深厚软弱地层盾构隧道穿越既有铁路群变形分析和控制技术

朱敏

摘要：为确保盾构隧道在深厚软弱地层中顺利穿越既有铁路群，通过工程类比、加强设计、数值模拟与现场监测数据分析相结合等手段，提出了加强洞内管片设计、加强盾构施工控制、优化推进参数、及时填充注浆、地面路基加固、行车限速、回填道砟的保护措施，以及加大铁路变形监测频率和延长监测时间等一整套盾构隧道穿越既有铁路群的变形分析和控制技术。结果表明：提出的变形分析和控制技术可有效降低盾构隧道对铁路路基的影响，确保铁路运营安全。

关键词：盾构隧道; 软弱地层; 变形分析; 穿越铁路; 铁路路基

中图法分类号：U455.43 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.004

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0021 - 07

0 引 言

随着国民经济的快速发展以及城市建设的高速推进，城市轨道交通的建设已经成为解决交通拥堵的重要途径之一。城市地铁由于受到各种建（构）筑物、地下管线、高架桥、铁路、高压电塔以及复杂地质条件的综合影响，往往需要反复比选线路走向，以尽量避开重要建（构）筑物，将风险降到最低，但因建（构）筑物等基础设施无法避免，经常会出现地铁区间隧道下穿既有铁路的情况。对于早期建设的铁路，如遇到深厚软弱地层时，常以表层换填的方式处理;当地层分布均匀时，铁路路基的沉降呈现均匀状态，对铁路运营安全影响不大。对于近期建设的高铁线路，因其线路控制标准要求高，常进行深层地层加固以降低地层沉降绝对值。当新建隧道工程下穿既有铁路时，由于盾构开挖土体产生的卸荷效应，会对上部既有铁路的变形造成影响，尤其是当上部铁路线路多、控制标准不一时，采取何种保护标准和措施以确保铁路运营安全成为工程难题。

盾构法施工具有掘进过程中无需降水、沉降容易控制、工程可靠性高以及施工速度快等优点，已经成为地铁区间隧道工程建设的首选工法[1]。目前，国内外针对类似工程、工法已有一些研究。例如杜虎[2]将有限元分析和现场实践相结合，分析了不良地层中盾构下穿施工引起的既有铁路变形;吕培林等[3]根据现场实测数据分析了地铁隧道下穿既有铁路引起的沉降、时间分布规律;杨林[4]通过三维有限元分析研究了软土地区路基预加固防护的合理性;齐勇[5]研究了D型钢便梁加固铁路和洞内注浆的加固方案;严涛[6]研究分析了不同加固措施下的盾构施工工况;蔡小培等[7]通过建立有限元模型，分析了盾构隧道下穿高速铁路过程中轨道的变形规律。唐志辉[8]研究分析了不同地层加固范围与路基变形分析的规律。较多研究对该类技术问题开展了大量理论分析和实践研究，对工程建设起到了极大的促进作用，但在深厚软弱地层中穿越多股既有铁路的工程实践较少。基于此，本文以武汉地铁8号线区间隧道盾构下穿12条既有铁路群为背景，采用有限元数值模拟方法，研究了深厚软弱地层条件下盾构隧道穿越既有铁路群的变形和受力情况，并将计算结果与现场实测数据对比分析。研究成果可为类似工程提供参考依据。

1 工程概况

1.1 工程区间概况

1.1.1 地铁区间概况

武汉轨道交通8号线一期工程起于三金潭，止于徐东大街梨园站，为全线地下敷设，线路长，16.76 km。中一路站-竹叶山站区间（以下简称“中竹区间”）隧道自出站后下穿中一路、中一路下穿通道，线路向左以R=500 m的曲线半径穿行至既有铁路群下方，之后斜穿社科院路到达竹叶山站。该区间线间距为16.2～16.8 m，线路平面最小曲线半径为500 m，如图1所示。线路纵断面采用V字坡，最大纵坡坡度为25.00‰，隧道埋深为11.1～21.4 m，如图2所示。区间线路全长为1 355 m。根据工程筹划，该区间安排2臺盾构从中一路站始发，掘进至竹叶山站后吊出。

隧道的主要设计参数为管片内径5.5 m，管片厚度350 mm，管片外径6.2 m，管片宽度1.5 m，分为6块，管片采用通用环衬砌结构。

1.1.2 工程地质概况

项目周边地形平坦，位于长江左岸Ⅰ级阶地。根据钻孔揭露，结合区域地质资料，本区分布有第四系人工堆积层Qml、第四系全新统冲积层[Qal4]、白垩-古近系东湖群（K-E）dn。各个地层从上至下分别为：（1-1）杂填土层，（3-1）黏土层，（3-2）粉质黏土层、3-5粉质黏土、粉土、粉砂互层，（4-1）粉砂层，（4-2）粉细砂层，（4-3）中粗砂层，（5）砂砾卵石层，（15）砾岩层。场地内分布的特殊性岩土体主要为工程性能较差的（1-1）人工填土层，以及抗剪强度低、垂直和水平方向渗透性差异大的（3-5）粉质黏土、粉土、粉砂互层。

