盾构隧道下穿既有运营铁路影响性分析及控制技术研究

摘要：盾构隧道下穿施工对既有运营铁路的影响较大。依托徐州某涉铁工程实例，采用Midas GTS NX软件建立有限元模型，研究了隧道下穿过程中铁路变形的动态变化过程，分析了铁路钢轨的高低和水平不平顺情况。结果表明：盾构隧道穿越过程中铁路路基沉降值逐渐增大，最后趋于稳定；隧道施工引起的铁路路基沉降分布曲线可近似为正态分布，且下穿位置正上方路基沉降值最大；铁路钢轨的高低和水平不平顺最大值满足规范要求。盾构隧道下穿京沪铁路设计方案可行，为进一步保证下穿施工的安全提出了涉铁施工一系列保护措施，为类似工程提供参考。

关键词：盾构隧道；下穿施工；铁路路基；铁路桥梁；有限元分析

中图分类号：U455.43文献标志码：A随着城市地铁建设的发展，地铁盾构隧道下穿既有运营铁路的情况逐年增多，下穿施工会引起土层不均匀沉降，可能导致列车脱轨及人员伤亡，对铁路运营产生较大影响。

诸多学者针对盾构隧道涉铁工程进行了一系列研究。PECK［1］最早提出了预测隧道施工引起地表沉降的公式。周顺华［2］系统总结了盾构隧道下穿各类风险源的控制指标、控制方法及工程案例。赵旭伟［3］采用现场实测与有限元模拟相结合的方法，探讨了盾构下穿大型铁路枢纽过程中铁路变形规律及安全控制措施。彭华等［4］通过数值模拟、现场实测分析了盾构下穿施工中道床沉降的时程变化规律及沉降槽发展趋势，探究了沉降规律与盾构施工参数的关系。肖立等［5］采用数值模拟和现场监测数据相结合的方法对比分析盾构穿越施工时铁路路基沉降的规律。屈克军［6］采用数值分析方法计算了新建隧道临近并行既有线、下穿单线和下穿多线等关键施工过程中盾构掘进对临近既有线沉降的影响，对比分析了拟采用的施工措施对既有线沉降的控制效果。刘远明等［7］通过数值模拟分析铁路路基沉降特点，研究不同水平间距双线隧道下穿施工引起既有铁路路基的沉降变形规律。目前，涉铁工程的研究主要集中在路基沉降最大值和分布曲线的分析上。然而，隧道下穿过程中铁路变形是一个动态变化的过程，其变形特征并非固定不变。此外，对于钢轨的不平顺情况也缺乏针对性分析研究。

本文以徐州某涉铁工程为背景，建立有限元模型，分析盾构隧道下穿施工对既有运营铁路的影响，并研究施工过程中铁路沉降的动态变化规律和钢轨的不平顺情况，同时提出相应的施工保护措施，为类似工程设计和施工提供参考。

1工程概况

徐州某涉铁区间自东向西下穿京沪普速铁路，同时侧穿铁路桥（图1、图2）。该盾构隧道外径6.2 m，管片厚度0.35 m，环宽1.2 m。京沪铁路是我国铁路的南北大动脉，为国家Ⅰ级电气化铁路。下穿区域共三股道（京沪客运上行线120 km/h、京三线（货运）80 km/h、京沪客运下行线120 km/h，行车对数124对），钢筋混凝土轨枕，碎石道床，穿越段铁路为直线。下穿位置隧道北侧为京沪铁路跨玉泉河桥，桥梁为钢筋混凝土低高度板梁桥，基础为扩大基础，基础埋深约6 m。

区间隧道与京沪铁路最小平面夹角约69°，覆土埋深（盾构顶面与铁路路基底面的竖向距离）约20.5 m，区间隧道距离北侧铁路桥桥台最小水平距离约9.12 m，区间隧道距离南侧道岔岔心最小距离约20.78 m，距离岔尖最小距离约4.64 m，主要穿越土层为中风化灰岩。

2模型建立及工况模拟

2.1有限元模型

根据区间隧道与铁路路基段、铁路桥的位置关系，本工程运用Midas GTS NX软件进行三维影响分析。有限元计算模型如图3所示。模型长、宽、高分别为260 m、115 m、50 m，侧面约束水平平移自由度，底面约束水平和竖向平移自由度，尽量消除边界效应的影响。土体采用莫尔-库伦本构，并对土体进行钝化来模拟隧道开挖，同时在隧道土体外析取板单元来模拟盾构管片，根据盾构隧道的实际工序来模拟隧道开挖（图4）。

2.2土层参数

本工程分析所采用的地层参数如表1所示。

2.3施工掘进模拟

根据实际情况将施工过程划分为12个工况模拟，如表2所示。

3影响性分析

3.1铁路纵向路基沉降

通过有限元模拟计算得到盾构隧道施工过程中京沪铁路上行线、京三线、下行线各股道中心处路基顶面的沉降分布曲线，如图5所示。

盾构施工引起的沉降大致可分为5个阶段［8］：①先行沉降；②开挖面隆沉；③盾构通过时沉降；④盾尾沉降；⑤后期沉降。由图5可知：盾构穿越过程中铁路路基沉降值逐渐增大，最后趋于稳定；盾构施工引起的铁路路基沉降分布曲线可近似为正态分布［1］，且下穿位置正上方路基沉降值最大。

