地铁区间隧道下穿福厦铁路风险分析

何志军

(中铁四局集团有限公司，合肥 230023)

厦门地铁4号线下穿福厦铁路施工期间，必须确保福厦铁路不限速﹑不停运，这对地铁施工与设计提出了较高的要求，目前国内隧道下穿铁路已经具备一定的经验与成果。

以矿山法隧道下穿铁路为例，隧道下穿纺织城铁路专线时，王鸣晓[1]采用桩基础进行轨道加固。隧道下穿既有沪昆铁路路基时，石扬钊等[2]采用CD法施工，并辅以洞内大管棚进行超前预支护；袁良远等[3]则采用分段延时爆破等一系列减振技术措施。张俊[4]以长春市快速轨道交通下穿轨道结构为工程背景，研究掌子面加固、拱部注浆加固、锁脚锚杆与普通锚杆对沉降的控制作用；袁竹[5]则研究管棚、注浆锚管与超前小导管对轨道高低偏差的影响。蔺云宏等[6]通过三维计算得出，列车荷载对地表沉降的影响大于隧道施工。

再以盾构法隧道下穿铁路为例，天津地铁6号线穿越复兴河及陈塘庄货运铁路时，李坤[7]以压密注浆及高压旋喷桩对铁路路基及两侧土体进行加固。深圳地铁5号线下穿平南铁路时，李昊勇等[8]通过打设1排φ600 mm钢管桩，并在顶部增设1排预应力锚索来加固路基。庞山等[9]对主加固区采用高压旋喷桩加固，对次加固区采用压密注浆加固。上海地铁9号线下穿南新环铁路时，郑余朝等[10]采用分块加固方案，轨道正下方的加固土的强度及刚度最高，远离轨道逐渐降低。北京地铁盾构区间穿越京通铁路时，刘亚辉[11]合理选用土压，并控制推进速度、同步注浆、二次补偿注浆等掘进参数。武汉长江隧道盾构下穿武九铁路时，季大雪[12]对比实测数据与数值模拟数据得出，施工阶段引起地面沉降主要因素是施工导致地层损失，但在盾构通过后较长一段时间后续沉降持续增大，后续沉降占总沉降的比重更大。地铁下穿高速铁路时，蔡小培等[13]研究结论为：沉降最大值发生在两隧道中间，盾构开挖面位于线路中心线正下方时，轨道沉降变形速率、两股钢轨沉降差和钢轨横向位移最大。

本文分析厦门地铁4号线区间隧道施工对福厦铁路路基的影响。

1 工程概况

厦门地铁4号线为环湾快线，区间隧道下穿福厦铁路的里程桩号为：右SDK3+000～右SDK3+155，与福厦铁路的交角约为36°，线路整体呈东西走向，平面位于R=800 m的右拐曲线上，左右线分别采用6.603‰与6.62‰的上坡，区间隧道左、右线结构顶距福厦铁路路基的距离分别为23.52 m与23.48 m。区间隧道与福厦铁路的相互位置关系如图1所示。根据南昌铁路局关于下穿铁路项目的要求及类似工程案例，本区段采用盾构法施工，隧道内径6.0 m，管片厚35 cm，环宽1.5 m，每环设置6块管片(1块封顶块，2块邻接块，3块标准块)，错缝拼装并采用弯螺栓连接，环缝处设置分布式凹凸榫，纵缝不设置凹凸榫。

2 工程地质及水文地质

2.1 工程地质

工程沿线覆盖层主要为第四系全新统人工填土、冲洪积硬塑状粉质黏土、中砂以及上更新统坡积、残积粉质黏土等；下伏基岩为上侏罗统南园组陆相凝灰熔岩以及燕山期侵入的花岗岩等。区间隧道下穿福厦铁路段的地层属于原始地貌属残丘台地～山前洼地硬土区，地形较为平坦，地层从上至下主要为素填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩及碎裂状强风化花岗岩，地质纵剖面如图2所示，区间隧道下穿铁路段地层物理力学性能指标见表1。

2.2 水文地质

按赋存介质，场区地下水可分为三大类：赋存于第四系土层中的松散土类孔隙水，包括人工填土中上层滞水及孔隙潜水，赋存于残积层及全、散体状强风化带中的风化残积孔隙裂隙水、赋存于碎裂状强风化～中、微风化带的基岩裂隙水及断层构造裂隙水。松散岩类孔隙水主要接受大气降水垂直下渗补给，水量有限。基岩裂隙水受其他类型地下水的入渗补给，其径流严格受节理裂隙形态控制，无统一水面。基岩风化残积孔隙裂隙水除接受第四系土层中的松散土类孔隙水补给外，尚有基岩裂隙水的侧向补给或托顶上渗补给，基岩裂隙水与上覆地层水利联系密切。