对工程有影响的地下水为第四系孔隙水，按其埋藏条件分为上层滞水和承压水两种类型。上层滞水主要赋存于人工填土层，含水性与透水性不一，地下水位不连续，无统一的自由水面，水位埋深为0.5～2.5 m。承压水为该工程区域内主要的地下水类型，主要赋存于第四系全新统冲积（3-5）粉质黏土、粉土、粉砂互层、（4-1）粉砂层、（4-2）粉细砂层、（4-3）中粗砂层及（5）砂砾卵石层中，勘察期间实测承压水头埋深为2.1～4.0 m。

在下穿的既有铁路群附近，隧道穿越的地层主要为（3-5）粉质黏土、粉土、粉砂互层和（4-1）粉砂层，隧道底部最大承压水头为20 m。各地层参数如表1所示。

1.2 既有京广铁路群概况

既有京广铁路群由京广上行和下行、京广汉口联络线上行和下行、沪蓉上行和下行线、动车出入段线组成，共有12条铁路，均为有碴道床，周边50 m范围内无道岔，如图3所示。铁路正线的设计时速为160～250 km/h。左右线隧道结构外20 m范围内共有接触网立柱11组，其杆体材料主要由混凝土和钢架组成，均为浅基础。

本区间线路先后穿越京广上行和下行、京广汉口联络线上行和下行、沪蓉上行和下行线、动车出入段线，铁路路基与地铁隧道之间的竖向净距为21.7～22.1 m，夹角为58°～61°。除沪蓉上行和下行线采用螺旋桩加固软土地基外，其余均为天然路基。

1.3 铁路变形控制标准

考虑到地铁隧道施工时，不可避免将造成既有地层扰动和变形，从而引起铁路路基或轨道的变形，严重时将影响铁路安全运营。根据相关规范、标准[9]，以及周边的3号线兴业路站-二七小路站区间等类似工程经验，确定变形控制标准为：① 路基沉降变化值为+5～-5 mm;② 轨道沉降变化值为+5 ～-5 mm;③ 接触网立柱两相邻悬挂点的等高相对差不得大于10 mm，立柱顺、横线路方向的倾斜允许偏差不超过0.5%。

2 工程重难点分析

工程地处武汉地面沉降重点防控区，上部铁路运营的变形控制要求高;隧道拱腰以上均为深厚软弱地层，因此对工程技术要求高。

（1） 线路条件。本区间在下穿既有铁路群时，受两端线路和站点条件制约，隧道在穿越铁路周围的下穿曲线半径为500 m（曲线穿越时刀盘的左右两侧超挖程度不对等），且线路与铁路夹角为60°左右，因此曲线的斜角度穿越与垂直穿越相比，对铁路影响范围更大。

（2） 地质条件。因处地面沉降重点防控区，隧道周边的软弱地层物理力学参数低、含水量高、具触变性。隧道在开挖后，刀盘与管片之间存在280 mm的空隙，若未及时填充，将引起隧道周边地层的变形沉降[10]。

（3） 周边环境。隧道上方有12条正在运营的铁路线路，铁路变形控制标准要求高，一旦铁路的路基或轨道变形超过要求，将导致铁路停运。

3 关键技术方案

3.1 隧道施工工法选择

新建隧道下穿既有铁路群时，需要在保障工程自身安全的同时确保既有铁路正常运营，且由于铁路对轨道变形敏感，需要选择一种安全、可靠的施工工法。本工程地处深厚软弱地层中，下穿铁路可供选择的施工工法主要有盾构法、顶推法、顶管法。影响工法选择的主要控制因素有：① 本区间全长1.3 km，需要结合整个区段考虑，隧道沿线埋深为11.1～21.4 m，隧道及上部地层主要为软弱地层，且地下水位高;② 区间下穿既有铁路群区段，平面线型为R=500 m的圆曲线，既有铁路下方隧道的平面长度为120 m，纵坡坡度为0.8%，采用顶推法或顶管法无法实现隧道设计线型。因此，本区间隧道施工工法的最优选择为盾构法。

