盾构隧道下穿既有铁路变形影响分析

0 引言

随着城市轨道交通建设的大力发展，城市轨道交通线网不断密集，盾构法以其绝对性优势成为在城市轨道交通建设中最为广泛的施工方式[1]。同时，越来越多的盾构隧道下穿既有建（构）筑物，盾构施工过程中会引起地表沉降和既有建（构）筑物变形，施工前应充分考虑由于盾构隧道引起的土体位移和地层扰动[2]。本文依托南京地铁某新建线路下穿宁芜铁路线为背景，阐述既有线加固保护措施，并在下穿过程中采用智能监测系统实时自动化监测，结合现场监测数据分析盾构施工过程中的铁路变形规律，为后续类似地质穿越工程施工提供参考。

1 工程概述

1.1 项目概况

南京地铁某新建线路盾构下穿宁芜铁路正线（K33+997.140～K34＋136.404）。地铁盾构出西善桥站后，沿宁芜铁路（宁芜公路平行且邻近宁芜铁路）向西南前行，下穿宁芜铁路，天保立交，然后到达西善桥停车场。盾构区间左线在宁芜线K34+032位置斜穿铁路，盾构区间右线在宁芜线K34+095位置斜穿铁路，与铁路斜交角度约22°。地铁盾构内径5.5m，下穿范围盾构隧道距轨顶埋深为3.6～6.1m。（如图1所示）

图1 盾构穿越段与既有铁路平面、剖面位置关系图

1.2 地质条件

1.2.1 工程地质特征

本工程上覆土层以人工填土、粉质黏土和粉砂为主，局部地段分布粉质黏土混卵砾石或卵石混圆砾，下伏基岩为白垩系浦口组泥质砂岩或砂质泥岩。

1.2.2 水文特征

本工程地势相较低，局部地段夏季雨水季节偶有积水现象，一般不会受洪涝灾害的影响。周边没有地表水体分布。场地地下水较丰富，有潜水，微承压水及基岩裂隙水等，含水层厚度较大，对施工具有一定影响。场地浅部层2-1b2、层2-2b3粉质黏土地下水较少，富水性弱，对工程影响不大。层1填土、层2-3d4、层2-4d3粉砂中孔隙潜水、微承压水和深部基岩裂隙水对工程有一定影响。

2 铁路结构自动化监测

2.1 监测方法

为实时反映盾构施工对既有铁路结构的影响，更好地指导施工，形成铁路运营、施工、监理、监测等多部门信息联动与信息共享机制，采用基于Leica TM50智能监测系统完成项目数据采集、分析处理、云平台发布及实时监控，对既有线路轨道与路基结构进行全方位监控量测，为铁路管理方提供及时、可靠的数据和信息，及时判定既有结构的安全[3]。

本项目自动化监测系统在盾构穿越期间1次/2h，施工结束后首周1次/4h，施工结束第二周1次/8h，后续至跟踪期结束缓慢降频为1次/1天，当发生数据超预警值后须加密监测频率至每半小时1次。

2.2 监测网布设

2.2.1 工作基点布设

根据现场踏勘，盾构并行段在监测区内布设1个工作基点（GZ1），布设位置选择在附近某公司场地内北侧；盾构下穿段在监测区内增设1个工作基点（GZ2），布设位置选择在宁芜公路南侧，保证工作基点观测范围覆盖全部监测点以及对应的起算基准点，并满足基准网网形和精度要求。

2.2.2 监测点布设

盾构施工影响区域全长约480m，每10m布设一个监测断面，共布设49个监测断面，每个监测断面布设2个轨道监测点和2个路基监测点，轨道监测点布设在工作基点一侧的轨道侧面，路基监测点布设在轨道两侧的道砟之上；轨道监测点采用钢板粘结材料将L型Leica监测棱镜固定于轨枕上，路基监测点采用1.5m长钢钎（直径约3mm）扣小棱镜作为沉降监测点，并用水泥砂浆填埋以确保监测点的稳定性。

铁路加固施工期间需架设便梁和条基，在既有监测断面内增设便梁支墩和条基监测点，监测点采用L形小棱镜，棱镜底部加装钢板粘结材料固定于条基和便梁支墩上部。

3 盾构穿越施工关键点及控制措施

3.1 盾构穿越段施工关键点

①本工程线路安全防护由D型钢便梁、钢条基（混凝土条基）、支座、承台、桩基组成，其中条形基础共设6道（1#～6#）。

盾构下穿铁路段使用钢条基和混凝土条基进行脱换施工，2#条基底部距离盾构管片上沿距离只有0.56m，为减少盾构施工对既有铁路的变形影响，在2#条基施工完成后对2#条基下方0.2m土体进行刨除，因盾构刀盘外径与管片存在0.135m间隙，刨除该土体后，盾构掘进覆土仅为0.225m。剩余1#条基刀盘上部覆土为0.525m，3#条基刀盘上部覆土为2.295m，4#条基处覆土为2.145m，5#条基处覆土为1.735m，6#条基处覆土为3.025m，覆土最深处不足3m。

