武汉地铁盾构下穿铁路工程风险分析及对策研究

陈宏

（中国铁路武汉局集团有限公司科技和信息化部，湖北武汉 430071）

0 引言

近年来，武汉市大力发展轨道交通，极大缓解了城市交通拥堵状况。在轨道交通线网建设过程中，地铁下穿运营铁路的情况不可避免。在盾构下穿铁路施工过程中产生的土体损失、地层位移以及土体应力重分布，可能引起盾构上方铁路设备设施产生不同程度的基床沉降、基础变形、轨道不平顺及周边构筑物变形移动等情况［1］，严重影响铁路安全运营。因此，有必要针对地铁盾构下穿铁路工程进行既有铁路风险分析和对策研究，形成适用于武汉地区地质情况的盾构施工沉降监测和控制标准及合理的既有铁路加固保护措施。

1 盾构施工地表沉降特点

武汉地铁盾构下穿铁路工程始于地铁2号线，该工程开挖直径6.28 m，盾构埋深16～47 m，主要在粉质黏土、粉土、粉砂层掘进，施工区域全部低于地下水位。通过对施工期地表沉降监测数据分析［2］，总结盾构施工地表沉降特点如下：

（1）盾构施工顺掘进方向，盾构切口前30 m 以内和后50 m 以内地表沉降值变化较大。其中，盾构切口后50 m 地表沉降值变化显著。盾构施工顺掘进方向地表沉降影响分布示意见图1。

（2）盾构施工垂直掘进方向，地表呈槽型沉降，沉降最大点位于盾构中心上方，距盾构中心轴线越远沉降越小，离盾构中心轴线18 m（3倍盾构直径）以外区域地表沉降值较小，考虑到观测误差，可认为不受盾构掘进影响［1］。盾构施工垂直掘进方向地表沉降影响分布示意见图2。

图1 盾构施工顺掘进方向地表沉降影响分布示意图

图2 盾构施工垂直掘进方向地表沉降影响分布示意图

（3）统计数据表明，盾构埋置越深，地表最大沉降量越小，地表最大沉降量与盾构埋深关系示意见图3。

图3 地表最大沉降量与盾构埋深关系示意图

（4）统计数据表明，各监测点地表最大沉降量大部分接近40 mm，且沉降量与注浆量成反比。实测各断面最大沉降量示意见图4，相应各断面盾构施工注浆量示意见图5。

（5）现场实测数据发现部分断面出现沉降量异常值，达到正常值的2～3 倍，经查系因注浆不良等施工问题引发，可能对地层造成更大影响，需要在盾构下穿铁路时加以注意。

2 施工影响及风险分析

盾构下穿铁路施工中，可能产生隧道周围土体应力重分布、土体损失、地下水位变化、注浆土体变化、固结沉降土体蠕变等一系列变化，造成地层位移变形和应力变化，可能对盾构上方的铁路设备设施产生如下影响和风险：

（1）铁路轨道平顺性指标劣化。盾构下穿铁路施工造成铁路钢轨垂直铁路方向和顺铁路方向的地表不均匀沉降，造成铁路轨道（道岔）高低、水平不良，严重时产生轨道（道岔）变形超出几何尺寸容许偏差管理值的风险。

（2）桥梁墩台不均匀沉降。墩台不均匀沉降使墩台位置产生变坡点，即出现明显折角，影响梁上结构应力及轨道平顺性指标，影响行车安全与舒适，严重时产生桥梁结构破坏的风险。

（3）影响桥梁桩基安全。盾构下穿铁路施工造成地下土层变化，对桩身轴力、桩身弯矩、桩端应力造成影响，严重时产生桩基失稳直至失效的风险。

（4）影响路基加固。盾构下穿铁路路基加固段时，可能破坏路基加固结构，影响加固效果。

（5）超出管理限值。盾构下穿铁路施工造成地表沉降，引起地上铁塔、接触网立柱、高柱信号机歪斜，房屋开裂等，严重时产生超出管理限值的风险。

3 监测项目及参考控制标准选择

针对盾构下穿施工对铁路设备设施的影响和可能产生的风险，结合其相应的维修规则，提出盾构下穿施工铁路设备设施的监测项目和参考控制标准建议如下：

（1）监测轨道（道岔）几何尺寸变化。按照铁路线路修理规则要求［3-5］，经常保养管理值为轨道应保持的质量管理标准。因此，应对轨道（道岔）几何尺寸变化进行监测，重点监测水平和高低变化，并按经常保养标准控制。结合武汉地区铁路现状，直线段轨道（道岔）水平和高低变化限值见表1，曲线段按照《铁路线路修理规则》做相应调整。

