盾构下穿既有铁路对线路结构的影响研究

中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430050

随着我国地方经济的高速发展，城市地铁隧道的开发建设如火如荼，隧道穿越既有铁路线的工程案例也不断涌现。一方面，盾构法因其经济、安全及高度自动化等优点，在穿越土质地层的地铁隧道开挖工程中得到广泛应用；另一方面，盾构机掘进施工会改变原始土层的初始应力场，扰动土体使地下水流失，导致土体位移，引起地面变形沉降，进而加剧铁路线路变形和轨道的不平顺，增加轮轨间的冲击力，破坏轨道架构和基床，对铁路运营安全产生严重影响[1]。因此，下穿铁路线的隧道盾构施工中地面的沉降控制对于铁路的运营安全至关重要。

1 文献综述

现阶段各国研究人员在研究隧道盾构施工地层变形规律时，依托具体的工程实例，提出了经验法、现场实验法、数值模拟法、模型实验法等方法，并取得宝贵的成果[2-5]。目前，对于地表横断面沉降预测应用最广泛的是Peck公式[6]，该公式是根据大量实测数据进行统计得出的经验公式，其地表沉降形状近似高斯曲线。Attewell[7]认为隧道的开挖导致地层沉降曲线类似高斯曲线，其采用不同的计算公式计算沉降槽宽度，对Peck公式进行了修正。姜忻良等[8]以天津地铁1号线某区间盾构施工为例，在区间端头布设分层沉降以及土体测斜孔，通过对监测数据的处理发现距离隧道越近的土体受盾构施工扰动越大。璩继立等[9]对上海地铁某软土地层区间进行沉降监测，得到沉降曲线形状除了受施工参数的影响，隧道埋深也是影响沉降分布特征的重要因素。郑宜枫等[10]以上海大型泥水平衡盾构在上中路隧道的施工为例，对泥水平衡盾构施工中周边土压力、地表沉降进行了监测，发现沉降主要发生在后期沉降阶段。孙玉永等[11]在上海某区间双线隧道采用土压盾构施工时布设了分层沉降监测和土体测斜监测点，通过现场监测数据分析得到盾构通过测点不同阶段时的深层土体沉降和水平位移特征。李博等[12]通过对成都地铁某区间盾构施工地表监测数据进行回归分析，得到区间沉降宽度槽的取值范围。方勇等[13]以具体工程为例，采用Flac3D软件对土压平衡盾构开挖进行模拟，考虑到盾构机后面台车的影响，得到地表沉降随盾构推进的变化，地层埋深不同其纵向变化规律有差异。由上述可知，关于隧道开挖对地表的沉降研究较为丰富，但针对盾构隧道穿越既有铁路对线路结构影响的研究仍涉及较少。

文章以南通地铁2号线工程南通东站站—先锋镇站区间盾构下穿宁启铁路南通东火车站站场为背景，结合现场沉降监测，采用Midas三维有限元软件对隧道盾构穿越铁路线进行数值建模，研究了地基无加固措施及注浆加固措施下隧道盾构施工对地面变形的影响。计算结果表明，地面注浆加固措施对控制铁路线区域沉降效果较好，盾构施工工程现场采用地面注浆加固措施后取得了良好效果。

2 工程概况

南通地铁2号线位于江苏南通市，南通东站站—先锋镇站区间自地铁南通东站站向东，下穿国铁南通东站站场，与铁路线交角近似90°，穿越长度约为77m，穿越范围内铁路建（构）筑物有7股道（依次为H线、1线、2线、3线、4线、5线和6线）。地铁隧道与既有铁路线相对位置平面图如图1所示。铁路线区域所在地层由上至下为铁路路基、填土、粉土、粉砂夹砂质粉土、粉砂、细粉砂。地铁区间隧道拱顶至铁路路基坡脚垂直距离为9.5m，隧道穿越的地层为粉砂夹砂质粉土及粉砂层，地铁隧道与既有铁路线相对位置剖面图如图2所示，地层中土层物理力学性质如表1所示。隧道采用土压平衡盾构机施工，隧道外径为6.2m，内径为5.5m，环宽1.2m，设计管片厚度为0.35m，其弹性模量为27.6GPa，泊松比为0.2，管片采用错缝拼装，两区间隧道中心水平距离为15m。施工过程中，左线盾构隧道先行通过铁路线区域，图1中箭头为隧道盾构施工掘进方向。

