一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法与流程

本发明涉及一种沉降预测方法。特别是涉及一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法。

背景技术：

近几年来，城市轨道交通的已进入大发展时期，目前我国已经有28个城市的地铁建设项目获得批复，城市轨道交通以其快速、安全、低碳的巨大优势，注定将改变人民的出行方式，成为人民出行方式的首选。在世界各国的城市地下铁道等地下基础设施的建设中，主要釆用盾构法施工。根据日本1991年对东京、大阪等主要城市的统计，在总延长75224米的城市隧道工程中，矿山法的比例占6.1％、盾构法占60.9％、明挖法占33％。目前35个国家和地区的80多座城市修建的290条总长约6000km的地下铁道线路，基本上是利用盾构法施工完成的。盾构作为一种主要的地下空间开发技术，盾构法以其适用范围广；机械化程度高，施工速度快；隧道断面准确；对环境影响时间较短；防水工程施工方便，质量较好等优点已经在我国各个城市地铁建设中得到广泛应用。

为满足人民的出行需要，城市轨道交通与其他交通方式的衔接己经成为城市轨道交通规划中的重要考虑因素。让旅客进出站及换乘其他交通工具的路径最短、最便利，也已经成为国铁站的基本设计理念。目前国铁站都向着立体化交通模式的方向发展，与市政交通实现了无缝连接。由于各种公交方式与国铁站建设时间上的不同步性或规划的不合理性，使得越来越多的城市轨道交通不可避免下穿国铁站。比如，2005年采用矿山法施工的南京地铁1号线南京站下穿南京火车站铁路站场；2006年成都地铁1号线红花-火车北站区间盾构隧道下穿成都火车北站；2009年北京地铁大兴线黄村火车站-义和庄站盾构区间下穿黄村火车站内京沪、京九等12股铁路及站内铁路接触网塔、站台与雨棚、通信发射塔、车站站房、车站派出所等多个建构筑物；2011年长沙地铁2号线锦泰广场站长沙火车站盾构区间下穿京广铁路和长沙火车站等。

新建或改建铁路采用隧道下穿跨越既有铁路和公路的优势十分突出，但隧道施工不可避免的会对既有铁路和公路地基产生扰动，必然会产生不同程度的地层沉降，从而引起既有铁路路基和轨道及既有公路路基和路面产生变形，不仅对铁路施工和周边环境的安全产生不利影响，而且会影响既有线路的安全运营，严重的会造成既有铁路和公路的破坏，引起较大的安全事故和造成较大的经济损失。因此，研究铁路隧道下穿既有道路引起的沉降变形规律和隧道、道路相互作用机理、科学制定新建铁路线下穿既有铁路和公路施工引起的沉降控制标准，通过对新建铁路线下穿既有铁路引起的地表铁路设施的沉降进行预测研究，从而采取相应的沉降控制技术措施和沉降监测控制技术，以减轻、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影响是十分必要的。我国正处于城市轨道交通大发展时期，今后将会有更多的地铁区间隧道穿越既有国铁站，这方面的研究对以后类似工程的设计、施工提供重要的理论及实践指导。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种对工程的设计和施工具有一定指导意义的地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)运用有限元软件中的ABAQUS软件建立土层-路基-铁路结构三维计算模型，计算既有铁路基础及轨道的竖向沉降位移；

2)整理地铁隧道的现场实际下穿施工资料，包括地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制指标和沉降实测值数据；结合数值分析的结果，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律；

3)根据地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础的变形影响规律，并基于施工工程中既有铁路变形控制指标体系对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的规定要求，根据步骤2)中总结归纳出的地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律对不同隧道埋深、不同开挖方式的既有铁路基础及轨道的变形进行预测，通过预测值与基于施工工程中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，若预测值超过沉降控制指标，则反过来对盾构参数、开挖方式以及开挖埋深进行调整，直至满足控制指标要求；若预测值满足沉降控制指标，则预测合理。

2.根据权利要求1所述的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，其特征在于，步骤1)中在建立土层-路基-线路结构三维计算模型中要针对不同隧道埋深、不同开挖方式，分别对铁路基础、轨道的变形和应力进行数值计算，分析既有铁路基础及轨道的变形规律。

3.根据权利要求2所述的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，其特征在于，所述的分析既有铁路基础变形规律包括：根据步骤1)中得到的铁路基础的竖向沉降位移，利用origin绘图软件绘出铁路基础竖向沉降位移随施工开挖步的变形曲线。

4.根据权利要求2所述的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，其特征在于，所述的轨道的变形规律包括：根据步骤1)中得到的轨道竖向沉降位移，利用origin绘图软件绘出轨道竖向沉降位移随施工开挖步的变形曲线。

5.根据权利要求1所述的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，其特征在于，步骤3)完成后，在地铁隧道下穿施工过程中，进行安装既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中既有铁路基础及轨道的竖向沉降量进行监测，将监测值与步骤3)中的预测值进行对比分析，当实施监测的沉降量超过所述预测值，则发出报警，说明预测值出现失误，则重复步骤1)～步骤3)；否则，则表明预测是合理的。

本发明的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，采用数值分析与既有典型工程实例相互对比验证的方式，全面归纳总结了地铁隧道下穿施工引起的既有铁路设施变形破坏模式、沉降变形规律、沉降变形影响，通过对地铁隧道下穿施工引起的既有铁路设施变形数值模拟结果进行预测既有铁路设施的沉降数值范围，从而提前采取相应合理的盾构参数进行隧洞开挖、地表设施沉降控制技术措施以及沉降监测控制技术，以减轻、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影响。

