盾构穿越铁路营业线的变形控制施工技术

余 刚

中铁二十四局集团有限公司 上海 200071

截至2020年底，我国内地累计有45个城市开通城市轨道交通线路，运营里程近8 000 km。已运行城市轨道交通线路中多数为地下线，而在地下线中近80%的为区间隧道，同时我国区间隧道多数采用盾构法施工，据不完全统计，我国目前在役的盾构机有4 000多台，居世界首位。在上软下硬地层中采用盾构法进行地铁隧道施工时，盾构机向前掘进非常困难，且易发生软土地层大面积塌陷、盾构机掘进角度偏离预定值等情况，甚至导致地表大幅度沉降，给地铁隧道及周围建（构）筑物带来极大的安全隐患。因此，研究上软下硬复合地层盾构施工对周围环境的影响具有重要意义[1-2]。

徐州城市轨道交通2号线（下称“轨交2号线”）一期工程周七区间隧道盾构始发穿越京沪铁路客线，在盾构施工过程中需保证既有铁路营业线正常运营不受影响或少受影响，为此需采用针对性的研究工作。

1 项目概况

徐州轨交2号线一期工程周庄站—七里沟站（周七）区间出周庄站后，依次下穿京沪铁路客线（路基）、奎河、京沪铁路货线（路基）后，向南拐入梨园路，最后到达七里沟站。区间左线隧道全长1 168.823 m，右线隧道全长1 160.541 m，区间最大坡度2.6%，区间最小坡度0.5%，隧道顶部埋深10～17 m，区间采用盾构法施工。区间隧道在长约47 m范围内下穿京沪铁路客线上行及下行线路基段，隧道拱顶距路基顶面13.38～14.88 m，隧道穿越可塑黏土-硬塑黏土层。

周庄站位于京沪客线西侧地块内，距离京沪铁路客线上行线路基坡脚约19 m，京沪铁路客线为普速有碴轨道，区间隧道穿越京沪铁路客线上行线处夹角为92°，穿越京沪铁路客线下行线处夹角为96°，如图1所示。车站及盾构施工范围内土层从上至下依次为：①1杂填土、②5-3黏质粉土、②3-2软塑黏土、②3-3可塑黏土、⑤3-4硬塑黏土、2-3中风化灰岩。

图1 周庄站与铁路剖面关系

2 盾构隧道始发下穿铁路营业线技术标准和要求

2.1 技术标准

2.1.1 铁路技术标准

京沪铁路客线为有碴轨道，等级为国铁Ⅰ级铁路，设计行车速度≤160 km/h；铁路荷载采用中-活载。

2.1.2 盾构隧道管片结构设计

采用复合式土压平衡盾构机，管片内径5 500 mm、厚350 mm、环宽1.2 m，拼装形式为错缝拼装。盾构隧道的结构形式采用平板型单层预制钢筋混凝土管片衬砌。

2.2 技术要求

2.2.1 铁路线路沉降变形经验控制指标

通常情况下铁路路基沉降变形是导致上方线路不平顺的主要原因，根据以往邻近铁路工程的经验，普速铁路非道岔区的路基沉降变形量控制在10 mm内。

2.2.2 铁路线路几何尺寸偏差管理标准值

轨道几何形位要素有：轨距、水平、高低、方向和轨底坡，各种轨道几何形位都存在一定的偏差，但不得超过容许值，不同铁路等级，容许的大小也不一样。

根据《铁路线路修理规则》（铁运〔2006〕146号），我国普速铁路线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值见表1。当设计行车速度vmax≤120 km/h但不位于道岔区时，根据临时补修标准，要求高低不平顺、水平不平顺和轨向均控制在10 mm以内；当vmax＞160 km/h但不位于道岔区时，根据临时补修标准，要求高低不平顺和水平不平顺均控制在8 mm以内，轨向偏差控制在7 mm以内。

表1 裂缝宽度及长度变化监测

表1 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

3 盾构始发穿越京沪铁路客线的影响分析

3.1 下穿铁路地基加固

为减小盾构施工对铁路的影响，及时控制因盾构开挖引起的地面沉降，需对路基及道床下方进行注浆加固。

周庄站距京沪铁路客线路基19 m，为减小车站基坑对路基的影响，车站基坑围护结构施工前，在车站与路基之间打设旋喷桩进行隔离，旋喷桩加固兼作盾构接收端头地基加固使用。

