本發(fā)明涉及一種沉降預(yù)測方法。特別是涉及一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

近幾年來，城市軌道交通的已進入大發(fā)展時期，目前我國已經(jīng)有28個城市的地鐵建設(shè)項目獲得批復(fù)，城市軌道交通以其快速、安全、低碳的巨大優(yōu)勢，注定將改變?nèi)嗣竦某鲂蟹绞剑蔀槿嗣癯鲂蟹绞降氖走x。在世界各國的城市地下鐵道等地下基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，主要釆用盾構(gòu)法施工。根據(jù)日本1991年對東京、大阪等主要城市的統(tǒng)計，在總延長75224米的城市隧道工程中，礦山法的比例占6.1％、盾構(gòu)法占60.9％、明挖法占33％。目前35個國家和地區(qū)的80多座城市修建的290條總長約6000km的地下鐵道線路，基本上是利用盾構(gòu)法施工完成的。盾構(gòu)作為一種主要的地下空間開發(fā)技術(shù)，盾構(gòu)法以其適用范圍廣；機械化程度高，施工速度快；隧道斷面準(zhǔn)確；對環(huán)境影響時間較短；防水工程施工方便，質(zhì)量較好等優(yōu)點已經(jīng)在我國各個城市地鐵建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

為滿足人民的出行需要，城市軌道交通與其他交通方式的銜接己經(jīng)成為城市軌道交通規(guī)劃中的重要考慮因素。讓旅客進出站及換乘其他交通工具的路徑最短、最便利，也已經(jīng)成為國鐵站的基本設(shè)計理念。目前國鐵站都向著立體化交通模式的方向發(fā)展，與市政交通實現(xiàn)了無縫連接。由于各種公交方式與國鐵站建設(shè)時間上的不同步性或規(guī)劃的不合理性，使得越來越多的城市軌道交通不可避免下穿國鐵站。比如，2005年采用礦山法施工的南京地鐵1號線南京站下穿南京火車站鐵路站場；2006年成都地鐵1號線紅花-火車北站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿成都火車北站；2009年北京地鐵大興線黃村火車站-義和莊站盾構(gòu)區(qū)間下穿黃村火車站內(nèi)京滬、京九等12股鐵路及站內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)塔、站臺與雨棚、通信發(fā)射塔、車站站房、車站派出所等多個建構(gòu)筑物；2011年長沙地鐵2號線錦泰廣場站長沙火車站盾構(gòu)區(qū)間下穿京廣鐵路和長沙火車站等。

新建或改建鐵路采用隧道下穿跨越既有鐵路和公路的優(yōu)勢十分突出，但隧道施工不可避免的會對既有鐵路和公路地基產(chǎn)生擾動，必然會產(chǎn)生不同程度的地層沉降，從而引起既有鐵路路基和軌道及既有公路路基和路面產(chǎn)生變形，不僅對鐵路施工和周邊環(huán)境的安全產(chǎn)生不利影響，而且會影響既有線路的安全運營，嚴(yán)重的會造成既有鐵路和公路的破壞，引起較大的安全事故和造成較大的經(jīng)濟損失。因此，研究鐵路隧道下穿既有道路引起的沉降變形規(guī)律和隧道、道路相互作用機理、科學(xué)制定新建鐵路線下穿既有鐵路和公路施工引起的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，通過對新建鐵路線下穿既有鐵路引起的地表鐵路設(shè)施的沉降進行預(yù)測研究，從而采取相應(yīng)的沉降控制技術(shù)措施和沉降監(jiān)測控制技術(shù)，以減輕、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影響是十分必要的。我國正處于城市軌道交通大發(fā)展時期，今后將會有更多的地鐵區(qū)間隧道穿越既有國鐵站，這方面的研究對以后類似工程的設(shè)計、施工提供重要的理論及實踐指導(dǎo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種對工程的設(shè)計和施工具有一定指導(dǎo)意義的地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)運用有限元軟件中的ABAQUS軟件建立土層-路基-鐵路結(jié)構(gòu)三維計算模型，計算既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的豎向沉降位移；

2)整理地鐵隧道的現(xiàn)場實際下穿施工資料，包括地質(zhì)條件、施工方法、斷面形式及尺寸、埋深以及施工過程中沉降控制指標(biāo)和沉降實測值數(shù)據(jù)；結(jié)合數(shù)值分析的結(jié)果，總結(jié)歸納地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形影響規(guī)律；

