坍塌处及列车荷载施加示意图；

图4为本发明施做既有铁路桥、股道以及施加列车荷载时轨道位移随折减系数的变化曲线；

图5为本发明开挖盾构左线隧道时轨道位移随折减系数的变化曲线；

图6为本发明开挖盾构左线隧道时盾构左线隧道位移随折减系数的变化曲线；

图7为本发明开挖盾构右线隧道时轨道位移随折减系数的变化曲线；

图8为本发明开挖盾构右线隧道时盾构左线隧道位移随折减系数的变化曲线；

图9为本发明开挖盾构右线隧道时盾构右线隧道位移随折减系数的变化曲线；

图10为本发明的出入场线隧道位移随折减系数的变化曲线；

图11为本发明的盾构隧道及矿山法暗挖隧道二次衬砌受力数值计算模型；

图12为本发明的盾构右线隧道施工后的盾构左线隧道衬砌横截面内力；

图13为本发明的出入场线隧道施工后的盾构左线隧道衬砌横截面内力；

图14为本发明的围岩压力释放示意图；

图15为本发明的总体计算模型图；

图16为本发明的结构模型图；

图17为本发明的盾构隧道开挖后股道竖向位移曲线；

图18为本发明的不同围岩压力释放率下股道最大沉降曲线图；

图19为本发明的随出入场线隧道掌子面推进的股道沉降曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本发明提供一种砂卵石地层隧道下穿既有铁路变形影响分析方法，包括如下步骤：

S1.建立基于强度折减法的二维数值计算模型对毛洞状态下地铁盾构隧道以及出入场线隧道进行分析，获取隧道整体安全系数。

强度折减法是进行边坡稳定性有限元分析的常用方法，直接通过有限元分析获得一个安全系数，不仅保持了有限元在模拟复杂问题上的优点，而且概念明确，结果直观，在工程中得到越来越多的应用，在本实施例中运用有限元软件中的ABAQUS软件建立基于强度折减法的二维数值计算模型，因摩尔-库伦准则考虑了土体的塑性破坏作用，在目前岩土工程界使用广泛且非常成熟，摩尔-库伦准则能够很好地反映出土体的非线性力学特性，且易从地质勘查报告中获取，特别适用于土壤、岩石等松散胶结的颗粒材料，故下面均以服从摩尔—库仑准则的材料为例来对毛洞状态下地铁盾构隧道以及出入场线隧道进行分析，获取隧道整体安全系数。

令w为强度安全系数，折减后的围岩强度可以表示如下：

式中：c、c′—分别为初始粘聚力和极限粘聚力；

—分别为初始内摩擦角和极限内摩擦角修正值。

在本实施例中利用以上基本原理，步骤S1可以具体如下：

S11.如图2所示，在基于强度折减法的二维数值计算模型中建立盾构隧道、矿山法暗挖隧道、铁路桥与铁路股道。

S12.施做既有铁路桥、股道以及施加如图3所示的列车荷载，进行强度折减计算安全系数，计算结果如图4所示，由强度折减法稳定性判据可知，位移突变点处的折减系数即为安全系数，取得安全系数为3.70。

S13.先开挖盾构左线隧道，分别对铁路桥以及开挖盾构左线隧道进行强度折减计算安全系数，计算结果如图5和图6所示，计算轨道安全系数为3.60，盾构左线隧道安全系数为5.72。

S14.然后开挖盾构右线隧道，分别对铁路桥、盾构左线隧道以及开挖盾构右线隧道进行强度折减计算安全系数，计算结果如图7-图9所示，由强度折减法稳定性判据可知，位移突变点处的折减系数即为安全系数，计算轨道安全系数为3.60，盾构左线隧道安全系数为5.54，盾构右线隧道安全系数为5.53，结合步骤S13的结果，由于盾构右线隧道安全系数小于盾构左线隧道安全系数，故开挖盾构左、右线隧道时整体安全系数为5.53。

S15.最后一次开挖出入场线暗挖隧道，对出入场线暗挖隧道进行强度折减计算安全系数，计算结果如图10所示，由强度折减法稳定性判据可知，位移突变点处的折减系数即为安全系数，取得安全系数为1.36，由于出入场线隧道安全系数小于盾构左、右线隧道，故认为整体安全系数为出入场线隧道的安全系数，即1.36远小于《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)的规定值，可以认为在毛洞状态三个隧道均能基本保持稳定，能够保证隧道施工稳定。

S2.通过有限元软件ABAQUS建立隧道潜在坍塌二维数值计算模型，获取在后建隧道开挖不破坏先建隧道上方围岩自身形成的承载拱的情况下，后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数。

根据《铁路隧道设计规范》，依据隧道断面大小、围岩级别与埋深计算塌落拱高度，用于计算隧道潜在坍塌范围，上述隧道埋深的判定根据荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定，判定公式如下：