3.1.1 路基东侧地基加固

主加固区采用3排φ800 mm@600 mm旋喷桩，并紧靠路基。次加固区采用袖阀管注浆，沿隧道纵向长10 m。

3.1.2 路基下方加固

通过路基两侧及两路基中间区域斜向或竖向打设袖阀管对铁路路基下方地层进行加固。

3.1.3 路基西侧邻车站侧地基加固

路基底至车站旋喷桩加固区之间部分，采用袖阀管加固，紧邻车站旋喷桩加固区边缘。

3.1.4 加固深度、宽度

加固竖向范围从地面或路基底面至硬塑黏土层下1 m；加固横向范围为隧道结构边线外6 m。

京沪铁路客线加固纵剖面如图2所示。

图2 京沪铁路客线加固纵剖面示意

3.2 模型建立与施工模拟

3.2.1 模型建立

图3 三维模型

模型中各层土体的本构模型选用弹塑性土体硬化模型（hardening soil model，HS模型）。土层计算参数结合地区地层、地质情况和特点，以及本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值。

3.2.2 施工模拟

在隧道施工模拟过程中，按照实际盾构施工推进方向和顺序进行分步开挖，盾构隧道推进方向为周庄站→七里沟站，先施工右线隧道，再施工左线隧道。

根据本工程特点，将施工过程划分为23个工况模拟：

工况1：周庄站主体结构和附属结构围护施作。

工况2：主体结构基坑开挖至30.8 m标高位置并施作标准段、端头井第1道混凝土支撑。

综上，近年来对单纯AS患者尿液代谢组学的研究较少，多数是对AS相关肾病的研究。故利用代谢组学对尿液全组分进行分析，寻找AS早期尿液标志物具有广泛研究前景。

工况3：主体结构基坑开挖至24.3 m标高位置并施作标准段、端头井第2道钢支撑。

工况4：主体结构基坑开挖至18.8 m标高位置并施作标准段、端头井第3道钢支撑。

工况5：主体结构基坑开挖至坑底标高位置并施作端头井第4道钢支撑。

工况6：主体结构底板施作。

工况7：拆除主体结构标准段第3道撑和端头井第3、第4道支撑，并施作下层主体结构侧墙、柱和中板。

工况8：拆除主体结构标准段和端头井第1、第2道支撑，并施作上层主体结构侧墙、柱和顶板，回填上覆土。

工况9：右线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线上行线路基边缘位置。

工况10：右线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线上行线线路中心位置。

工况11：右线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线下行线线路中心位置。

工况12：右线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线下行线路基边缘位置。

工况13：右线隧道盾构机刀盘远离京沪铁路客线下行线。

工况14：左线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线上行线路基边缘位置。

工况15：左线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线上行线线路中心位置。

工况16：左线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线下行线线路中心位置。

工况17：左线隧道盾构机刀盘到达京沪铁路客线下行线路基边缘位置。

工况18：左线隧道盾构机刀盘远离京沪铁路客线下行线。

工况19：附属结构基坑开挖至30.8 m标高位置并施作第1道混凝土支撑。

工况20：附属结构基坑开挖至25.8 m标高位置并施作第2道钢支撑。

工况21：附属结构基坑开挖至坑底标高位置。

工况22：附属结构底板施作。

工况23：拆除附属围护结构支撑，并施作附属结构，回填上覆土。

3.3 计算结果分析

3.3.1 京沪铁路客线路基纵向的变形影响分析

1）通过数值模拟，得到各工况下京沪铁路客线上行线和下行线在基床顶面中心线的累积竖向沉降。

2）通过数值模拟，得到各工况下京沪铁路客线上行线和下行线在基床顶面中心线的累积水平位移。

3）通过数值模拟，可以得到京沪铁路客线上行线和下行线在基床顶面中心线的在盾构推进各个工况下的阶段竖向沉降最大值，如表2所示。

表2 盾构推进过程中各工况下路基顶面沉降速率

在模拟盾构开挖过程中，工况9～工况13模拟右线隧道开挖；工况14～工况18模拟左线隧道开挖；工况9、工况14盾构机均推进33.3 m；工况10、工况15盾构机均推进10.3 m；工况11、工况16盾构机均推进25.6 m；工况12、工况17盾构机均推进10.8 m；工况13、工况18盾构机均推进18 m。