表1 直线段轨道（道岔）水平和高低变化限值

（2）监测盾构上方的铁路桥梁墩台沉降变化。按照铁路桥梁相关规则［6-7］，普速铁路桥梁墩台沉降限值见表2，高铁桥梁墩台顶位移限值见表3。对超静定结构，还需验算墩台不均匀沉降对结构产生的附加应力，确保其不超出原设计范畴。

表2 普速铁路桥梁墩台沉降限值 mm

表3 高铁桥梁墩台顶位移限值 mm

（3）监测盾构上方的其他铁路设备设施沉降变化。参考相应的铁路规则［8-11］，盾构施工引起的铁路信号设备沉降限值见表4，接触网立柱歪斜限值见表5，铁塔歪斜限值见表6。

表4 铁路信号设备沉降限值 mm

表5 接触网立柱歪斜限值

表6 铁塔歪斜限值

（4）盾构临近桩基的控制。结合武汉地区铁路现状和盾构临近桩基的影响［12-13］，当桩基的桩洞距＜3D（D为盾构外径）时，应单独验算桩身轴力、弯矩，桩端应力及桩侧摩阻力总量减少率，确保其不超出设计范畴。当桩洞净距＜1D时，增加验算下穿造成的桩身位移及相应影响，并采取单独的工程措施。特别注意，当桩端与隧道处于同一水平面时，盾构下穿对桩基影响很大，应按盾构近距离下穿的要求验算和控制。

（5）盾构下穿路基加固区的控制。考虑到盾构下穿对路基加固区的影响计算复杂，且盾构下穿会破坏原路基加固区加固效果，通常不采用盾构穿过路基加固区的方式。

4 保护措施

为保证地铁盾构下穿施工期间的铁路安全运营，一方面采取合理的下穿区域土体隔离桩约束、注浆加固、既有线架空、限速运行等保护措施，另一方面要求施工单位严格控制盾构推进时的施工参数，同时做好监测和应急准备工作，确保既有线运营安全。

4.1 隔离桩约束、注浆加固

隔离桩具有加固、隔断及控制变形的作用，而注浆加固具有控制变形的作用。结合武汉地区的地质情况，当盾构下穿普速线路且埋深＜20 m 时，采用“旋喷咬合隔离桩约束+轨下注浆至盾构底板以下3 m”的土体加固方案，注浆加固长度在盾构结构外两侧各取2倍洞径，宽度加固至距钢轨外侧1倍洞径（见图6（a））。

当盾构下穿普速线路但埋深＞20 m 或下穿高铁桥梁段（原则上不允许盾构下穿高速铁路路基段）时，考虑深层注浆效果难以控制且施工时的高压会对土体造成破坏，采用“旋喷桩（下穿高铁桥梁段选用钻孔桩）+横撑+注浆加固至地表以下12 m（或加固至老黏土层顶部位置）”，并加强监测的土体加固方案（见图6（b））。

图6 土体加固方案

隔离桩选用旋喷桩时，采用2 排直径1.2 m 旋喷桩相互咬合，咬合量0.2 m；隔离桩选用钻孔桩时，采用2 排直径0.6～1.0 m 钻孔桩，实施条件困难时可选用多根微型钻孔桩组合。

土体采用分层注浆加固，分别为表层斜孔注浆和下部深层注浆，加固后土体弹性模量应达到150 MPa。当轨下土体弹性模量均大于180 MPa 时，可计算后确定是否需要加固。注浆时应用复合浆液，缩短胶凝时间，控制静力触探比贯入阻力Ps≥1.0 MPa，施工温度不超过（或低于）无缝线路的锁定轨温±10 ℃，注浆引起的隆起量控制在2 mm 以内。实施第1 层斜孔注浆时，注浆孔与地面的夹角为30°，控制注浆压力和扩散范围，减小注浆对基床的影响。第1 层斜孔注浆完成后，进行下部深层注浆加固，注浆压力和注浆速度应根据线路变形的监测数据进行调整。线路外侧的过渡区，应根据地形和地表建筑物情况，进行适当的注浆加固。