H

式中：

h

s——围岩级别；

ω——宽度影响系数，ω＝

B——隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响(m)；

i——B每增减1m时的围岩压力增减率，当B＜5m时取i＝0.2；当B＞5m时取i＝0.1；

在《铁路隧道设计规范》知，Ⅳ～Ⅵ级围岩取H

S21.施做既有铁路桥及股道，将对应钢筋混凝土参数赋予铁路桥与股道所在单元，在本实施例中钢筋混凝土均选用隧道施工中常用的C50混凝土；

S22.施加如图3所示的列车荷载于铁路桥与铁路股道；

S23.将盾构左线隧道上方塌落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；

S24.将盾构右线隧道上方塌落拱范围内的单元赋以弱化后的计算参数，并施做盾构隧道管片，将盾构隧道管片单元施加弹性模型，并赋予钢筋混凝土参数；

S25.开挖上方出入场线铁隧道并对施工隧道初期支护与二次衬砌赋值上方坍落范围计算参数；

S26.通过隧道潜在坍塌二维数值计算模型，计算盾构隧道管片结构内力以及盾构隧道管片安全系数，计算结果如图12和图13所示，在本实施例中所述盾构隧道管片安全系数依据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)8.5.5节计算。

为了计算不同围岩应力释放率时的安全系数，在上述对盾构隧道管片安全系数进行分析时还需根据不同围岩压力释放率下隧道开挖对既有铁路股道的影响进行修正，分别考虑围岩压力释放率为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％及100％这10种工况，围岩释放率为盾构法隧道管片式衬砌承担围岩压力比例，例如围岩压力释放率为10％时，即围岩及盾构法隧道管片式衬砌共同承担90％围岩压力，计算采用全断面开挖方式对隧道开挖过程进行模拟，用以分析隧道开挖时不同围岩压力释放率对既有铁路股道的影响，计算过程中通过施加洞周径向反力的方式模拟围岩压力释放，通过控制反向力的大小来控制围岩压力释放率，如图14所示，最后模拟出入场线隧道施工对既有铁路股道的影响，将计算结果与不同围岩应力释放率时的安全系数做对比，得到后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数。

S3.通过FLAC3D有限元软件建立精细化三维数值计算模型，对施工方法、施工工序、施工速度、支护参数、支护时间以及结构的安全性进行对比分析，计算得出围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形，该步骤具体如下：

S31.构建精细化三维数值计算模型，如图15和图16所示，建立模型及边界条件，然后模拟隧道埋深及隧道开挖，上述精细化三维数值计算模型取值范围根据实际工程情况沿纵向取100m，沿横向取160m，深度取隧道仰拱下方60m，并且该精细化三维数值计算模型的前后及左右方向受水平约束，垂直方向底面受竖向约束，顶面为自由边界，而模拟隧道埋深及隧道开挖中的地层及初期支护用弹塑性实体单元模拟，管棚及超前小导管用弹性实体单元模拟，二次衬砌用弹性实体单元模拟。

S32.对步骤S31的三维数值计算模型通过FLAC3D计算盾构隧道与出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降、出入场线隧道围岩压力不同释放率时股道的沉降与10m弦测高低差以及按照核心土台阶法施工时，随着掌子面向铁路股道推进，股道沉降与线路轨道10m弦测量的高低偏，计算结果如下：

盾构隧道施工对铁路股道的影响：盾构左线隧道以及盾构右线隧道开挖后，股道沿纵向竖向位移曲线如图17所示，盾构左线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.033mm，盾构右线隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.041mm，出入场线(暗挖)隧道开挖后既有铁路桥最大沉降为0.048mm，均远远小于控制值5mm，且盾构隧道与既有铁路桥主要处于中风化砂岩地层中，自稳性较好，所以认为隧道施工对桩基影响较小，能够保证既有铁路桥安全。

矿山法暗挖隧道对铁路股道的影响：结果如图18所示，通过计算结果可以看出，出入场线隧道开挖时围岩压力释放率越大，股道产生的沉降越大，出入场线隧道围岩压力释放100％时，产生的最大沉降为-3.85mm，10m弦测量的高低差为1.23mm，出入场线隧道围岩压力释放80％时，产生的最大沉降为-3.05mm，10m弦测量的高低差为0.97mm，综合位移控制标准，即使当施工控制围岩压力释放率为100％时，依然可以保证上部铁路股道的运营安全。

暗挖矿山法隧道施工对铁路股道与桥台的变形影响：结果如图19所示，按照核心土台阶法施工时，随着掌子面向铁路股道推进，股道沉降逐渐增加，出入场线隧道开挖完成后股道最大沉降为2.33mm。线路轨道10m弦测量的高低偏差为0.81mm，且股道最大横向差异沉降仅有0.26mm。综合考虑位移控制标准，当按照核心土台阶法施工时，能保证上部股道运营安全。

S4.对步骤S1获取的隧道整体安全系数、步骤S2获取的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及步骤S3中所获取的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形进行综合比较分析。

通过以上三个步骤形成砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路变形影响的成套分析方法，通过结合强度折减数值计算模型得到的隧道整体安全系数、塌落拱数值计算模型得到的后建隧道的开挖对先建隧道影响安全系数以及精细化三维数值计算模型得到的围岩变形与近接既有铁路与桥台的结构变形所获得结果与既有安全标准进行比较，当所有结果均符合既有安全标准时，说明在砂卵石地层中盾构隧道下穿既有铁路是安全的，当进行地铁区间隧道以及出入场线隧道施工前，结合本分析方法可大大降低施工难度，节省人力物力，保证了地铁区间隧道以及出入场线隧道在后续施工过程中铁路结构和运营安全。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。