双线盾构隧道下穿铁路股道群影响分析

杜棣宾

（广州地铁设计研究院股份有限公司,广东 广州 510010）

0 引言

近年来，我国城市地铁工程建设迅猛发展，同时也存在着大量区间隧道穿越铁路线路的现象。地铁区间隧道施工引起地层的变形及应力释放，会造成地表沉降以及对铁路路基的扰动。该文结合工程案例，对地铁盾构隧道下穿铁路路基情况进行分析。

1 工程概况

该工程地铁盾构隧道穿越铁路股道群路基段、碎石道床、钢筋混凝土轨枕，铁路列车运行速度45~110 km/h。地铁盾构隧道外径6 m，管片采用通用环，管片环宽1.5 m。

地铁与铁路线路平面交角最小约67°，地铁隧顶距铁路股道群竖向距离约14 m。二者平、剖面相对位置关系如图1~2 所示。

图1 地铁隧道与铁路平面相对位置关系

图2 地铁隧道与铁路剖面相对位置关系

该工程所处地层主要为黏土层，隧底以下为泥质砂岩（全风化）。地层力学参数如表1 所示。

表1 地层参数表

该工程地下水类型为上层滞水和基岩裂隙水。地层的透水性、富水性较弱，水量微弱。

2 盾构隧道掘进地面沉降机理

大量经验数据表明，盾构隧道施工引起的地面沉降经历先行沉降、开挖面隆沉、盾构通过时沉降、盾尾沉降、后期沉降等五个阶段[1-2]。各阶段产生变形的主要原因如表2 所示。

表2 盾构隧道掘进地表沉降阶段及主要原因

根据《铁路线路修理规则》，并结合当地类似工程经验，铁路股道群路基隆沉按照≤10 mm 控制。

3 盾构隧道下穿股道群安全性分析

3.1 基于Peck 经验公式计算

Peck 基于大量现场监测资料，提出预测地层损失及地表沉降的估算方法。隧道施工造成的地面沉降槽体积应和地层损失体积保持一致，隧道施工造成的横向地面沉降分布数据，可近似拟合为正态分布曲线[4]。

式中，Sx——地表沉降值（横向）；Vl——每延米地层损失值；x——隧道中心线与地表点水平距离；Smax——隧道中心线位置地表最大沉降值；i——沉降槽宽度系数（隧道中心线与沉降反弯点距离）；φ——地层内摩擦角；Z——隧道中心线位置的隧道埋深[5]。

针对不同的地层损失率，分别计算两条地铁盾构隧道下穿铁路股道群后地表沉降曲线，计算结果如图3所示。

图3 地面沉降曲线（Peck 经验公式估算）

计算结果显示，不同地层损失率下，双线盾构隧道分别穿越铁路股道群路基后，地面最大沉降值如表3所示。由此可见，地层损失率控制在0.7%以内，地面沉降满足10 mm 的变形控制要求。

表3 不同地层损失率下隧道穿越后地表最大沉降值

结合当地地层的盾构施工经验，地层损失率控制在0.5%以内，可满足铁路股道群路基的变形控制要求。

3.2 有限元模拟计算

根据工程实际情况，建立有限元模型，对地铁盾构隧道下穿股道群进行模拟，在地层损失率为0.5%的前提下进行有限元分析，模型如图4 所示。

图4 盾构隧道穿越铁路股道群有限元模型

分析计算结果如图5 所示，第一条地铁盾构隧道掘进引起铁路路基最大沉降值为3.4 mm，最大沉降位于第一条盾构隧道中心线处上方。第二条地铁盾构隧道掘进完成时，铁路路基最大沉降位于第一条盾构隧道与第二条盾构隧道中间，铁路路基最大沉降值为4.6 mm。

图5 有限元分析铁路股道群路基沉降云图

3.3 计算结果分析

根据Peck 经验公式、有限元模拟计算结果，铁路股道群路基沉降计算值如表4 所示，均可满足铁路路基变形控制指标的要求。

表4 铁路股道群路基沉降计算值 /mm

4 盾构隧道下穿铁路股道群施工控制措施

（1）加强盾构掘进参数控制，包括：土仓压力控制、掘进速度控制、出土量控制、纠偏控制、管片拼装质量控制、壁后注浆环箍注浆控制、地层损失量控制[6]、加强监控量测、信息化施工等。

（2）穿越前100 m 设置试验段[7]，根据试验段参数指导后续施工。

（3）下穿段采用配筋加强型、增设注浆孔管片[8]。

（4）行车限速，充分了解铁路行车计划，并利用好铁路列车行车间隔，做好施工组织方案。

（5）盾构机通过后，根据监测结果排查轨道状态，必要时采取起道调砟的方式确保轨道平顺，满足铁路安全运营的要求。

5 现场监测情况

目前该地铁盾构隧道已掘进完成，根据现场监测所反馈的数据，单条地铁盾构隧道掘进完成后路基最大沉降值3.1 mm，双条地铁盾构隧道施工完成后路基最大沉降值4.5 mm，与计算分析结果基本一致，满足变形控制指标要求。

6 结语

该文依托工程案例，对双线盾构隧道穿越铁路股道群路基情况进行研究分析，提出相应的施工控制措施，并结合现场监测数据，验证计算分析的合理性。

（1）基于Peck 经验公式，分别对双线盾构隧道穿越引起的铁路路基沉降进行预测，基于0.5%的地层损失率，单条地铁隧道下穿引起地面沉降约4.1 mm，双条地铁隧道下穿引起地面沉降约5.6 mm。

（2）建立有限元模型，对双线盾构隧道下穿铁路股道群进行模拟，根据计算结果，单条地铁隧道下穿引起地面沉降约3.4 mm，双条地铁隧道下穿引起地面沉降约4.6 mm。与Peck 经验公式预测结果基本一致。

（3）提出针对盾构隧道下穿铁路路基的针对性措施。

（4）现场监测结果揭示，单条盾构隧道掘进完成后路基最大沉降值3.1 mm，双条盾构隧道掘进完成后路基最大沉降值4.5 mm，满足变形控制要求。