图2 区间隧道下穿福厦铁路地质纵剖面(单位：m)

岩土名称密度/(g·cm-3)孔隙比(e)压缩系数(a1-2)/MPa-1压缩模量(Es1-2)/MPa变形模量(E0)/MPa快剪黏聚力(c)/kPa内摩擦角(φ)/(°)综合内摩擦角(φc)/(°)素填土QS1.920.730.345.077.4320.1617.78—粉质黏土4Qdl1.900.740.277.1714.5024.0125.84—残积砂质黏性土Qel1.870.840.325.8615.0026.430.41—全风化花岗岩γsh11.910.750.267.1326.0028.4829.3235.00散体状强风化花岗岩γsh11.84———45.00——35.00碎裂状强风化花岗岩γsh12.52———90.00——40.00

3 风险源识别

福厦铁路起于福州站，终于厦门站，以客运为主、兼顾货运，铁路等级为国铁Ⅰ级，设计速度250 km/h。由于该段区间为Ⅴ级围岩，且隧道洞身处于散体状强风化花岗岩，遇水易软化、崩解、强度急剧降低，而福厦铁路要求地表累计沉降量不超过8 mm[14]，根据城市轨道交通地下工程建设风险管理规范[15]，风险级别为Ⅰ级，属于重大风险源，应采取工程措施减少人员伤亡、经济损失及对环境与社会的影响。

4 工程措施

4.1 采用土压平衡盾构进行隧道掘进施工

(1)合理设置土压力：以盾构切口处的围岩有微小的隆起来控制土压力值，严格控制与切口处的土压力相关的施工参数，如出土量、总推力等。

(2)盾构推进速度控制：盾构推进速度宜控制在15～25 mm/min，每天掘进量宜为4～6环，并根据地表沉降值调整推进速度。

(3)出土量控制：每环管片的出土量与地面沉降息息相关，土体损失量应控制在0.2%～0.3%，如控制不当可能出现正面围岩失稳，所以必须在土压平衡状态下控制每环的出土量，应为理论出土量的97%～98%。

(4)盾构姿态控制：盾构推进的过程中严禁大量纠偏，左右千斤顶的压力差不宜太大，防止“蛇形推进”，应控制隧道轴线与盾构轴线的折角变化不超过0.4%。

(5)管片拼装控制：准确进行管片的定位，拼装的过程中防止盾构后退，拼装结束后应立即恢复推进以减少土体沉降。

4.2 控制同步注浆、二次注浆与补浆的质量

(1)同步注浆可以尽快充填管片与围岩的间隙，防止地面变形过大。注浆范围应为管片外侧0.15 m，但应保证一定的充盈系数，根据类似工程经验，充盈系数宜控制在1.5～2.0，注浆速度宜控制在2.25～3.75 m3/h。

(2)二次注浆可以起到加强与止水的作用，应在拼装4环管片后及时进行，注浆压力以控制地面沉降与管片偏移值较小为宜。

(3)如果地表某一监测点的沉降速率大于0.8 mm/d，则立即对监测点对应的地下隧道管片两侧各5环的管片进行补浆处理，注浆压力控制在0.25～0.30 MPa，24 h补浆1次，直到此几环管片对应的地表监测点的沉降速率小于1 mm/周。

4.3 对盾构隧道下穿处铁路进行加固

如图3所示，对福厦铁路盾构下穿段线路采用两跨D24型钢便梁进行加固，两端各设置12 m的扣轨加固段进行过渡，以保证施工期间动车荷载由灌注桩传至更深的地层中，不影响地铁区间的施工安全，且线路钢轨架设于钢便梁上，确保地铁施工期间铁路行车安全。

图3 福厦铁路地铁盾构下穿段线路加固示意(单位：m)

4.4 加强施工监测，做好信息化施工工作

必须做好盾构施工期间的监测工作。根据监测结果及时调整盾构土压力、推进速度、注浆量等施工参数，并进一步根据监测结果验证效果，从而反复循环，以保证福厦铁路行车安全。

对轨道沉降设定预警值作为施工安全判别标准。项目监测按“分区、分级、分阶段”的原则制定监控量测控制标准，按黄色、橙色和红色三级预警进行反馈和控制。

(1)黄色预警：绝对值和速率值双控指标均达到控制值的70%；或双控指标之一达到控制值的85%。

(2)橙色预警：绝对值和速率值双控指标均达到控制值的85%；或双控指标之一达到控制值。

(3)红色预警：绝对值和速率值双控指标均达到控制值。

5 数值模拟

5.1 有限元模型

通过建立包含铁路路基、地层及隧道的三维模型，模拟分析盾构隧道施工对福厦铁路的影响。根据现场实际情况及三维模拟过程中空间效应，确定本次有限元数值模拟计算边界为区间隧道中线两侧各50 m范围内长度，采用实体单元模拟围岩，采用板单元模拟管片结构。计算模型采用Mohr-Coulomb屈服准则，有限元模型如图4所示，有限元网格采用六面体为主的混合网格，除顶面为自由面外，其余5个面均设置法向约束。