根据轨道交通的建设经验，盾构隧道的施工速度一般为6环/d，即7.20 m/d。可见工况9、工况14施工时间约4.625 d，工况10、工况15施工时间约1.430 d，工况11、工况16施工时间约3.560 d，工况12、工况17施工时间约1.500 d，工况13、工况18施工时间约2.500 d。

结合工况9～工况18的路基顶面阶段竖向沉降最大值和各工况施工时间，可计算得到盾构推进过程中，京沪客线客线上行线和下行线路基顶面的沉降速率，结果见表2。需要注意的是，表中所列各工况下最大竖向阶段沉降所发生的位置并不一定在同一处，故对工况9～工况18的最大竖向阶段沉降进行累加得到的累积沉降值与工况18和工况9累积最大竖向沉降的差值可能并不相等。

3.3.2 京沪铁路客线路基横向的变形影响分析

通过数值模拟，研究了徐州轨交2号线一期工程下穿京沪铁路客线施工对沿铁路路基横向的竖向沉降、围护结构在基坑开挖过程中的累积水平位移。

3.3.3 对京沪铁路客线轨道几何状态的影响分析

通过数值模拟，研究了徐州轨交2号线一期工程下穿京沪铁路客线施工对铁路路基上方轨道水平不平顺的影响。

3.4 数据汇总

计算结果显示，徐州轨交2号线一期工程下穿京沪铁路客线工程中，施工引起的京沪铁路客线上行线沿铁路纵向路基基床顶面中心线累积沉降最大值为7.05 mm，累积水平位移最大值为2.01 mm；施工所引起京沪铁路客线下行线沿铁路纵向路基基床顶面中心累积沉降最大值为6.81 mm，累积水平位移最大值为1.05 mm。

盾构推进过程中，左线隧道施工引起京沪铁路客线上行线路基顶面最大沉降速率为0.907 mm/d，下行线路基顶面最大沉降速率为1.329 mm/d；右线隧道施工引起京沪铁路客线上行线路基顶面最大沉降速率为0.993 mm/d，下行线路基顶面最大沉降速率为1.308 mm/d。

主体结构开挖引起端头井靠近铁路侧围护墙累积最大水平位移7.1 mm，与启明星计算结果6.8 mm较为接近。

施工引起的京沪铁路客线上行线路基上方轨道的水平不平顺最大值为0.07 mm；下行线路基上方轨道的水平不平顺最大值为0.09 mm。

通过采用信息化的监测手段，对本区间隧道下穿既有京沪铁路客线进行了实时监测，动态掌握盾构穿越施工对其正常使用的影响，并根据监测结果进行实施反馈以指导现场施工。由现场监测结果显示，盾构始发穿越既有京沪铁路客线施工引起路基最大沉降量为5.9 mm，小于6 mm的限制要求，电气化立柱最大沉降量为4.9 mm，小于5 mm的限值要求，对其影响也在可控范围之内。

盾构穿越京沪铁路货线地层主要为中风化灰岩，灰岩层岩溶较发育，但基本为充填型溶洞，填充物为可塑-硬塑黏性土，且此处隧道埋深约21.8 m，盾构掘进施工对京沪铁路货线的影响较对客运线的影响要可控些，为此不对线路进行辅助加固，仅需控制盾构掘进施工参数。盾构推进过程中，引起京沪铁路货线左线左轨最大沉降速率为0.160 mm/d，左线右轨最大沉降速率为0.183 mm/d；引起京沪铁路货线右线左轨最大沉降速率为0.199 mm/d，右线左轨最大沉降速率为0.201 mm/d。

4 结语

徐州轨交2号线周七盾构区间是国内少有的富水上软下硬复合地层隧道工程，穿越距离长，环境保护等级高。针对上软下硬复合地层中盾构始发穿越既有铁路营业线变形控制难题，采用数值模拟和现场监测反馈相结合的方法来开展研究，提出了主动地层加固和被动施工参数控制相结合的变形控制技术，实现了铁路线的毫米级变形控制。成果可应用于日益增多的城市地铁隧道工程中，并可在引水、道路等富水复合地层中的隧道工程中推广应用。