3)根據(jù)地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)的變形影響規(guī)律，并基于施工工程中既有鐵路變形控制指標(biāo)體系對軌道靜態(tài)幾何尺寸、動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理的規(guī)定要求，根據(jù)步驟2)中總結(jié)歸納出的地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形影響規(guī)律對不同隧道埋深、不同開挖方式的既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形進行預(yù)測，通過預(yù)測值與基于施工工程中既有鐵路變形控制指標(biāo)體系中規(guī)定的沉降控制指標(biāo)進行對比，若預(yù)測值超過沉降控制指標(biāo)，則反過來對盾構(gòu)參數(shù)、開挖方式以及開挖埋深進行調(diào)整，直至滿足控制指標(biāo)要求；若預(yù)測值滿足沉降控制指標(biāo)，則預(yù)測合理。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，其特征在于，步驟1)中在建立土層-路基-線路結(jié)構(gòu)三維計算模型中要針對不同隧道埋深、不同開挖方式，分別對鐵路基礎(chǔ)、軌道的變形和應(yīng)力進行數(shù)值計算，分析既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形規(guī)律。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，其特征在于，所述的分析既有鐵路基礎(chǔ)變形規(guī)律包括：根據(jù)步驟1)中得到的鐵路基礎(chǔ)的豎向沉降位移，利用origin繪圖軟件繪出鐵路基礎(chǔ)豎向沉降位移隨施工開挖步的變形曲線。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，其特征在于，所述的軌道的變形規(guī)律包括：根據(jù)步驟1)中得到的軌道豎向沉降位移，利用origin繪圖軟件繪出軌道豎向沉降位移隨施工開挖步的變形曲線。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，其特征在于，步驟3)完成后，在地鐵隧道下穿施工過程中，進行安裝既有鐵路現(xiàn)場布設(shè)人工或自動化監(jiān)測設(shè)備，對下穿施工過程中既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的豎向沉降量進行監(jiān)測，將監(jiān)測值與步驟3)中的預(yù)測值進行對比分析，當(dāng)實施監(jiān)測的沉降量超過所述預(yù)測值，則發(fā)出報警，說明預(yù)測值出現(xiàn)失誤，則重復(fù)步驟1)～步驟3)；否則，則表明預(yù)測是合理的。

本發(fā)明的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，采用數(shù)值分析與既有典型工程實例相互對比驗證的方式，全面歸納總結(jié)了地鐵隧道下穿施工引起的既有鐵路設(shè)施變形破壞模式、沉降變形規(guī)律、沉降變形影響，通過對地鐵隧道下穿施工引起的既有鐵路設(shè)施變形數(shù)值模擬結(jié)果進行預(yù)測既有鐵路設(shè)施的沉降數(shù)值范圍，從而提前采取相應(yīng)合理的盾構(gòu)參數(shù)進行隧洞開挖、地表設(shè)施沉降控制技術(shù)措施以及沉降監(jiān)測控制技術(shù)，以減輕、消除和避免由于施工引起地表沉降的不利影響。

附圖說明

圖1是土層-路基-線路結(jié)構(gòu)的三維計算模型示意圖；

圖2是路基監(jiān)測點布置圖；

圖3是有限元預(yù)測值與監(jiān)測值對比曲線；

圖4是雙線隧道與整體基床、鋼軌位置關(guān)系示意圖；

圖5是路基豎向變形曲線示意圖；

圖6是鋼軌豎向變形曲線示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法做出詳細(xì)說明。

本發(fā)明的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法采用大型通用有限元軟件ABAQUS作為計算工具，應(yīng)用生死單元法來模擬盾構(gòu)的開挖掘進過程；土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)進行模擬；用線彈性本構(gòu)模擬混凝土襯砌。盾構(gòu)隧洞的施工過程可概括為工作面開挖、盾尾襯砌環(huán)的拼裝和盾尾空隙注漿充填幾個步驟，工作面開挖和襯砌的拼裝交替進行，直至整條隧洞完成。土體的開挖過程模擬如下：

(1)首先施加土體自重及邊界約束，移除襯砌、注漿等支護單元，得到隧洞開挖前的初始應(yīng)力。

(2)根據(jù)有限元方法的原理，用殺死和激活相應(yīng)的單元來模擬開挖與支護過程，殺死土體單元，激活襯砌單元及注漿單元。

本發(fā)明的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，具體包括如下步驟：

1)運用有限元軟件中的ABAQUS軟件建立土層-路基-鐵路結(jié)構(gòu)三維計算模型，計算既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的豎向沉降位移；

中在建立土層-路基-線路結(jié)構(gòu)三維計算模型中要針對不同隧道埋深、不同開挖方式，分別對鐵路基礎(chǔ)、軌道的變形和應(yīng)力進行數(shù)值計算，分析既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形規(guī)律。其中，

所述的分析既有鐵路基礎(chǔ)變形規(guī)律包括：根據(jù)步驟1)中得到的鐵路基礎(chǔ)的豎向沉降位移，利用origin繪圖軟件繪出鐵路基礎(chǔ)豎向沉降位移隨施工開挖步的變形曲線。

所述的軌道的變形規(guī)律包括：根據(jù)步驟1)中得到的軌道豎向沉降位移，利用origin繪圖軟件繪出軌道豎向沉降位移隨施工開挖步的變形曲線。

2)整理地鐵隧道的現(xiàn)場實際下穿施工資料，包括地質(zhì)條件、施工方法、斷面形式及尺寸、埋深以及施工過程中沉降控制指標(biāo)和沉降實測值數(shù)據(jù)；結(jié)合數(shù)值分析的結(jié)果，總結(jié)歸納地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形影響規(guī)律；

