矿山法地铁隧道下穿既有铁路路基影响研究

摘要：为了降低矿山法隧道施工可能对既有铁路结构造成的影响，深入分析了矿山法地铁隧道下穿既有铁路对铁路路基的影响，并根据相应的影响因素制定针对性的应对措施。优化矿山法地铁隧道开挖施工，有利于避免施工可能导致的既有铁路周边土体变形、路基沉降等问题，维护既有铁路运营的安全性。

关键词：矿山法；既有铁路路基；有限元模型；管棚；小导管

0 " 引言

在修建地铁的过程中，经常会遇到交通线路交叉、穿越的情况，其中隧道下穿既有铁路比较常见。在隧道下穿既有铁路的过程中，施工行为可能对既有铁路地层造成扰动，引发路基沉降或变形等问题。如果路基沉降超过一定标准，既有铁路结构将面临损坏的风险。

矿山法对地层的适应性较强，并且具有造价低、占地面积小、断面灵活性强等特点，广泛应用于隧道下穿既有铁路施工。国内学者主要通过建立模型、录入参数、计算分析等方式，计算分析新建地铁对原有隧道的影响，在此基础上制定针对性的应对措施。为了降低矿山法隧道施工可能对既有铁路结构造成的影响，本文深入分析了矿山法地铁隧道下穿既有铁路对铁路路基的影响，并根据相应的影响因素制定针对性的应对措施。

1 " 项目概况

以某城市轨道交通7号线工程矿山法区间为例，该隧道沿南北方向延伸，6号线隧道沿东西方向延伸，新修线路与既有铁路存在相交关系。矿山法竖井基坑位于6号线隧道北侧，基坑与6号线隧道平面最小静距离约16m。6号线区间隧道在新修建铁路隧道结构正上方，两条线路的最小静距离约2.713m。项目区域地下水类型以松散岩类孔隙潜水为主，其他地下水类型有岩溶水和基岩裂隙水。项目区域隧道埋深在34～82m之间，隧道开挖直径约7m，埋深超过3m，属于深埋隧道。

2 " 有限元模型分析

2.1 " 模型建立

为了解矿山法地铁隧道下穿既有铁路对路基造成的影响，本工程采用Midas GTS NX软件建立地铁的三维有限元模型。该模型由4个部分组成，分别是既有铁路路基、既有铁路6号线区间、新建铁路7号线区间和周围土体，有限元模型如图1所示。

建立三维有限元模型时，需要消除模型边界效应，其中X轴（横轴）方向取120m，Y轴（纵轴）方向取80m，Z轴方向（深度）取90m。采用四节点四面单元与八节点六面体单元，总共划分为50671个实体单元和61773个节点，分别对模型前后的左右边界施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加任何约束。

2.2 " 参数设置

为准确地反映出矿山法地铁隧道下穿既有铁路路基产生的影响，本文选择修正摩尔-库伦本构模型分别计算新建地铁对既有铁路结构变形及内力。岩土体物理力学参数见表1。

2.3 " 荷载检验

该模型不仅要考虑自重，还要考虑列车行驶荷载以及地面行车荷载，采用“中-活载”图示对列车活载进行检验，地面行车荷载取值20kPa。

2.4 " 模拟施工

在矿山法隧道开挖时，要先完成左线隧道的开挖，随后再进行右线隧道开挖。左右线隧道开挖按照规定步序进行操作，两条隧道在开挖时分别要完成初期支护以及二次衬砌等操作。在建立模型和设置参数后，本文按施工步序进行模拟施工，模拟施工时通过应力释放因子来考虑土体的应力释放。

3 " 模拟计算结果及分析

3.1 " X向位移

左线和右线施工结束后，土体模型X轴发生水平位移。计算结果说明，新建矿山法地铁隧道施工会对区域范围内的地层造成扰动，导致土体发生位移。横向层面上，矿山法地铁隧道开挖可能产生横向沉降槽。而地铁路基分布在横向沉降槽的不同位置，除了会产生最大沉降外，还可能发生不均匀沉降的问题。计算分析发现最大横向沉降槽约5.9mm，位于左线隧道正上方，右线隧道开挖结束后地表最大沉降增长至7.3mm。地表沉降槽位置向隧道中间部位移动，与X向位移有直接关系，沉降槽位移存在对称性。

