近距离下穿既有铁路线路基沉降控制和规律研究

冀文有 曹树森 吕玉凯

(中车建设工程有限公司，北京 100078)



近距离下穿既有铁路线路基沉降控制和规律研究

冀文有 曹树森 吕玉凯

(中车建设工程有限公司，北京 100078)

基于沉降理论，计算了重庆轨道交通四号线近距离下穿既有铁路线路路基沉降值，从铁路线加固、隧道开挖方式、支护处理等方面，提出了下穿施工沉降控制措施，经监测结果表明，该控制措施取得了良好的施工效果。

隧道，铁路路基，沉降变形，施工监测

0 引言

地铁隧道施工下穿既有铁路线时，由于隧道开挖产生的应力释放和路基下沉，严重影响既有线列车的正常、安全运营；如何采取有效措施来控制既有铁路线路基下沉变形量，是保证安全运营的关键环节；与此同时，既有线路为重要运输路线，对路基变形要求严格，这也增大了隧道下穿的难度。国内外众多学者基于理论分析[1，2]、数值模拟[3，4]、相似模拟、现场试验[5，6]等手段，对施工进行了大量的研究。理论分析虽然可以从整体上把握规律，但由于岩石力学问题的复杂性，要得到解析解往往较困难；数值方法虽不受场地限制、求解速度快、可以模拟研究各种情况下的变化规律，但实际效果需要现场实施来验证；相似模拟试验在定量分析方面还有一定的困难；现场实测工作量大，人力物力耗用多，研究周期长，受多种因素影响，不易掌握内部规律；现有大多下穿既有线路基工程下沉量大多笼统的定义为不超过±3 mm[7]，该数值不一定能够满足现场实际要求。

为此，文章采用了理论分析、施工措施制定及现场监测相结合的方法，研究了近距离下穿既有铁路线路基沉降控制方法及沉降变形规律。

1 工程概况

重庆轨道交通四号线以夹角149°、左线里程K13+743～K13+733.5、右线 K13+764～K13+754.5 下穿沪蓉铁路线路基；除渡线断面外其余段为单洞单线隧道，按新奥法原理设计，采用钻爆法施工。

在两线交叉段路基处每隔4 m布设1个测点，共计18个。路基段上覆土层较薄，下伏基岩以侏罗系中统沙溪庙组砂质泥岩为主，夹薄层砂岩，岩体较完整～完整，围岩基本分级为Ⅳ级；地下水赋存形式以基岩裂隙水为主，隧道正常单位涌水大约为5.29 L/(10 m·min)，地下水状态为Ⅰ级。

2 沉降理论

沿垂直隧道走向，Peck沉降曲线近似于高斯正态分布，如图1所示；而沿隧道轴向，沉降曲线近似于一个指数函数曲线。随着工作面向前推进，沉降槽呈船形向前不断开展。

隧道下穿地表横向沉降值如式(1)：

(1)

式中：S(x)——距离隧道中心线为x处的地表沉降值；

Smax——隧道中心线处地表最大沉降值；

x——距隧道中心线的水平距离；

i——地表沉降槽宽度系数，即沉降槽曲线反弯点至隧道中心线的水平距离。

公式需要确定Smax和i两个参数。因为地表沉降槽的体积应等于地层损失Vi的体积，可以通过对式(1)积分得到：

(2)

由式(2)推导出：

(3)

对于地表沉降槽宽度系数i，国内外研究的较多，一般的可以表示为[1]:

(4)

即:

(5)

式中：D——隧道直径；

Z0——隧道中心至地表深度。

代入现场设计参数，可以得到i值为:

W为沉降槽宽度，cording(美国)等人根据摩尔库伦理论推导出W=5i的关系。根据Peck沉降曲线规律，由轨道前后高低不平顺序决定的允许沉降为：

[Smax]=W[δ]/L

(6)

式中：[δ]——铁路轨道允许10 m弦量测的最大矢度值；

L——量测弦长，取10 m。

计算所得允许沉降值为2.44 mm。

3 施工措施

为了保证区间隧道下穿既有铁路线路基的施工安全及铁路线的正常运行，结合国内外相关下沉控制成功案例[8-10]，制定本工程下穿施工措施如下：

1)对既有铁路线路基进行预加固处理。

隧道施工前，地表采取袖筏管注浆、钢管桩隔离等措施，对既有铁路线进行预加固处理。

2)合理选择隧道开挖方式。

下穿隧道在交叉点的前后沿纵轴线30 m范围内采用非爆破开挖施工，最大限度地减少围岩扰动；严格控制开挖进尺，每循环不超过0.5 m。

3)对既有线正下方段隧道加强支护处理。

对交叉点前后各10 m范围，采用地纵梁将铁路架空；隧道施工采取设置超前小导管、加强初期支护参数和二次衬砌、初支和二衬背后及时回填注浆等措施，以控制上方铁路隧道的沉降。