3)根據(jù)地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)的變形影響規(guī)律，并基于施工工程中既有鐵路變形控制指標(biāo)體系對軌道靜態(tài)幾何尺寸、動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理的規(guī)定要求，根據(jù)步驟2)中總結(jié)歸納出的地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形影響規(guī)律對不同隧道埋深、不同開挖方式的既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形進行預(yù)測，通過預(yù)測值與基于施工工程中既有鐵路變形控制指標(biāo)體系中規(guī)定的沉降控制指標(biāo)進行對比，若預(yù)測值超過沉降控制指標(biāo)，則反過來對盾構(gòu)參數(shù)、開挖方式以及開挖埋深進行調(diào)整，直至滿足控制指標(biāo)要求；若預(yù)測值滿足沉降控制指標(biāo)，則預(yù)測合理。

步驟3)完成后，為了對以本發(fā)明方法的預(yù)測值的準(zhǔn)確性進行驗證，在地鐵隧道下穿施工過程中，進行安裝既有鐵路現(xiàn)場布設(shè)人工或自動化監(jiān)測設(shè)備，對下穿施工過程中既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的豎向沉降量進行監(jiān)測，將監(jiān)測值與步驟3)中的預(yù)測值進行對比分析，當(dāng)實施監(jiān)測的沉降量超過所述預(yù)測值，則發(fā)出報警，說明預(yù)測值出現(xiàn)失誤，則重復(fù)步驟1)～步驟3)；否則，則表明預(yù)測是合理的。

由圖3給出的路基變形特征參量——路基豎向變形量預(yù)測值與實時監(jiān)測值的對比去曲線不難發(fā)現(xiàn)：本發(fā)明提出的通過有限元數(shù)值模擬根據(jù)不同埋深、不同開挖方式以及盾構(gòu)參數(shù)得出的一種地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法具有較強的適用性，根據(jù)實際情況對于不同施工方案的工程，均能獲得較為相近的數(shù)值預(yù)算結(jié)果。

下面給出具體實例：

(一)本實例中建立土層-路基-線路結(jié)構(gòu)三維計算模型，以天津地鐵6號線為例，如圖1所示，雙線隧道與整體基床、鋼軌位置關(guān)系如圖4所示，模型計算尺寸的選取主要考慮邊界效應(yīng)、計算效率和計算速度。隧道斷面、混凝土強度的取值參考《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》、《地鐵設(shè)計規(guī)范》等，土體本構(gòu)模型選用符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的彈塑性模型。

(二)收集整理國內(nèi)部分城市地鐵隧道下穿鐵路的工程資料，收集到的資料主要包括地質(zhì)條件、施工方法、斷面形式及尺寸、埋深以及施工過程中沉降計算值與沉降實測值等數(shù)據(jù)。收集到的下穿施工地質(zhì)條件主要為土質(zhì)隧道，隧道下穿施工方法以礦山法和盾構(gòu)施工方法為主?？偨Y(jié)歸納地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)及軌道的變形影響規(guī)律；

(三)結(jié)合數(shù)值仿真計算和實際工程資料，總結(jié)歸納出地鐵隧道下穿施工時隧道開挖對既有鐵路基礎(chǔ)的變形影響規(guī)律。當(dāng)?shù)罔F隧道下穿既有鐵路施工時，線路基礎(chǔ)變形和既有鐵路變形規(guī)律一致，可不考慮基礎(chǔ)與線路的脫空現(xiàn)象，開挖面距離線路中心1倍洞涇前至通過線路中心2倍洞涇后的沉降量約為總沉降量的68％。既有鐵路的基礎(chǔ)沿線路方向的沉降曲線符合高斯曲線分布，路基豎向變形、軌道豎向變形曲線如圖5、圖6所示，地鐵隧道埋深較淺時，沉降槽表現(xiàn)為窄而深，隨著地鐵隧道埋深的增加，沉降槽表現(xiàn)為寬而淺。

(四)在既有鐵路現(xiàn)場布設(shè)人工或自動化監(jiān)測設(shè)備，對下穿施工過程中沿線的線表面沉降量和沉降變形速率進行監(jiān)測，監(jiān)測點布置可在線路的軌枕中布設(shè)一排斷面，該斷面在京滬鐵路正上方，斷面上布置六個測點，分別位于兩條隧道軸線及兩側(cè)位置，如圖2所示。

(五)將監(jiān)測值與所述沉降預(yù)測值進行對比，當(dāng)實時監(jiān)測的沉降量或沉降變形速率與預(yù)測值相差不大，則表示以上預(yù)測方法適用性較好，若相差較大，則反過來進行合理優(yōu)化。

本發(fā)明專利提供的地鐵隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路設(shè)施的沉降預(yù)測方法，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。