地铁盾构区间下穿既有铁路的安全评估

姜智平

(中铁工程设计咨询集团有限公司城交院，北京 100055)

随着我国城市建设的高速发展，地铁以其速度快、运载能力大、污染小、充分提高地下空间利用率等优点在城市交通系统中占有越来越重要的地位。地铁工程建设的理论和技术在工程实践中不断发展和完善。

地铁施工将引起地层沉降，进而影响周边建筑物的稳定和安全。本文以天津地铁3号线天津站站至金狮桥站区间下穿京津城际、津山铁路工程为例，开展盾构工程对既有铁路影响的安全评估及工程对策研究。

1 工程概况

1.1 天津地铁3号线天津站站～金狮桥站区间概况

天津站站—金狮桥站区间为双洞单线区间，采用盾构法施工，盾构管片外径6.20 m，厚度0.35 m，管片内径为5.50 m，环宽1.2 m。区间设计起止里程为:右DK14+668.004 ～ 右 DK15+879.5m，长 度为1 211.496 m(左线长度为1 202.379 m)。

区间设置了半径为R=400、R=450、R=1 500的平曲线，从金狮桥站出发后区间线路依次采用30‰、9.118‰、3‰的纵坡一路下坡直至天津站站。区间隧道顶部最大埋深22.5 m，最小埋深为7.1 m。区间穿越铁路区段平面为直线段、纵坡坡度为9.118‰。

1.2 盾构区间线路与铁路线路位置关系

津山铁路为双线铁路，地面线，与隧道基本正交，交角为89°。隧道下穿津山铁路时的埋深约17.8 m，下穿铁路段长约22 m。天津站站～金狮桥站区间下穿津山铁路的平、纵断面关系，如图1、图2所示。

京津城际为双线铁路，在地面以上有高约5 m的路基，路基顶宽13.4 m，底宽27.0 m，采用CFG桩对基底进行了加固处理，CFG桩长14.5 m，桩底端距离隧道结构顶约为2 m。桩上依次为15 cm厚碎石垫层、1.5～2.8 m厚填土、1.9 m厚AB组土和0.6 m厚级配碎石。铁路与隧道基本正交，交角为86°。隧道下穿京津城际时的埋深约21.3 m，下穿铁路段长约22 m。天津站站～金狮桥站区间下穿京津城际的平、纵断面关系，如图1、图2所示。

1.3 施工步序

区间采用两台盾构机一前一后从金狮桥站始发向天津站站方向掘进施工，左线盾构率先下穿既有铁路完成后，右线盾构始发，直至穿越风险地段。

盾构下穿既有铁路段，线路处于直线上，掘进前进方向为9.118‰的下坡。推进速度控制在30～40 mm/min，同步注浆量不小于5.5 m3，二次跟踪注浆控制在脱出盾尾4～5环范围，单次注入每环不少于1 m3，同时根据沉降变化情况及时进行补充注浆。

图1 盾构区间下穿京津城际、津山铁路平面示意

图2 盾构区间下穿京津城际、津山铁路纵断面示意(单位:m)

2 工程地质、水文概况

2.1 地质岩性

区间范围内地层主要为第四系全新统人工填土层(人工堆积Qml)、新近沉积层(第四系全新统新近沉积层Q43Nal)、第Ⅰ陆相层(第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积Q43al)、第Ⅰ海相层(第四系全新统中组浅海相沉积Q42m)、第Ⅱ陆相层(第四系全新统下组沼泽相沉积层Q41h、河床～河漫滩相沉积Q41al)、第Ⅲ陆相层(第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积Q3eal)、第Ⅱ海相层(第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积Q3dmc)、第Ⅳ陆相层(第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积Q3cal)、第Ⅲ海相层(第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积Q3bm)、第Ⅴ陆相层(第四系上更新统一组河床 ～河漫滩相沉积Q3aal)。

区间盾构从金狮桥站向天津站站方向掘进过程中穿越的地层主要为:⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土、⑥2粉土、⑦1粉质黏土、⑦2粉土、⑦4粉砂。津山铁路和京津城际铁路处所处地层主要为:⑥1粉质黏土、⑥2粉土、⑦1粉质黏土、⑦4粉砂层。