②盾构下穿铁路段线路纵向呈“一”字坡，最大坡度达35‰，盾构机掘进过程中姿态调整及轴线控制困难。

③盾构下穿段开挖面地层上部为粉砂，下部为砂质泥岩，属于上软下硬复合地层，容易引起盾构机偏移，掘进控制难度大。

小半径、大纵坡、浅覆土盾构施工时盾构对外侧地层是挤压的状态，容易使盾构机姿态和管片姿态上浮，导致既有铁路产生变形[4]。

3.2 盾构穿越段控制措施

3.2.1 铁路加固

既有铁路每股道采用5孔D24型军便梁防护铁路路基，在1#条基大里程侧设置一孔D16型军便梁作为托梁，军便梁下设6道条型基础，其中1#、3#、4#、6#为钢箱梁条基，结构宽度2.5m，高度2.0m，下接桩基础、承台、支座。2#、5#为砼条型基础，结构宽度3m，高度3m，下接桩基础。如图2所示。

图2 涉铁加固平面示意图

3.2.2 梁下处理

为保证掘进过程中掌子面上部土体稳定，在1#、2#、5#梁下浇筑50cm M5砂浆稳定上部土体。

3.2.3 钢纤维多孔管片

下穿铁路期间，由于受到上部列车动载影响，需要对铁路钢筋混凝土管片配筋进行加强，在管片中添加钢纤维以提高管片强度和抗裂性能，掺量为60.0kg/m3，以增强其抗裂性。针对盾构下穿铁路段，在管片原有6个注浆孔的基础上增设10个注浆孔，满足必要时注浆需求。

3.2.4 掘进参数控制

为保证盾构穿越既有铁路施工安全，以穿越铁路段正投影前30m作为施工掘进试验段，验证掘进参数[5]。通过试验段对盾构机参数及变形监测数据进行综合分析，研究各阶段监测数据与掘进参数的关系，通过实时调整掘进参数以确保铁路结构处于稳定状态[6]。

根据现有涉铁加固图纸及方案，盾构穿越宁芜铁路处，刀盘上方最小覆土为0.225m，覆土非常浅，必要时盾构机上方可不减压进行掘进，避免土压过大对上方土体造成破坏。

区间掘进至铁路段后，掘进速度控制在20～30mm，根据现场施工情况及监测数据及时调整掘进速度及推力，掘进速度应保证出土平衡及土仓压力，同时推力也应适中，掘进过程中推力以不超过10000kN为宜[7]。

穿越区域为上软下硬复合地层，盾构机应采取平衡法掘进，以平衡的推力、速度、扭矩控制掘进，尽量降低对地层的扰动，避免某个参数明显异常。

为了控制既有铁路结构变形，需要使密封土舱内的进土量与出土量达到匹配状态。盾构开挖过程中以每环49～52m3控制，并动态调整螺旋输送机转速控制出土量参数[8]。

盾构在宁芜铁路区间穿越涉及地层包括②-4d3粉砂、K2p-2b强风化砂质泥岩和K2p-3b中等风化砂质泥岩，其中上部以粉砂为主，实际注浆量以理论方量的150%～200%，缩短浆液凝结时间控制在6h内。根据现场情况和监测数据实时调整注浆参数。掘进完成后根据监测数据及现场情况进行二次注浆加固，提高成型管片的强度。

4 数据分析

选取盾构下穿期间的条基与铁路路基特征处的垂直位移变化情况生成历时曲线图如图3所示。

图3 垂直位移变形曲线图

从图3可以看出，盾构穿越过程中，右线盾构先穿越既有铁路，下穿初期条基变形较小（平均下沉-0.4mm，最大下沉-1.1mm），铁路结构处于安全稳定状态；穿越后轨道和路基出现轻微下沉（平均下沉-0.7mm，最大下沉-2.1mm），变形量处于铁路变形控制标准之内；后期随着二次注浆的进行，在既有铁路下方形成长期、均匀、稳定的加固体，沉降变形趋于平稳。

5 结语

以盾构隧道下穿铁路变形监测为研究背景，阐述盾构穿越前铁路结构加固措施，分析盾构掘进过程中各参数变化情况及既有铁路监测数据变化规律，实时指导盾构施工，确保了下穿工程安全顺利完工。同时，在本项目盾构穿越过程中，盾构机掘进时呈极限上坡姿态，且上部覆土较浅，无法保压推进，易引起既有铁路轨道隆起，掘进时结合自动化实时监测数据，采用超前超限负姿态盾构欠压及二次补浆的综合控制技术，保证既有铁路结构处于稳定状态，也为类似工程项目的开展积累相关经验。