软土地区盾构下穿施工对铁路路基影响分析——以杭州地铁2号线某区间现场监测为例

邹 浩， 陈金国

(湖北省地质局第三地质大队， 湖北 黄冈 438000)

0 引言

随着城市轨道交通的进一步发展，盾构隧道下穿既有铁路路基的工程逐步增多。盾构掘进将不可避免地引起邻近土体扰动变形，从而导致铁路路基隆起或沉降。在盾构穿越既有铁路路基时，隧道施工引起的路基变形超过其承载极限，将导致铁路轨道结构弯曲变形、扭曲等一系列不良后果，对既有铁路的安全及运营造成危害，严重者将导致列车脱轨、人员伤亡等恶性事故。

为了探究盾构下穿施工对既有铁路路基的影响，众多学者采用多种研究手段进行了深入的分析。李林等[1]介绍上海轨道交通9号线盾构下穿南新铁路干线过程中，既有线路的位移变化，指出在盾构到达与盾尾脱出阶段监测点沉降速率最大。吕培林等[2]通过现场监测数据分析盾构隧道下穿既有铁路线路沉降变化特点，并发现盾构通过后，线路后续沉降持续发展。季大雪[3]通过Peck经验公式法及有限元法计算了盾构推进对武九铁路的沉降影响，并提出一系列保护铁路措施。任建喜等[4]以黄土地区城市地铁2号线盾构下穿陇海铁路线路为工程背景，通过三维FLAC建模，研究不同的盾构施工参数对既有线路的影响。魏嘉翀[5]以北京铁路盾构下穿既有铁路与地道工程为例，运用ANSYS有限元软件分析盾构穿越对既有铁路影响分析，并与现场监测进行对比。汤怀凯[6]依托长株潭城际铁路树木岭盾构隧道下穿京广铁路工程，指出通过地表注浆加固、盾尾注浆及盾构试验掘进等一系列措施可以有效控制施工地表沉降。刘莎莎[7]通过数值模拟的方法分析地铁隧道施工下穿和接近对既有铁路路基沉降变形的影响。曾铁梅等[8]通过在地表线路和轨枕上布置沉降测点并跟踪施工进程进行监测，探讨盾构隧道下穿国铁线路股道可能出现的风险因素及影响。霍军帅等[9]分析了在盾构隧道下穿施工时，城际铁路地基采用板+桩组合结构形式的加固方案是能够保证运营安全的。傅江华[10]依托武汉地铁 3 号线盾构隧道下穿合武下行高铁线，分析探讨了盾构施工对铁路沉降的影响规律及范围。王小林等[11]重点分析了隧道利用半断面深孔注浆时，不同的注浆半径对地层所起到的加固效果。

综上所述，盾构掘进与铁路线路相互影响工程基本集中于地铁修建起步较早地区，如上海、北京等地。而杭州市地下轨道交通建设近几年刚刚起步，盾构下穿既有铁路路基工程相关经验较少。目前，尚没有关于杭州地区盾构下穿既有铁路线路的相关报道。

本文结合杭州地铁2号线某区间下穿沪昆铁路路基工程现场监测结果，分析盾构下穿过程中对既有铁路路基的影响，并对不同位置铁路路基变形特性进行分析。

1 工程背景

1.1 工程概况

盾构隧道区间与既有铁路线路相交平面如图1所示。杭州地铁某区间隧道左线与既有沪昆铁路线路呈85°角相交，采用盾构法施工。盾构为日本小松机械公司生产的土压平衡盾构,外径为6.34 m，机体长8.68 m。隧道管片为预制钢筋混凝土管片，其强度等级为C50，抗渗等级为S10。隧道外径为6.2 m，内径为5.5 m。隧道衬砌由6块管片错缝拼装而成(其中3块标准块，2块相邻块及1块封顶块)。管片之间纵向及环向均采用高强度螺栓连接。既有铁道线路为电气化有砟轨道线路，由上行线及下行线2条轨道线路组成。铁路路基为碎石道床，梯形断面，并高于路基坡脚3 m左右。行车轨道为P60无缝钢轨，采用混凝土枕，两线路间距为4.2 m。在盾构穿越段，既有铁路呈直线平行延伸。沪昆铁路为货运、客运两用线路，线路繁忙。若隧道施工引起路基过大位移，将影响列车运行的平顺性，严重者将导致车辆出轨、倾覆等一系列恶性事故。谨慎施工、严格控制盾构扰动位移是保证铁路安全运营的重要措施。