4)加强施工监测，并及时反馈。

在隧道施工过程中，要进行监控量测，依据现场量测数据，必要时调整支护参数及工法，以确保既有铁路和隧道自身的结构安全和正常使用。

4 监测结果

由图2可知，四号线左线先从A7测点正下方下穿沪蓉铁路路基，从B7测点正下方穿出；11月7日左线开挖距离A7有15.96 m，11月19日抵达A7，11月26日穿过B7；左线隧道下穿既有铁路引起的路基纵向沉降变形规律为：下沉→鼓起→急剧鼓起(急剧下沉)→鼓起(下沉)→平稳状态。A7测点前6.65 m(0.91D)时，路基开始下沉；B7测点前21.47 m(2.95D)路基开始下沉，之后反弹，然后急剧下沉直到下沉稳定。若是在下穿前，路基是鼓起(下沉)状态，下穿后路基将继续鼓起(下沉)。

由图3可知，四号线右线先从A2测点正下方进入，从B2测点正下方穿出。2015年11月7日开挖至A2测点16.66 m；11月21日开挖至A2测点，11月29日开挖至B2测点；图3可以发现：路基底鼓超前影响范围为10.64 m(1.46D)，下沉超前影响范围为26.16 m(3.59D)，掘进工作面过测点9.5 m～13.09 m(1.30D～1.80D)左右底鼓量最大，过测点3.57 m～7.98 m(0.49D～1.10D)范围，沉降最大。路基前期沉降一般发生在距离掌子面前方2.95D～3.59D范围，过测点0.49D～1.8D下沉量最大。

由图4可知，两隧道中间部分基底位移变化范围要大于其他位置，由于该位置处于两隧道沉降槽重合区域，该结论也符合Peck沉降理论。沉降变形槽的中心处于两条隧道之间，并明显靠近后推进的右线隧道。

5 结语

1)通过理论公式推导计算得出区间隧道下穿沪蓉铁路线路基最大下沉量为±2.44 mm，为后续控制变形提供了精确的理论解。

2)施工前对既有铁路进行预加固处理，下穿隧道采用非爆破开挖进行施工，对既有线正下方段隧道加强支护处理，加强施工监测，并及时反馈，经现场验证，上述措施可以有效控制路基下沉变形。

3)隧道下穿既有铁路引起的路基沉降变形特征：下沉→鼓起→急剧鼓起(急剧下沉)→鼓起(下沉)→平稳状态；底鼓超前影响范围为1.46D，经过测点1.30D～1.80D底鼓量达到最大值，测点后2.77D趋于稳定；沉降超前影响范围为3.59D，经过测点0.49D～1.10D沉降量最大，过测点1.26D，沉降值趋于稳定。隧道下穿既有铁路引起的路基横向沉降变形特征：对于单洞单线隧道，变形没有表现出明显的正态高斯分布特征，两隧道中间部分基底位移变化范围要大于其他位置，沉降变形槽的中心处于两条隧道之间，并明显靠近后推进的右线隧道。

[1] Loganathan N,Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movements in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1998(9):846-856.

[2] 吕培林，周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学，2007,28(2)：12-16.

[3] 徐干成，李成学，王后裕,等.地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析[J].岩土力学，2009,30(S2)：269-273.

[4] 霍军帅，王炳龙，周顺华.地铁盾构隧道下穿城际铁路地基加固方案安全性分析[J].中国铁道科学，2011,32(5)：71-77.

[5] 田海波，宋天田.轨道交通9号线下穿铁路工程风险及对策研究[J].地下空间与工程学报，2007,3(1)：147-150.

[6] 韩 煊，刘赪炜，Jamie R.Standing.隧道下穿既有线的案例分析与沉降分析方法[J].土木工程学报，2012,45(1)：134-141.

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[9] 坂卷清.纵穿运营线下方超浅埋深盾构隧道的掘进实例——筑波、三支轮隧道[A].中日铁路技术交流年会论文集[C].2004.

[10] 沈 周.双线土质隧道穿越既有铁路地段施工技术[J].长沙铁道学院院报，2003,21(2)：60-64.

Subgrade settlement control and law research of close under-crossing existing railway line

Ji Wenyou Cao Shusen Lv Yukai

(ZhongcheConstructionEngineeringCo.,Ltd,Beijing100078,China)

Based on settlement theory, calculates subgrade settlement value of close under-crossing existing railway line of Chongqing rail transit line No.4, starting from aspects of railway line reinforcement, tunnel excavation methods and support treatment, it puts forward under-crossing construction settlement control measures. The monitoring results show that: the above-mentioned control measure achieves great construction effect.

tunnel, railway subgrade, settlement deformation, construction monitoring

1009-6825(2016)10-0117-03

2016-01-25

冀文有(1966- )，男，高级工程师

U416.1

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