2.2 水文条件

区间内表层地下水类型为第四系孔隙潜水;赋存于第Ⅱ陆相层中及其以下粉砂及粉土层中的地下水具有微承压性，为微承压水。

地下水的温度，埋深在5 m范围内随气温变化，5 m以下随深度略有递增，一般为14～16℃。

潜水主要赋存于人工填土层①1杂填土、第Ⅰ陆相层③层及第Ⅰ海相层④层中的黏性土及粉土中，该水层以⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土为相对隔水底板。人工填土层为①1杂填土和①2素填土，土体结构松散，含水量丰富，土层渗透系数大。第Ⅰ陆相层局部缺失，以③2粉土为主，土体渗透性能较好，土层渗透系数较大。第Ⅰ海相层主要含水层为④2粉土。④1粉质黏土中夹有大量粉土薄层，储水量较大，但出水量较小，垂直、水平方向渗透系数差异较大。

潜水地下水位埋藏较浅，勘测期间水位埋深约为1.1～3.2 m(高程0.20～1.44 m)。潜水主要依靠大气降水入渗和地表水体入渗补给，水位具有明显的丰、枯水期变化，受季节影响明显。地下水丰水期水位上升，枯水期水位下降。高水位期出现在雨季后期的9月份，低水位期出现在干旱少雨的4～5月份。潜水位年变化幅度的多年平均值约0.8 m。

微承压水以第Ⅱ陆相层⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土为隔水顶板。⑥2粉土、⑥4粉砂、⑦2粉土、⑦4粉砂、⑦6粉土、⑦8粉砂、⑦9细砂、⑧4粉砂为主要含水地层，含水层厚度较大，分布相对稳定。微承压水水位受季节影响不大，水位变化幅度小。该层微承压水接受上层潜水的越流补给，同时以渗流的方式补给深层地下水。该层微承压水为非典型的承压水，水位观测初期，该层水上升很快，一般在30 min之内既完成全部上升高度的80%左右，30 min之后，水位上升速度变缓慢，经过24 h之后，稳定水位一般稳定于潜水位之下。勘测期间对第Ⅲ陆相层及第Ⅳ陆相层的微承压水进行了稳定水位观测，水位埋深分别约为2.93 m(高程为-0.17 m)和5.30 m(高程为-2.54 m)。其承压水头为隔水顶板到稳定水位距离。

潜水、微承压水含水层含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。

经取水样试验分析，潜水对混凝土结构具中等腐蚀性，对混凝土中的钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性;微承压水对混凝土结构具中等腐蚀性，对混凝土中钢筋不具腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

3 盾构下穿铁路地表沉降计算

3.1 分析计算的思路及原则

采用“地层-结构”模型，模拟盾构下穿既有铁路工程的情况，分析盾构通过后铁路路基沉降的变化。

3.2 模型计算

3.2.1 模型范围

根据地铁3号线区间隧道与既有铁路线间的位置关系，依据有关规范要求及以往经验，考虑减少数值模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，确保计算结果的可信性，评估范围在地铁区间隧道水平方向宽度取64 m，在竖直方向上取41 m，线路纵向取102 m，隧道埋深取17 m(为简化设计模型，结合地层地质情况，保守选取下穿影响范围内的埋深较小值)，隧道结构外侧各取22 m。具体计算模型参见图3。

图3 计算模型

3.2.2 计算参数

数值模型中的地层划分及土体力学参数取值如表1所示。

表1 计算参数取值

3.2.3 盾构隧道施工模拟

(1)单元体及本构模型的选用:本模型土层和CFG桩加固层采用Drucker-Prager屈服准则的理想弹塑性模型，盾构管片、管片后注浆层、盾壳采用弹性本构模型。

(2)铁路路基及列车荷载的模拟:根据规范要求，按照换算土柱高度产生的自重沿铁路线加载到地表上。

(3)盾构管片、管片后注浆层、盾壳的模拟:盾构管片、管片后注浆层分别采用两层厚度不同的环形实体单元模拟。其中管片厚350 mm，注浆层厚150 mm。此外，为了模拟盾构机在隧道内的推进，借用开挖面与盾尾之间的注浆层单元来模拟盾构机的盾壳。细部详见图4，图中绿色环形单元为管片单元，橙色环形单元为注浆层和盾壳单元。