4.2 既有线架空、限速

由于盾构下穿铁路均在武汉铁路枢纽既有线范围内，在盾构埋深较浅或穿越段地质情况较差的普速铁路路基段，应尽可能采用架空方式保护既有线，宜采用D 型便梁和工字钢架空，对站场等股道密集架空困难的情况，可采用扣轨加固。

当设计验算发现盾构下穿引起的铁路设备设施变化超出限值时，或当盾构下穿道岔区域时，采用既有线限速保护措施。

4.3 施工参数控制

将盾构下穿铁路范围分为穿越区和影响区，下穿点前30 m 以内、后50 m 以内为影响区；其中，距钢轨外侧1倍洞径范围为穿越区。

盾构下穿施工前，应在影响区外进行复探、试机、模拟掘进。复探是确保地质与设计一致；试机是防止出现设备问题；模拟掘进是为了摸索盾构在该土层的掘进参数和注浆参数。

盾构施工时，应严格控制盾构土舱压力、掘进速度，并及时、均匀、足量注浆。其中，影响区土舱压力应与地层原始压力一致；考虑列车动载影响，穿越区土舱压力应增加10～15 kPa。在盾构下穿铁路范围内，推进应保持连续、匀速。

盾构施工注浆包括同步注浆、二次注浆、深孔注浆。同步注浆量按照理论注浆量的200%确定，并及时做好二次注浆。同步注浆和二次注浆达到设计强度后，当沉降量变化超过0.5 mm，应通过增设注浆孔，对隧道周边1～3 m地层进行补偿深孔注浆。

4.4 在线监测和应急准备

盾构下穿施工前，应建立自动监测网，采取“全自动监测+人工监测”方式，即时监测地表沉降、轨道变形、桥梁墩台沉降、其他设备设施变形等，同时进行列车运行质量监测。

盾构下穿铁路路基段时，若达到警戒值，及时在地面跟踪注浆以保护路基；若达到限值，立即停止盾构下穿，及时采取补砟起道、架空线路等有效措施。

盾构下穿铁路桥梁段时，若达到警戒值，有砟线路应及时采取补砟起道等应急措施，无砟线路应立即停止盾构下穿，并及时会同业主、设计、施工、铁路设备管理等单位在现场研究处理。

盾构下穿施工前，应准备好架空梁、道砟、应急机具、材料等铁路抢险物资，配备足够人手，并做好应急预案。

5 运用实例

武汉地铁4号线武梅区间盾构下穿既有线武昌站站场12 股道，该处地铁隧道外径6 m，盾构埋深12.6～14.7 m，下穿地层为粉质黏土层和粉砂层。盾构下穿武昌站典型股道沉降变化时程曲线见图7。

图7 盾构下穿武昌站典型股道沉降变化时程曲线

该处施工中，选用的既有线控制标准如下：路基沉降值≤10 mm，沉降平均速率≤1.0 mm/d，最大沉降速率≤2.0 mm/d，轨面沉降值≤6 mm，12.5 m轨长三角坑高差≤4 mm，两股钢轨水平高差≤4 mm，接触网柱沉降/倾斜≤5 mm/5‰，无柱雨棚桩基础局部倾斜≤5‰。

保护措施包括：地面袖阀管注浆加固部分路基，D24型施工便梁架空正线，扣轨保护到发线，部分线路限速运行，建立隧内和地表在线监测网，在距离铁路50 m外建立试验段，建立应急处置专班等。

通过应用以上方案，盾构下穿该处3个月后沉降收敛，最大路基沉降点在8 道，累计沉降9.98 mm，施工期间及施工后未出现盾构下穿影响既有线安全情况。

6 结论

（1）盾构下穿铁路施工可能引起铁路轨道平顺性指标劣化，造成桥梁墩台不均匀沉降影响梁上结构应力及轨道平顺性指标，影响桥梁桩基安全，影响路基加固效果，导致出现地上铁塔、接触网立柱、高柱信号机、房屋等变形，产生既有铁路运营安全风险。

（2）盾构下穿铁路应根据铁路设备修理规则，制定合理的轨道（道岔）几何尺寸、桥梁墩台沉降、铁塔、接触网立柱、高柱信号机、房屋变形限值。盾构不应下穿路基加固区，当盾构近距离下穿桩基时，应验算桩基各项指标，并在桩洞净距＜1D时采取单独的工程措施。

（3）采取合理的下穿区域土体隔离桩约束、注浆加固、既有线架空、限速运行等保护措施并严控盾构施工参数，做好监测和应急准备工作，可有效保障盾构下穿期间的既有线运营安全。