3.2 设计保护措施

3.2.1 管片加强设计

针对地铁隧道下穿铁路区段的盾构隧道，管片采用加强设计：①管片采用加强型衬砌管片，通过加强管片配筋以提高管片刚度;②为了减小盾构穿越引起轨道的后续沉降，管片增加10个注浆孔。盾构施工过程中，可通过这些注浆孔及时二次注浆，确保盾构背后间隙填充密实。同时还应根据地面轨道沉降监测情况进行调整，若沉降过大或未稳定，则可通过增设的注浆孔对隧道周边1～3 m范围的地层进行补偿深孔注浆，以减小隧道施工引起的地面沉降和工后沉降。

（1） 注浆方式及范围。采用花管注浆，由管片注浆孔打入，注浆管长度为1～3 m，注浆范围为管片四周。

（2） 采用水泥浆液，注浆压力为0.5～1.0 MPa，注浆压力、浆液配比、进浆速度和持续时间根据现场试验结果进行调整，加固区的土体应具有良好的均匀性和自立性，无侧限单轴抗压强度0.3 MPa，渗透系数小于1×10-7 cm/s。

（3） 含承压水区域注浆时，做好注浆管的止水措施，在管片内弧面打设膨胀螺栓，安装配套止水钢套管，插入注浆管，防止出现涌水、涌砂事故。

3.2.2 铁路路基加固

（1） 注浆加固范围。采用地表注浆加固盾构掘进影响范围内的所有铁路路基。加固的横向宽度为隧道外6 m的范围，纵向宽度为轨道线路中心线外7 m范圍，加固深度为地表以下12 m范围，按照穿过（3-1）黏土层控制。

（2） 注浆孔布置。靠近铁路线最近的一排注浆孔按距轨道中心线2 500 mm控制，平行铁路线方向布置斜孔，斜孔角度为70°～80°，注浆孔平面间距为1 m。具体加固范围详见图4～5。

（3） 注浆加固参数。由于铁路附近施工场地小，操作空间有限，在地面采用钻杆后退式注浆工艺进行注浆。A类注浆孔水平倾角70°，B类注浆孔水平倾角80°，C类注浆孔为竖向角度，A，B，C类注浆孔纵向间距1.0 m，浆液扩散半径0.8 m，单管每延米注浆量建议值为0.3 m3;D类注浆孔纵向间距1.5 m，排间距1.5 m，浆液扩散半径1.0 m，单管每延米注浆量约0.5 m3。注浆浆液为1∶1水泥浆，采用42.5级普通硅酸盐水泥;盾构下穿铁路前完成地基加固，注浆加固后应检测加固效果，注浆加固体无侧限抗压强度不小于0.3 MPa。

3.3 施工保护措施

3.3.1 列车行车限速

在盾构机掘进通过铁路前，充分了解各条铁路行车计划及间隔，做好合理的工程筹划，并调整盾构推进速度。在盾构机通过轨道区期间，按照铁路主管部门要求，列车在该路段需减速至45 km/h行驶。同时，采取区间行车封闭作为应急措施。

3.3.2 及时回填道砟

本次盾构隧道下穿的铁路路基均为有砟道床，该道床由地面上轨枕下铺设一层碎石组成，在减少地面附加应力的同时，还可提高轨道的弹性和排水性能，使轨道便于维修。盾构机穿越该区域的铁路时，可根据轨道监测情况及时回填铁路道砟，保证铁路轨道满足铁路运营要求。

3.3.3 优化盾构刀盘

本区间所掘进的地层主要为粉质黏土、粉砂层，另有沪蓉上下行线铁路的复合地基螺旋桩进入隧道开挖范围2.1 m，因此本区间刀盘以刮刀、切刀、贝壳刀为主。盾构从中一路站始发，长距离掘进到铁路下方时，刀盘存在一定程度磨损，因此需要整体考虑刀盘配置，避免在铁路下方换刀。

4 数值分析及实测结果对比

为进一步分析中竹区间隧道盾构下穿对铁路段的影响，采用三维数值分析手段对下穿铁路段进行定量分析，提出更为合理的施工保护方案，以保证铁路线路安全运营和盾构顺利下穿。

4.1 模型建立

本次建模计算采用ABAQUS通用非线性有限元分析软件。结合该工程项目实际情况，并考虑边界影响，取上界面为自由约束，侧面采用滚轴约束，下表面采用固定约束;模型应力考虑自重的影响，采取自上而下依次递增的方案。计算模型假定：

（1） 土体为各向同性、均质的理想弹塑性体，模型中各土层为原状土层，不考虑螺旋桩的加固作用;

（2） 初始地应力在模型计算只考虑土体自重应力，参考类似工程[5-8]分析，不考虑地下水的影响;忽略岩土体构造应力，使岩土体在自重作用下达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖;