图1 地铁隧道与既有铁路线相对位置平面图

图2 地铁隧道与既有铁路线相对位置剖面图

表1 土层物理力学参数

3 数值模型

3.1 模型尺寸及边界条件

采用Midas GTS岩土有限元软件对盾构隧道下穿铁路线工程进行模拟分析[14]，如图3所示，模型尺寸（X×Y×Z）为118m×108m×40m。两隧道均沿X轴负方向掘进，左线隧道先行穿越铁路车站，模型中隧道穿越的粉砂夹砂质粉土及粉砂层简化为粉砂层，隧道外径至模型两侧边界的距离大于5倍的隧道洞径，隧道外径至模型底部边界距离为24.3m以避免边界效应。模型上部梯形结构为铁路路基，路基上部为轨枕，最上部为铁路轨道。模型中土体均视为各向同性、均值的理想弹塑性体，隧道管片视为线弹性体，忽略岩土体的节理裂隙，不考虑地下水在开挖过程中的影响，以模型计算土体自重应力，使岩土体在自重应力的作用下达到平衡，再进行盾构开挖施工模拟。模型中隧道、铁路线尺寸、岩土体厚度等参数均与工程概况介绍一致。

图3 数值模拟模型及尺寸

地层均采用实体单元模拟，选用修正莫尔-库伦本构模型；管片、铁路路基和道床轨枕采用实体单元，弹性本构模型，铁轨采用梁单元，弹性本构模型。模型各土层材料物理力学参数如表1所示，路基及盾构隧道管片材料参数如表2所示。

表2 路基与管片物理力学参数

3.2 模型验证

隧道盾构开挖未进入铁路线时，工程现场对地表的沉降（如2O-O9）进行了监测，地面沉降监测点沿股道方向设置监测横断面，每条监测横断面间距（如2O-1O）为5m，如图4所示。在数值模型中选取现场监测中相同位置监测点，与实测数据进行对比。对于盾构隧道施工引起地面沉降的预测，Peck模型（1969年）提出了地层损失的概念和估算方法。经过大量工程实践及修正完善，该方法成为估算盾构正常施工引起地面沉降最常用的方法，具体公式如下：

图4 地表沉降监测布点

式中：Sx为从地面到盾构中心处埋深为Z的断面上，距离隧道中心线的沉降量；Vi为地层损失量；i为沉降槽宽度系数，是土层条件、隧道半径、隧道中心埋深的函数。

数值模拟、Peck公式及现场监测沉降值对比如图5所示。由图5可以看出，数值模拟结果、Peck公式预测以及实测沉降发展规律基本相符，验证了数值模拟的可行性。由于数值模拟在同一水平考虑土层参数为同一值以及模拟的简化，数值模拟结果与实测结果存在一定差异。参考《铁路线路修理规则》（铁运〔2006〕146号）、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[15]，宁启铁路新建铁路设计时速为160km，确定该区间穿越国铁轨道安全控制标准为轨面沉降值不超过10mm，轨道高差不超过6mm，隧道拱顶上方地表最大沉降量为9.5mm，地层损失率为0.5%，地面沉降逼近控制标准。鉴于铁路设施的重要性，下穿施工需考虑采取对穿越范围的土体进行加固等措施，进一步降低工程风险。

图5 数值模拟、Peck公式及现场监测沉降值对比

4 基于地面注浆加固措施的轨道位移分析

鉴于在数值模拟的初步分析中，地面沉降值逼近控制标准，考虑到铁路运营的安全性问题，借鉴相关文献及工程经验，对控制路段地基采取地基加固措施，可在一定程度上提升地基强度，控制地面沉降。根据秦爱芳等[16]对上海等软土地区基坑工程注浆加固工程的研究，加固区土体弹性模量取原土体弹性模量的2倍，黏聚力与内摩擦角值不变，再次建立与3.1节中相同隧道，加固区隧道土体弹性模量变为原来土体的2倍。在此基础上使用数值模拟手段分析盾构隧道穿越铁路线时轨道沉降、水平位移。数值模型中的其他参数选取均与上节模型相同。左线隧道穿越铁路各轨道的沉降曲线与水平位移曲线如图6、图7所示。