施工阶段的模拟与工程实际情况一致，先开挖区间隧道左线再开挖右线。

荷载主要包括结构自重、围岩自重、列车中-活载与施工期间地面超载20 kPa。为简化计算模型，列车荷载均布在福厦铁路路基表面，D24型钢便梁未参与计算，仅作为安全储备。

图4 区间隧道下穿福厦铁路有限元模型

5.2 计算参数

隧道周边围岩力学参数如表1所示。管片采用C50高强混凝土，力学参数如表2所示。隧道同步注浆采用1∶1水泥浆，二次注浆采用水泥-水玻璃的双液浆，注浆加固后的围岩力学参数如表3所示。

表2 管片结构力学参数

表3 注浆加固后的围岩力学参数

5.3 区间隧道开挖对福厦铁路的影响

(1)隧道开挖周边岩土体应力重分布

隧道开挖前，满足地应力平衡，应力从地表往下逐渐增加，如图5所示。隧道开挖后，应力发生了重分布，隧道周边由于岩土体的变形而产生应力释放，如图6所示，由于隧道埋深较大，应力重分布范围未扩散至福厦铁路路基，即对福厦铁路的影响很小。

图5 初始应力场分布

图6 区间隧道开挖应力重分布

(2)隧道开挖周边岩土体变形分析

隧道开挖后，盾构区间周边围岩发生了不同程度的位移，如图7、图8所示。但各个施工步骤，围岩位移的绝对量值而言均较小，区间全部开挖完毕后，周边围岩最大下沉量仅2.4 mm。

图7 左线开挖周边岩土体变形

图8 右线开挖周边岩土体变形

(3)隧道开挖福厦铁路沉降分析

隧道开挖后，福厦铁路的变形如图9、图10所示，福厦铁路在区间隧道下穿段存在1条沉降槽，沉降槽范围以外变形很小，福厦铁路最大下沉量为0.98 mm，位移很小，满足行车的安全性与舒适度的要求。

图9 左线开挖福厦铁路变形

图10 右线开挖福厦铁路变形

图11 地铁隧道纵向地表沉降曲线

沿隧道纵向的地表沉降如图11所示。由图11可知，左、右线区间隧道施工后，地表沉降平均值分别为0.62、0.93 mm，即左线隧道施工已完成总沉降的2/3，右线隧道施工完成总沉降的1/3，且沿隧道纵向沉降大小相近。沿福厦铁路纵向的地表沉降如图12所示。

图12 福厦铁路纵向地表沉降曲线

由图12可知，左线隧道施工后福厦铁路在左线隧道正上方存在1条沉降槽，沉降曲线呈三次抛物线形，沉降最大值与沿隧道纵向方向的数值一致；右线隧道施工后福厦铁路沉降槽的位置向右移动，最低点在左右线隧道之间，沉降曲线呈二次抛物线，沉降最大值与沿隧道纵向方向的数值一致。

6 风险评估

针对区间隧道下穿福厦铁路路基Ⅰ级风险源采取相应的工程安全措施，通过有限元计算可知，风险等级可降为Ⅲ级，风险评估详见表4。

表4 厦门地铁4号线下穿福厦铁路风险评估

7 结论与建议

根据厦门地铁4号线区间隧道与福厦铁路路基的位置关系、结构特点及地层情况等资料建立的三维数值模型，主要结论如下。

(1)区间隧道下穿福厦铁路路基采用盾构法施工是可行的，本文依托工程所采用的工程安全措施是有效的。

(2)区间隧道开挖引起周围岩土体应力重分布与变形，由于采取了盾构法施工、土体改良及轨道加固等措施，应力重分布与变形影响范围较小。

(3)福厦铁路在区间下穿段存在1条沉降槽，最大位移仅0.98 mm，不影响铁路行车安全。

(4)左线隧道施工后福厦铁路路基的沉降槽曲线呈三次抛物线，右线隧道施工后，沉降槽右移，且呈二次抛物线。

(5)采取措施后的风险等级可降为Ⅲ级，在本项目风险承受能力范围内。