图1铁路路基与隧道设计线路相对位置及监测断面布置(单位： m)

Fig. 1 Plane view of relative position between railway subgrade and tunnel designed route and layout of monitoring points(unit: m)

1.2 地质情况

施工场地为典型软弱土层，从上到下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、砂质粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土及粉质黏土。地下水在地表下约1 m。各层土层典型物理力学指标如表1所示。隧道轴线位于地表下 16.5 m，主要穿越④2淤泥质粉质黏土和⑤2层粉质黏土。由表1可知，④2淤泥质粉质黏土和⑤2层粉质黏土具有含水量大、渗透性差及承载力低等特点。在盾构掘进切削作用下，将扰动邻近土体，导致邻近土体承载力下降，从而引起较大的地表沉降变形。盾构下穿既有线路段地质剖面如图2所示。

表1 场地主要土层物理力学指标

图2 盾构下穿铁路路基剖面图

1.3 施工监测方案

为实时掌握盾构施工引起铁路路基变形情况，制定了一系列的施工监测方案。工程中路基位移监测点布置情况如图3所示。铁路路基坡脚、路基路肩及轨道分别布设若干位移监测点，各个监测线方向与线路直线平行。根据施工监测结果，可及时调整盾构施工参数，优化施工方法，减少施工扰动，确保盾构顺利通过，保障既有线路安全运营。

图3 监测点布置图(单位： m)

2 监测结果分析

2.1 盾构开挖面土压力计算与实测

Lee等[12]、梁荣柱等[13]指出在软土地层盾构施工，土压力设置将对地表位移产生较大的影响。当开挖面土压值设置大于静止侧向土压力将导致开挖面前方地表隆起，反之，将导致前方地表沉降。盾构下穿过程中实测土压力平均值变化曲线如图4所示。

图4 实测与计算盾构切口轴线处土压力

Fig. 4 Comparison of soil pressure at axis of shield tunnel between field monitoring and calculation results

铁路路基的存在将对下卧层产生附加荷载。路基基础可假定为条形分布荷载，假定下卧地基为各向同性均质弹性体，由Boussineseq解可以求得在路基均布条形荷载下的附加应力

(1)

式中：Fdξdη为地表无穷小处作用力；x、y、z为半无限体中所求点坐标；Ω为积分区域。

叠加既有地层有效应力可以得到隧道轴线处静止侧向土压力

(2)

式中:γi为第i层土重度；Hi为第i层土厚度；K0为静止侧向土压力系数，在软土地层中取0.5。

结合式(1)、式(2)及地层情况，可得到考虑铁路路基附加荷载作用的侧向静止土压力沿隧道轴线处分布曲线，如图4所示。可以看出，在盾构到达前5 m时，盾构实测土压力略小于静止侧向土压力；在盾构到达路基及下穿铁路路基过程中，盾构实测土压力大于静止侧向土压力。在盾构切口位于路基正下方时，土压力达到最大(178 kPa)，大于计算值(164.4 kPa) 13.6 kPa。盾构脱离铁路路基后，土压力值基本与静止侧向土压力相等。

2.2 轨道及路基地表位移分析

上、下行线每根钢轨上均布置有竖向位移监测点。根据监测点编号特点，可以分为E、F、G、H条轨道位移监测段面。盾构穿越施工过程中，上、下行线轨道竖向位移变化曲线如图5和图6所示。结合盾构切口与监测断面的相对关系，可以把轨道竖向位移变化曲线大致分为盾构到达前、穿越中及通过后3个阶段。

(a) E断面监测点

(b) F断面监测点

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图5上行线轨道竖向位移

Fig. 5 Vertical displacements of up-line railway tracks

(a) G断面监测点

(b) H断面监测点

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图6下行线轨道竖向位移

Fig. 6 Vertical displacements of down-line railway tracks

对比上、下行线轨道位移情况，发现在盾构到达前上行线的监测点以沉降为主，而下行线监测点产生不同程度的隆起位移。分析原因如下： 1)在到达路基前一段距离，实测土压力略小于静止侧向土压力，导致深层土体向盾构方向移动，从而导致地表沉降发生； 2)在盾构穿越路基过程中，实测土压力明显大于静止侧向土压力，深层土体受盾构挤压，地表隆起。

盾构穿越监测断面过程中，均引起地表明显的隆起变形。分析原因如下： 1)在软土地层中，盾构往往产生“背土”现象，导致邻近土体隆起位移； 2)在盾构摩阻力作用下，亦致使周围土体背离盾构方向运动，导致地表隆起[14-15]； 3)当同步注浆压力大于静止侧向压力时，往往引起地表的隆起变形。