图6 轨道沉降云图

图7 轨道水平位移云图

可以看出，加固后的铁路轨道最大沉降出现在左线隧道拱顶上方，线路3、4、5、6处为5.79mm。6条轨道线路中线路H沉降最小，可能原因是线路H靠近地铁车站端头加固区，地层性质较好；轨道水平位移整体控制在3mm以下，同一轨线间两条轨道水平高度相差不大，差值远小于标准控制值所规定的6mm。加固后的土体及轨道在左线盾构隧道穿越影响下沉降及水平位移值大幅降低，小于控制标准，表明加固后较加固前沉降变形控制效果更好，地面注浆加固方案能较好地保证铁路的正常运营。

5 现场地面注浆加固及监测

基于地面注浆加固方案下数值模拟的初步分析可知，实施加固措施后，沉降及水平位移得到控制。基于此，现场采用了袖阀管注浆加固技术对铁路路基下方土体进行加固，加固范围为铁路路基坡脚外1m，加固深度为铁路路基顶面下5m至地铁隧道结构下3m。H线、6线通过路基外侧斜管对路基下地层进行加固，加固期间对H线进行降速运营；中间的1线、2线、3线、4线、5线以两侧的1线、5线为施工场，加固前拆除加固范围1线、5线轨道及道床，在加固期间对运营中的2线、3线、4线采取降速运营。加固过程中加固压力为0.3～0.5MPa，邻近地面附近注浆时压力小于0.2MPa，以防止地面隆起。注浆加固完成后测得加固土体28d无侧限抗压强度为0.8MPa。盾构隧道穿越施工共进行12d，现场实施2h/次不间断沉降监测，监测仪器为Leica TM50全站仪，标称精度为±0.5″，仪器精度满足监测要求。盾构隧道穿越铁路线后各监测面累积沉降如图8所示。

图8 注浆加固后隧道穿越铁路线地表沉降监测值

从图8中可以看出，靠近H线的监测点断面2A-A9累积沉降值为所有监测断面最小，为2.4mm；靠近6号线的监测断面2F-F9累积沉降最大，为4.8mm。各条铁路线累积沉降值变化规律与加固后数值模拟计算结果相似，沉降值由H线向6线逐渐加大，但最大沉降量仍远小于沉降标准控制值10mm，地表注浆加固后，铁路线沉降得到控制。由于注浆加固后，土层弹性模量增大，其承受变形的能力随之增加，地表最大沉降值逐渐减小，因此在注浆加固过程中保证注浆质量十分重要。

6 结论

为保证盾构掘进过程中既有铁路的安全运营，文章采用Midas-GTS对隧道盾构下穿施工进行数值模拟分析，结论与建议如下：

（1）隧道盾构开挖对地层土体的扰动符合隧道开挖的基本规律，地层的沉降也符合相应沉降形成机理与沉降特征。

（2）当对穿越区域内的土体进行加固处理后，同时采取盾构施工对洞内深孔注浆以及盾构掘进姿态等方面加以控制。经计算，地铁双线盾构隧道施工后，铁路6线轨道竖向沉降值最大，约为4.8mm，铁路H线轨道水平位移最大，约为2.81mm，小于不加固工况的9.5mm和4.63mm，并小于既定的控制标准，表明加固后较加固前沉降变形控制效果更好。对地层采取预加固措施可有效减缓隧道施工过程中地层扰动对既有结构的影响，对减小轨道变形、保证既有线路的运营安全具有重要意义。

（3）鉴于铁路线路在地铁区间隧道穿越施工前已经存在一定程度的沉降，因此应加强线路养护，为保证施工期列车运营安全，建议在穿越施工期间对列车进行适当限速。

（4）盾构掘进时须加强施工控制及监测，控制好推进速度、土仓压力以及出土量等施工参数，尽量减小对地层的扰动，加强同步注浆，及时进行二次注浆。

（5）考虑该穿越段区间隧道位于砂质粉土层，应加强盾构机设备配置与渣土改良，防止砂性土发生喷涌。穿越段应严格控制盾构掘进姿态，及时进行纠偏，以减小超挖引起的沉降。通过在穿越段区间隧道管片增设注浆孔，以加强二次补充注浆效果。加强监测，根据监测情况及时对隧道周边的土体进行注浆以控制沉降进一步加大