附图说明

图1是土层-路基-线路结构的三维计算模型示意图；

图2是路基监测点布置图；

图3是有限元预测值与监测值对比曲线；

图4是双线隧道与整体基床、钢轨位置关系示意图；

图5是路基竖向变形曲线示意图；

图6是钢轨竖向变形曲线示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法做出详细说明。

本发明的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法采用大型通用有限元软件ABAQUS作为计算工具，应用生死单元法来模拟盾构的开挖掘进过程；土体采用Mohr-Coulomb本构进行模拟；用线弹性本构模拟混凝土衬砌。盾构隧洞的施工过程可概括为工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙注浆充填几个步骤，工作面开挖和衬砌的拼装交替进行，直至整条隧洞完成。土体的开挖过程模拟如下：

(1)首先施加土体自重及边界约束，移除衬砌、注浆等支护单元，得到隧洞开挖前的初始应力。

(2)根据有限元方法的原理，用杀死和激活相应的单元来模拟开挖与支护过程，杀死土体单元，激活衬砌单元及注浆单元。

本发明的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，具体包括如下步骤：

1)运用有限元软件中的ABAQUS软件建立土层-路基-铁路结构三维计算模型，计算既有铁路基础及轨道的竖向沉降位移；

中在建立土层-路基-线路结构三维计算模型中要针对不同隧道埋深、不同开挖方式，分别对铁路基础、轨道的变形和应力进行数值计算，分析既有铁路基础及轨道的变形规律。其中，

所述的分析既有铁路基础变形规律包括：根据步骤1)中得到的铁路基础的竖向沉降位移，利用origin绘图软件绘出铁路基础竖向沉降位移随施工开挖步的变形曲线。

所述的轨道的变形规律包括：根据步骤1)中得到的轨道竖向沉降位移，利用origin绘图软件绘出轨道竖向沉降位移随施工开挖步的变形曲线。

2)整理地铁隧道的现场实际下穿施工资料，包括地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降控制指标和沉降实测值数据；结合数值分析的结果，总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律；

3)根据地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础的变形影响规律，并基于施工工程中既有铁路变形控制指标体系对轨道静态几何尺寸、动态质量容许偏差管理的规定要求，根据步骤2)中总结归纳出的地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律对不同隧道埋深、不同开挖方式的既有铁路基础及轨道的变形进行预测，通过预测值与基于施工工程中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，若预测值超过沉降控制指标，则反过来对盾构参数、开挖方式以及开挖埋深进行调整，直至满足控制指标要求；若预测值满足沉降控制指标，则预测合理。

步骤3)完成后，为了对以本发明方法的预测值的准确性进行验证，在地铁隧道下穿施工过程中，进行安装既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中既有铁路基础及轨道的竖向沉降量进行监测，将监测值与步骤3)中的预测值进行对比分析，当实施监测的沉降量超过所述预测值，则发出报警，说明预测值出现失误，则重复步骤1)～步骤3)；否则，则表明预测是合理的。

由图3给出的路基变形特征参量——路基竖向变形量预测值与实时监测值的对比去曲线不难发现：本发明提出的通过有限元数值模拟根据不同埋深、不同开挖方式以及盾构参数得出的一种地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法具有较强的适用性，根据实际情况对于不同施工方案的工程，均能获得较为相近的数值预算结果。

下面给出具体实例：

(一)本实例中建立土层-路基-线路结构三维计算模型，以天津地铁6号线为例，如图1所示，双线隧道与整体基床、钢轨位置关系如图4所示，模型计算尺寸的选取主要考虑边界效应、计算效率和计算速度。隧道断面、混凝土强度的取值参考《铁路路基设计规范》、《地铁设计规范》等，土体本构模型选用符合Mohr-Coulomb准则的弹塑性模型。

(二)收集整理国内部分城市地铁隧道下穿铁路的工程资料，收集到的资料主要包括地质条件、施工方法、断面形式及尺寸、埋深以及施工过程中沉降计算值与沉降实测值等数据。收集到的下穿施工地质条件主要为土质隧道，隧道下穿施工方法以矿山法和盾构施工方法为主。总结归纳地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础及轨道的变形影响规律；

(三)结合数值仿真计算和实际工程资料，总结归纳出地铁隧道下穿施工时隧道开挖对既有铁路基础的变形影响规律。当地铁隧道下穿既有铁路施工时，线路基础变形和既有铁路变形规律一致，可不考虑基础与线路的脱空现象，开挖面距离线路中心1倍洞泾前至通过线路中心2倍洞泾后的沉降量约为总沉降量的68％。既有铁路的基础沿线路方向的沉降曲线符合高斯曲线分布，路基竖向变形、轨道竖向变形曲线如图5、图6所示，地铁隧道埋深较浅时，沉降槽表现为窄而深，随着地铁隧道埋深的增加，沉降槽表现为宽而浅。

(四)在既有铁路现场布设人工或自动化监测设备，对下穿施工过程中沿线的线表面沉降量和沉降变形速率进行监测，监测点布置可在线路的轨枕中布设一排断面，该断面在京沪铁路正上方，断面上布置六个测点，分别位于两条隧道轴线及两侧位置，如图2所示。

(五)将监测值与所述沉降预测值进行对比，当实时监测的沉降量或沉降变形速率与预测值相差不大，则表示以上预测方法适用性较好，若相差较大，则反过来进行合理优化。

本发明专利提供的地铁隧道盾构下穿既有铁路设施的沉降预测方法，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的包含范围之内。