分析认为，本项目中隧道埋深很大，具有较高的水土侧压力，新旧隧道之间缺少较大净距，周边土体发生位移后隧道将会面临被挤压的风险。因此在施工设计中，要注意控制土体发生水平位移，防止导致既有铁路路基发生不均匀沉降或最大沉降，避免造成隧道变形。

3.2 " Y向位移

左右线施工结束后，土体Y轴会发生水平位移。在施工时，掌子面开挖土体可能有大量应力产生，从而导致掌子面沿Y轴反向位移。这种力可能会给土体和地面产生影响，导致Y轴位移的问题进一步加剧。计算发现，铁路路基沿Y轴发生的水平位移偏小，说明路基受水平位移的影响较小，可以不考虑Y轴水平位移。

3.3 " Z向位移

左线与右线施工结束后，土体可能发生竖向位移。计算中发现，在矿山法地铁隧道施工中，暗挖施工可能造成不同地层损失，导致土体产生竖向位移。地层的损失可能导致隧道顶部的部分土体发生沉降，底部土体受地铁开挖卸荷的影响可能出现隆起的现象。

模拟计算结果显示，左线施工结束后地表最大沉降值约7.3mm，右线施工结束后地表最大沉降值约9.3mm。新隧道和旧隧道上方的地表经历沉降后，沉降地表为W形。W形地表沉降的最低点为左右线隧道与旧隧道相交的部位，左线隧道上方地表的最大沉降值约9.3mm，右线正上方地表最大沉降值约9.0mm。两线施工结束后地表最大沉降值约9.3mm，符合10mm沉降值控制标准的要求。

3.4 " 隧道内力

矿山法隧道开挖作业前后，既有铁路盾构隧道衬砌结构内力极值见表2。

矿山法隧道开挖卸荷，会使既有铁路盾构隧道拱顶垂直土压力减小，衬砌结构的内力下降，弯矩、轴力与剪力减幅趋势明显。两线开挖结束后，既有铁路出入口板墙底板弯矩增可能幅较大，必须采取相应措施来提升既有铁路出入口板墙的承载力，最大化降低新建矿山法隧道可能对既有铁路路基造成的影响。

4 " 保护措施

根据模拟计算结果，新建矿山法隧道对既有铁路路基的影响可控。隧道开挖导致部分土体损失以及土层水位下降，使土体孔隙水压力消散，造成土体有效应力上升，在原有土层中可能发生新的沉降，从而导致既有铁路路基沉降。为降低部分土层损失直接导致的既有铁路路基下降问题，本文选择用超前管棚联合超前小导管的支护体系进行处理。

4.1 " 管棚施工

4.1.1 " 准备工作

布置超前管棚支护体系前，施工单位要确定好管棚支护的各项参数，如钢管直径、间距、长度、仰角、钢架间距、注浆参数等。对需要增加强度和刚度的钢管，可以在管内设置钢筋笼后采用水泥砂浆进行填充。

根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）的要

求，该项目管棚钢管直径为120mm，钢管中心间距为管径的2～3倍，管棚长度不小于10m，纵向两组管棚的搭接长度不小于3。管棚布置示意图如图2所示。

4.1.2 " 施工技术要点

管棚施工前，采用坐标法对导向管进行测量定位，并制作和安装钢拱架。本文选择的是118钢拱架，其由3个节段组成，每个节段端部焊接在厚度为16mm的钢板上，并使用高强度螺栓对各节段进行拼装。检查合格后将钢拱架设置在基岩面上，并保证其的平整度和稳定性。施工过程中，先将导向管固定在拱架上，采用22mm钢筋进行绑扎，导向管采用长度不小于2m的140mm×5mm钢管。

采用先注浆后钻孔的形式，进行混凝土套拱浇筑。浇筑时要保护好导向管管口，避免导向管被堵塞。在保护套拱以及各类指标达到标准规范后，采用液压钻机进行钻孔。钻孔结束后，及时将孔内的残渣清理干净，防止堵孔，并采用专门的仪器对钻孔实施检验，钻孔检验合格后开始制作管棚的钢管。