(4)施工前初始阶段模拟:令模型在自重及列车荷载作用下平衡并产生初始应力场，并把各节点位移清零。

(5)盾构机推进过程模拟:盾构机长取9.4 m，每一步推进为1个管片的宽度(1.2 m)，盾构机对开挖面的土舱压力取值约等于隧道开挖面中心处静止土压力。

(6)管片安装时盾尾空隙的模拟:当盾构机全部进入土体后，在盾构机尾部滞后一个管片宽的长度位置实施管片安装及管片背后注浆的模拟。

(7)监测点布置在隧道下穿影响范围内的既有铁路中线上，监测总长度约为60 m。

3.2.4 计算结果分析

盾构先掘进左线，后掘进右线，计算所得双线开挖完成后沿既有铁路方向地表的沉降槽云图和沉降值曲线，如图5、图6所示。

如图5、图6所示，沿铁路方向，地表最大沉降发生在两隧道对称面与铁路路基交线位置处，京津城际铁路和津山铁路的最大沉降值分别为7.3 mm和6.91 mm。

图6 沿津山铁路方向地表沉降

4 结论和建议

4.1 施工过程对既有铁路控制指标

为确保既有京津城际、津山铁路的正常运营安全，正线轨道静态平顺度铺设精度应满足《高速铁路设计规范(试行)》、《新建时速300～350 km客运专线铁路设计暂行规定》及《铁路轨道设计规范》的规定。在地铁施工过程中，京津城际及津山铁路的路基变形控制标准为:地面沉降值8 mm，地表隆起值0 mm，地表沉降速率不大于1 mm/d。轨道的静态变形控制标准按表2、表3执行。

表2 施工过程中京津城际轨道静态变形控制标准

表3 施工过程中津山铁路轨道静态变形控制标准

4.2 区间下穿铁路沉降评估分析

(1)由理论模型所计算得出的既有线路沉降值，符合经验及规范要求。

(2)盾构区间下穿津山铁路的覆土深度达到17.8 m，下穿京津城际的覆土深度达到21.3 m，深度较大，地面沉降控制相对容易，沉降量相对较小。

(3)针对已超过差异沉降限值(表2、表3)的局部地段，需及时跟踪，调整轨道的平顺度，保证铁路的正常运营安全。

4.3 施工注意事项

(1)盾构机下穿铁路前，应对盾构机进行全面检查、维修和保养，使盾构机及后配套系统的工作处于良好和受控状态。

(2)下穿铁路段地下水具微承压性，在进行该段盾构的掘进施工时，应考虑向土仓内注入泡沫剂、膨润土等以提高渣土的流动性和止水性。同时在螺旋输送机出口栓接保压泵渣装置建立土压平衡状态，并加强盾尾密封油脂注入，避免地下水压力过大而在螺旋输送机出口发生喷涌及盾尾密封、铰接密封处发生涌水、突泥。

(3)确定合理的盾构施工参数。在施工中，应根据地面监测情况，不断优化盾构施工的各种技术参数，确定合理的推进速度、土仓压力、出土量等。保证盾构在掘进过程中的定位走向与设计轴线尽可能一致，减小盾构纠偏量。在管片拼装时，要严防盾构后退。

(4)地铁盾构施工应采用同步注浆和二次注浆技术。要根据实际情况，严格控制同步注浆及二次注浆的注浆时间、注浆压力和注浆量，及时填充盾尾孔隙并加固管片周围地层。同步注浆和二次注浆是控制地表沉降的主要手段，对抑制施工变形效果良好。

(5)应加强监控量测，施工中必须建立“数据收集—信息处理—工程评价反馈系统”。对监测数据必须及时整理分析，具备实时分析数据、综合利用数据的能力。并依据信息的使用效果提供工程评价，并及时调整施工参数和施工工艺。

(6)施工期间继续对既有结构、铁路线路、轨道进行监测。当发现危险征兆且难于控制时，应立即启动应急预案。

(7)预备石砟，当沉降量超过限值，应立即铺砟调整轨道高度。

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