盾构施工引起的京沪铁路上行线路基最大沉降为1.119 mm、京三线路基最大沉降为1.121 mm、下行线路基最大沉降为1.128 mm，满足路基沉降10 mm控制要求［9］。京沪铁路岔尖位置位于“京三线路基中心沉降曲线”中的“路基纵向坐标为70”处，对应最大沉降为0.500 mm，未超过1 mm的控制标准［10］。

3.2路基沉降速率

根据轨道交通施工经验，盾构隧道施工速度一般为6 环/d，本工程管片环宽1.2 m，即施工速度为7.2 m/d。由于京沪铁路下行线股道在盾构穿越后总沉降量最大，选取该股道作为对象计算路基沉降速率。结合相应工况下行线股道路基顶面的沉降量和掘进间隔时间，计算得到该股道在各工况施工时间内路基顶面的平均沉降速率，如表3所示。

由表3可知：在工况2（右线盾构掘进至京沪铁路下行线中心处，激活前一工况管片）时，京沪铁路下行线路基顶面的沉降速率最大，为0.291 mm/d，未超出《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB 10314—2021）中路基沉降速率2 mm/d的控制标准［9］。

3.3轨道几何状态

3.3.1钢轨高低不平顺

根据各工况下各股道左、右轨的竖向变形结果，按照10 m弦长计算钢轨高低不平顺情况，结果汇总如图6所示。

由图6可知：盾构施工引起的京沪铁路上行线钢轨高低不平顺最大值为0.095 mm，京三线钢轨高低不平顺最大值为0.097 mm，下行线钢轨高低不平顺最大值为0.105 mm，未超过《普速铁路线路修理规则》（TG/GW 102—2019）中计划维修状态下6 mm的高低不平顺控制指标［10］。

3.3.2钢轨水平不平顺

根据各工况下各股道左、右轨的竖向变形结果，计算各工况下钢轨的水平不平顺，计算结果如图7所示。

由图7可知：盾构施工引起的京沪铁路上行线钢轨水平不平顺最大值为-0.059 mm，京三线钢轨水平不平顺最大值为-0.056 mm，下行线钢轨水平不平顺最大值为-0.055 mm，未超过《普速铁路线路修理规则》（TG/GW 102—2019）中计划维修状态下6 mm的水平不平顺控制指标［10］。

3.4京沪铁路桥梁变形

隧道下穿施工后铁路桥位移如图8、9所示。

侧穿铁路桥，右线隧道侧穿后铁路桥最大沉降为0.800 mm，左线隧道侧穿后铁路桥最大沉降为0.890 mm。右线隧道侧穿后铁路桥最大X方向水平位移为-0.026 mm，左线隧道侧穿后铁路桥最大X方向水平位移为-0.017 mm。右线隧道侧穿后铁路桥最大Y方向水平位移为-0.560 mm，左线隧道侧穿后铁路桥最大Y方向水平位移为-0.832 mm，满足桥梁变形的控制要求［9］（墩台水平位移±7 mm，墩台竖向位移＋3/－8 mm）。

4施工控制技术

1）施工筹划：本隧道采用2台盾构机进行掘进，左、右线分开下穿，减小相互影响；右线盾构机始发后左线盾构再进行掘进，两线盾构机应错开1个月掘进，保持安全距离。

2）设置试验段：设置不少于100 m盾构推进试验段，在事先设定的推进速度、注浆参数等基础上，根据监测反馈结果实时调整，摸索出最优的施工参数匹配方案，减少对铁路设施的干扰。

3）下穿前盾构机检查：为了保证下穿处施工质量和减少对铁路的影响，在下穿前先做好姿态调整从而避免下穿处因意外等造成大的偏离及相应的纠偏，也可以保证此处管片拼装质量，避免运营期可能出现的地下水渗漏。同时做好机械设备保养，及时检查刀具磨损量，有磨损应立即更换。避免长时间停机、换刀、开仓，机械设备维修，消耗品停机更换，做到稳步掘进，顺利穿越。

4）预埋注浆管：在铁路路基和桥台基础中预埋注浆管，变形监测出现预警时，及时进行注浆，限制变形的进一步发展。

5）铁路防护措施：采用铁路防护常用的扣轨加固措施，对区间下穿影响范围内的轨道进行加固，提高轨道自身抗变形能力；同时，对道岔提前进行钉闭处理，控制道岔的位置和方向，确保列车能够顺利行驶。