4.1.3 " 施工材料选择

本项目制作管棚的钢管采用热轧无缝钢管，其直径为120mm，厚度为8.27cm，长度为200cm，采用150mm丝扣对钢管接头进行连接。在钢管上设置注浆孔，注浆孔直径为10～16mm，孔距在150～200mm，采用梅花形布置方式，并在钢管尾部设置止浆段。

4.2 " 小导管注浆施工

4.2.1 " 小导管结构

小导管采用70mm热轧无缝钢管，管壁厚度为5mm，长度为4.0m，钢管前端呈尖锥状，尾部焊接加箍筋，避免小导管端部开裂对注浆管连接造成影响。小导管外插角需要保持在设计标准范围内，采用人工作业的方式进行安装，并与钢架焊接固定。小导管示意图如图3所示。

4.2.2 " 钻孔

采用YT-28型风动凿岩机进行钻孔，钻孔结束后将小导管顶入。对小导管尾部与钢架进行焊接，使其形成一个完整的超前支护体系。顶入小导管后，将注浆泵的高压胶管和管口连通，使用水泥药卷或棉纱将钻孔和注浆管之间的缝隙封堵，避免在注浆时发生浆液渗漏的问题。在管路接通后对其压力进行检查，在检查合格后开始正式注浆。

4.2.3 " 注浆

注浆从两侧对称向中间进行，自上而下逐孔进行。注浆时，施工人员要密切观察注浆的情况，一旦发现跑浆、串浆等问题，要立即停止注浆。注浆结束后，施工单位要将注浆孔堵住，并密切观察注浆后的情况，一旦发现问题应立即处理。通过此方法，最大限度发挥小导管注浆施工对土体的支撑作用，防止矿山法地铁隧道开挖可能导致的既有铁路路基沉降的问题。

4.3 " 管棚联合小导管施工支护方案

矿山法地铁隧道在穿越既有铁路时，隧洞支护采用长管棚联合小导管注浆的施工方案。为减少开挖振动可能对既有铁路路基造成的影响，根据隧洞断面的设计尺寸和开挖要求，本文初步考虑采用三台阶临时仰拱开挖方案。

先做好超前管棚联合小导管超前支护施工，对区域范围内的石方进行开挖，并将HW300钢拱架作为临时支撑。初期支护中，可以初喷40cm混凝土，并架设临时仰拱或HW300型钢拱架，钢架之间间隔2m。采用槽钢连接，其余部分采用Φ28mm的钢筋来连接。然后浇筑混凝土，形成钢架混凝土结构。最后采用自行式二次衬砌台车，一次性进行边墙和顶拱的二次衬砌混凝土浇筑。

5 " 结束语

综上所述，矿山法地铁隧道开挖过程中，受土体损失、岩土结构破坏等影响，必然会扰动工程区域内的土体，引发土体位移、沉降等问题。采用加固、支护等方式降低对既有铁路路基的影响。同时为了确保矿山法地铁隧道施工高效率、高质量地开展，需要进行工程设计。在设计过程中，及时找出矿山法隧道开挖给土体、地表等带来的问题，以此来制定针对性的施工计划和方案。

矿山法地铁隧道下穿既有铁路的施工过程中，最大的影响是土体损失、地下水损失等导致的既有铁路路基沉降问题。为防止这些问题，本文采用管棚加小导管注浆的支护方式，通过对土体变形进行控制，最大限度降低开挖施工可能造成的各种不良影响。

参考文献

[1] 占付民，何寿海，谢仁良.近距离矿山法隧道施工既有地铁

结构保护技术研究[J].建筑技术开发，2024，51（4）：57-59.

[2] 陈会宇.贵阳轨道交通区间隧道下穿既有铁路施工关键技

术研究[D].贵阳：贵州大学，2022.

[3] 陈昊.浅谈地铁矿山法暗挖隧道下穿既有铁路保护技术措

施[J].建设监理，2020（6）：104-106.

[4] 翁木生.地铁车站下穿既有铁路站场咽喉区的施工方案及

防护措施[J].城市轨道交通研究，2020，23（5）：123-127.

[5] 陈亚敏.基于ANSYS方法对地铁下穿既有铁路施工的安全

影响性分析[J].建筑安全，2020，35（4）：29-31.

[6] 陈亚敏.某地铁隧道矿山法施工下穿既有铁路设计方案研

究[J].建筑安全，2020，35（3）：37-39.