盾构通过后，地表测点沉降持续发生。在盾构通过后1～2 d，地表沉降急剧增加，最大沉降值超过5 mm，这可能是由于盾构脱离管片后，受扰动地层向隧道管片收缩移动产生的。尽管在盾构脱离前注入一定体积的水泥浆液，但短时间内浆液尚未完全固结，难以提供足够的支护力[13]。此外，隧道邻近土体遭受盾构反复切削、挤压及注浆压力等作用，导致软土结构损坏，强度明显下降。在盾构脱离后，采用了注浆加固，但地表沉降发展较快。在盾构通过2 d后，为了遏制轨道快速沉降的趋势，及时进行了二次注浆。在二次注浆的作用下，轨道位移略有隆起。此外，同步注浆浆液逐步固结，也一定程度减少了地层位移的进一步发展。对比上行线轨道各个测点，发现越靠近盾构轴线的测点沉降发展越快。分析原因如下： 越靠近盾构处，土体在盾构切削作用下，强度下降越大，导致地层位移越明显。相比于上行线，下行线沉降变形相对平缓。

盾构各个阶段轨道横向沉降变化如图7所示。可以看出： 1)距离盾构轴线越近，隆起/沉降位移越大； 2)离盾构越近，地层扰动破坏越严重，导致沉降也越大。对比两线路最终沉降，发现上行线沉降量及影响范围均略大于下行线。其原因是靠近下行线的二次注浆质量略好于上行线，从而明显减少了轨道的沉降变形。

(a) 上行线

(b) 下行线

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图7轨道横向位移

Fig. 7 Transversal displacements of railway tracks

2.3 坡脚位移分析

盾构下穿铁路路基坡脚过程中上、下行线坡脚位移监测点竖向位移变化曲线如图8所示，横向位移变化曲线如图9所示。与轨道变形一致，坡脚监测点位移变化曲线也可根据与盾构的相对位置划分为盾构到达前、穿越中及通过后3个阶段。

(a) 上行线坡脚

(b) 下行线坡脚

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图8坡脚竖向位移

Fig. 8 Vertical displacements of subgrade slope toes

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图9坡脚横向位移

Fig. 9 Transversal displacements of subgrade slope toes

2.3.1 盾构到达前位移分析

2.3.1.1 竖向位移

由图8可知： 1)在盾构到达前，上行线坡脚产生隆起，其中最大隆起变形量为1.87 mm； 2)下行线监测点在盾构到达前基本为沉降，最大沉降量达到2 mm。分析原因如下： 1)在盾构接近铁路路基前，土压力设置值较大，约170 kPa，略大于实际静止侧向土压力； 2)在盾构下穿过程中，及时调整土压力设置值，造成轨道隆起变形过大，从而导致坡脚位置产生沉降。

2.3.1.2 横向位移

由图9可知： 在盾构达到前，上行线测点均产生隆起，下行线均为沉降。

2.3.2 盾构穿越中位移分析

在盾构下穿过程中，上行线坡脚各个测点均发生隆起。由图8可知： 1)越靠近隧道轴线的隆起值越大，最大隆起量达到10 mm； 2)相对于上行线坡脚位移曲线，下行线坡脚发生先沉降后隆起的变化过程。分析原因如下： 可能是刚进入下行线坡脚时，同步注浆压力控制较差，没有考虑到路基作用的附加作用力，导致注浆效果不明显，而随后加大了同步注浆压力，导致了测点产生不同程度的隆起。

2.3.3 盾构通过后位移分析

在盾构脱离上行线坡脚处，各个测点缓慢下沉，并在盾构通过后5 d，各个测点的位移变化规律基本趋于平缓。而在下行线坡脚处，在盾构脱离后，坡脚沉降急剧发展，最大沉降量达到7 mm。为保证坡脚稳定，避免路基产生过大位移，及时组织二次注浆。由于二次注浆压力较大，最大注浆压力达到350 kPa，各个测点产生较大隆起，最大隆起位移达到 8.4 mm。随后各个测点沉降缓慢沉降，在二次注浆后5 d基本趋于平缓。