6）盾构掘进施工控制［11］：①掘进参数控制。盾构推进主要依靠液压缸推力，盾构推力应满足正面土体主动土压力+水压+总摩擦力＜盾构总推力＜正面土体被动土压力+水压+总摩擦力。避免推力过大导致正面土体因挤压而变形。②土仓压力控制。维持土仓压力与作业面压力（土压+水压）平衡，是防止地层变形、保证桥梁安全的重要因素，可通过设定掘进速度、调整排土量实现。③控制出渣量，控制地层损失。应保持开挖量和排土量平衡，若没有控制好出土量，出现较大的超挖现象，会导致正面土体失稳、坍塌，导致桥梁变形。④推进速度及纠偏。推进速度不宜过快，过快难以保证同步浆液的注入量和盾尾密封油脂的饱满压入，也不宜过慢，过慢会增加对盾构周边土体的扰动，增大沉降。应保证盾构匀速推进、连续施工，杜绝出现盾构停滞甚至后退现象，以减少盾构对土体的扰动。⑤管片拼装应及时，缩短盾构停推时间。⑥加强同步注浆、二次注浆。

7）隧道穿越影响段采用预留注浆孔且钢筋加强型管片。

8）盾构下穿施工过程中，铁路线路应进行限速，同时做好沉降变形和沉降速率的监测工作，采用信息化施工，根据监测情况适当调整限速时间和限速值。

9）盾构穿越完成并沉降稳定后，及时对道岔、转辙机等铁路设备进行测量、检查，进行必要的抬道补碴等修复工作。

10）在施工中做好监测工作，并及时反馈测量成果到掘进作业班组，实时调整盾构掘进姿态、土仓压力、推进速度、出土速度、注浆速度及注浆量等盾构施工参数，做到合理化施工。

5结论

1）根据分析计算，盾构穿越过程中铁路路基沉降值逐渐增大，最后趋于稳定；盾构施工引起的铁路路基沉降分布曲线可近似为正态分布，且下穿位置正上方路基沉降值最大。

2）根据分析计算，盾构施工引起的京沪铁路路基沉降、沉降速率、钢轨高低和水平不平顺值均满足控制标准。

3）根据分析计算，盾构隧道下穿引起京沪铁路桥桥台和桥墩的水平、竖向位移未超过变形控制标准。

4）本文针对盾构下穿既有运营铁路的情况提出了施工筹划、设置试验段、预埋注浆管等一系列施工控制措施，保证了盾构穿越铁路施工的安全，为类似工程提供参考。参考文献：

[1]PECK R B. Deep excavation and tunneling in soft ground［C］// Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico： Etat Actuel Des Conaissances， 1969： 225-290.

［2］ 周顺华. 地铁盾构法隧道下穿工程［M］. 北京： 科学出版社， 2017.

［3］ 赵旭伟. 软土地层盾构下穿铁路枢纽沉降规律及施工控制［J］. 隧道与地下工程灾害防治， 2022， 4（2）： 59-65.

［4］ 彭华， 杨志蔚， 曹全， 等. 盾构下穿铁路碎石道床沉降规律及施工参数控制［J］. 工程力学， 2019， 36（增刊1）： 222-228.

［5］ 肖立， 张庆贺. 铁路轨道下盾构施工所致地面沉降的数值模拟［J］. 同济大学学报， 2011， 39（9）： 1286-1291.

［6］ 屈克军. 盾构隧道施工对临近既有线沉降影响的数值分析［J］. 贵州大学学报（自然科学版）， 2021， 38（5）： 94-100.

［7］ 刘远明， 费富华， 陈会宇， 等. 双线隧道下穿施工对铁路路基沉降影响数值分析［J］. 贵州大学学报（自然科学版）， 2023， 40（3）： 107-113.

［8］ 洪开荣. 盾构与掘进关键技术［M］. 北京： 人民交通出版社股份有限公司， 2015.

［9］ 国家铁路局. 邻近铁路营业线施工安全监测技术规程： TB 10314—2021［S］. 北京： 中国铁道出版社， 2021.

［10］中国铁路总公司. 普速铁路线路修理规则： TG/GW 102—2019 ［S］. 北京： 中国铁道出版社， 2019.

［11］杜棣宾. 盾构隧道下穿铁路桥梁影响分析［J］. 工程技术研究， 2023， 8（18）： 1-4.

（责任编辑：周晓南）

Study on Impact Analysis and Control Technology of Shield Tunnels

Undercrossing Existing Operating Railways

QU Zejun JIANG Shenghua WANG Tianlong

（1.China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Hefei 230022， China; 2.School of Management， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： The shield tunneling construction has great influence on existing operating railways. This paper has studied the dynamic changes of railway deformation during tunneling， and analyzed vertical and horizontal unevenness of railway tracks by relying on a case study of a railway-related project in Xuzhou and employing Midas GTS NX software to establish a three-dimensional finite element calculation model. The results show that： in the process of shield tunneling， the settlement value of the railway roadbed gradually increases， and eventually becomes stabilized. The distribution curve of railway roadbed settlement caused by tunnel construction can be approximated as a normal distribution， with the roadbed settlement value directly above the tunneling position being the maximum. The maximum values of vertical and horizontal unevenness of the railway tracks meet the regulatory requirements. In addition， it also demonstrates the feasibility of the design scheme for tunneling underneath the Beijing-Shanghai railway. To further ensure the safety of tunneling construction， a series of protective measures for railway-related construction are proposed to provide reference for similar projects.

Key words： shield tunnel; tunneling construction; railway roadbed; railway bridge; finite element analysis