（3） 假定既有铁路的路基及轨道结构变形一致，且在施工前既有铁路的路基及轨道结构处于良好状态;

（4） 模型中所选用的地层参数参照工程地勘报告中所给出的土体参数;

（5） 模型中的隧道衬砌结构按照表2参数进行设置。

4.2 计算分析

为了进行三维动态施工情况的模拟及考虑隧道开挖的端部效应，模型取盾构隧道纵向140 m、铁路路基纵向120 m进行模拟计算，隧道结构和重点部位附近采用小尺寸单元进行加密。整个计算范围为140 m×120 m×40 m。整体计算模型网格剖分如图6～7所示，位移变形云图如图8～9所示。

4.3 有限元結果分析

对盾构隧道施工的具体计算结果：① 隧道贯通后，路基沉降最大值为4.64 mm;② 轨道沉降最大值为4.64 mm;③ 接触网立柱沉降的最大值为5.0 mm，相邻立柱的沉降差最大值为1.3 mm（控制标准为10 mm），立柱倾斜率为0.02 %（控制标准为0.5 %）。结果表明：左、右线隧道贯通后铁路路基的沉降，轨道的沉降、高低差、水平差，接触网立柱的沉降及测斜等均满足要求。

4.4 实测结果分析

在地铁穿越既有铁路前，在每条铁路的左右线隧道中间、隧道与铁路交叉处、隧道外各5， 15 m和25 m布置一个监测点，每条铁路轨道上共布置9个监测点。每个接触网立柱上布置3个监测点。现场监测采用全自动化监测手段，并根据监测数据及时进行隧道洞内跟踪注浆，地面变形较大时采取道砟回填。在采取各项防护措施后，各条铁路轨道的变形均较小：路基沉降最大值为5.0 mm，轨道沉降最大值为4.9 mm，接触网立柱的沉降最大值为8.5 mm，相邻立柱的沉降差最大值为2.5 mm，立柱顺、横线路方向倾斜0.2 %，能够满足既有铁路安全运营保护要求，防护措施实施效果良好。

5 结论与建议

根据工程的实际施工情况，结合数值模拟、监测数据对深厚软弱地层盾构隧道穿越既有铁路群的关键技术进行了研究，主要得出以下结论。

（1） 盾构隧道下穿既有铁路群时，可通过管片加强、路基加固、行车限速、回填道砟等措施，有效减小盾构隧道对铁路线路的影响，确保铁路运营安全。

（2） 在盾构隧道穿越铁路之前应选取100 m区段作为盾构施工试验段，不断优化盾构推进参数，控制地表变形，减少对铁路的影响;根据正面土压力，紧密结合地表变形监测，及时调整盾构掘进参数，将施工后地表变形量控制在最小范围内;根据地层情况合理制定施工参数，如刀盘转速，土仓压力，注浆压力以及掘进速度等。通过该技术方案，确保了开挖面的土压力平衡，减少了开挖面土体的坍塌、变形以及土层损失。

（3） 由于盾构开挖对地层变形影响存在一定的滞后，地铁施工对铁路的不利影响将发生在地铁施工后的一段时间，因此对铁路关键项目的监测应适当延长至地铁施工完成后3个月，直至监测数据收敛。

参考文献：

[1] GB50157-2013 地铁设计规范[S].

[2] 杜虎. 不良地层盾构区间穿越既有铁路技术研究[J]. 铁道工程学报，2020，37（4）：63-68.

[3] 吕培林，周顺华. 软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J]. 中国铁道科学，2007（2）：12-16.

[4] 杨林. 地铁盾构隧道下穿既有铁路加固方案数值分析[J]. 铁道建筑技术，2017（3）：78-82.

[5] 齐勇. 盾构下穿既有铁路股道地基沉降控制与加固研究[J]. 地下空间与工程学报，2018，14（3）：819-827.

[6] 严涛. 软土地区盾构区间下穿既有铁路的沉降分析及安全评价[J]. 铁道建筑技术，2015（1）：24-27.

[7] 蔡小培，蔡向辉，谭诗宇，等. 盾构下穿施工对高速铁路轨道结构的影响研究[J]. 铁道工程学报，2016（7）：11-17.

[8] 唐志辉. 地铁盾构隧道近接下穿既有铁路隧道加固范围优化设计——以南宁地铁4号线下穿既有槎路隧道为例[J]. 隧道建设，2020，40（8）：1185-1191.

[9] TB 10314-2021邻近铁路营业线施工安全监测技术规程[S].

[10] 姚晓明，舒波，李波. 新建盾构隧道近距离下穿既有地铁线的安全控制技术[J]. 现代隧道技术，2020，57（5）：243-250.

（编辑：高小雲）