对比下穿两坡脚施工过程，可以看出： 1)在进入铁路路基前，对施工作用下路基响应预测性不足，导致盾构掘进参数对路基的扰动较大，导致坡脚较大的隆起变形。2)由监测结果反馈施工，盾构掘进参数不断优化调整，总结出一套控制性能好的施工参数，实现了施工的精细化，进一步减少对地层的扰动影响。下行线坡脚最终沉降最大值为1 mm，远小于上行线坡脚的最大沉降值(4.38 mm)。整体而言，下行线坡脚位移较为平缓，没有上行线起伏大。

2.4 路肩位移分析

上、下行线路肩竖向位移曲线如图10所示。与轨道、坡脚类似，可根据盾构与监测点的相对位置划分为盾构到达前、穿越中及通过后3个阶段。其变形规律与上述轨道、坡脚监测点基本一致，不再赘述。盾构推进各个阶段路肩横向位移曲线如图11所示。可以看出： 盾构到达前及盾构通过2个阶段，路肩监测点以隆起为主，盾构通过后产生沉降，表现为越靠近隧道轴线处隆起及沉降变形越大，随着距离增加而逐渐减少。路肩最终沉降形态类似于正态曲线，可以通过Peck[16]提出的沉降槽拟合公式进行拟合。

(a) 上行线路肩

(b) 下行线路肩

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图10铁路路肩竖向位移

Fig. 10 Vertical displacements of railway shoulder

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图11铁路路肩横向位移

Fig. 11 Transversal displacements of railway shoulder

铁路路基各监测断面最大隆起量对比分析如图12所示。盾构掘进过程中，通过每一环管片的掘进施工参数略有不同，引起的地层扰动亦有所差别，但是总体而言盾构施工参数是稳定的，不同位置的测点与其所处的路基位置密切相关。其中盾构掘进引起的监测点最大隆起量大致能反映不同位置的位移特点。可以看出： 1)最大隆起变形量坡脚>路肩>轨道。2)上、下行线坡脚位置隆起均大于路肩。其原因可能是路基碎石填充体对地层位移具有调整作用，使传递到路基上的位移量减少。3)位于路基的轨道隆起均小于路肩隆起值。其原因可能是铁路轨道具有一定的抗弯刚度，在一定程度上对地层隆起有一定的抵抗能力。

位移为正表示隆起； 位移为负表示沉降。

图12各个位置监测断面最大隆起量对比

Fig. 12 Comparison of maximum heave among different monitoring cross-sections

2.5 监测数据分析

通过上述监测过程的数据监控，选取轨道、坡脚和路肩的最终沉降量横向监测数据进行分析。监测数据对比分析结果如表2所示。可以看出： 轨道横向位移的最终沉降，上行线沉降量及影响范围均略大于下行线。其原因是靠近下行线的二次注浆质量略好于上行线，从而明显减少了轨道的沉降变形。坡脚横向位移最终沉降表现为上行线测点产生隆起，下行线测点由隆起转为沉降。路肩横向位移最终沉降，基本上越靠近隧道轴线处隆起及沉降变形越大，随着距离增加而逐渐减少。

通过施工监测，可以比较监测数据与预测值，从而判断施工工艺、施工参数是否符合预期要求，以优化施工参数，做好信息化施工。通过分析地表沉降，将其结果应用于信息化施工，并反馈优化设计，使设计优质安全、施工快捷及经济合理。

3 结论与讨论

1)不同断面监测点的位移曲线均可根据与盾构相对位置关系，大致分为盾构到达前、盾构穿越及盾构通过后3个阶段。在盾构到达前，土压力的设置对各个断面测试点位移情况有重要作用。当盾构土舱压力大于静止侧向土压力，将导致测点隆起；反之，将导致测点沉降。在盾构通过过程中，由于盾构“背土”掘进、盾体摩阻力及同步注浆作用，将导致地表测点隆起。在盾构通过后，由于同步注入浆液尚未固结及扰动土体强度下降，各个断面测点将持续发生沉降。

表2 监测数据对比分析

2) 路基碎石填充体对地层位移具有调整作用，路肩隆起小于坡脚隆起。而铁路轨道具有一定的抗弯刚度，在一定程度上减少了地层隆起，故其隆起值略小于路肩隆起量。

3)对地表沉降的监测是盾构施工过程中非常重要的一项工作，施工的变形与沉降无法完全控制，但根据地表变形的控制要求,采取有效的措施来减小沉降，使周边环境稳定，是必须也是能够做到的。同时，施工监测有利于及时反馈盾构掘进效果，优化掘进参数，从而减少施工对地层的扰动，保证盾构顺利掘进通过铁路路基。

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