地鐵盾構區間穿越既有鐵路技術措施研究

張 舵

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

隨著城市地鐵的建設，所遇環境條件變化較多，需穿越障礙物種類繁雜，包括橋梁、房屋、河流、道路等等。其中運營期間的鐵路線路，對沉降要求較高，對處理措施要求較嚴。目前國內上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此類情況，多采用盾構穿越。以某城市地鐵區間穿越鐵路為例進行分析，介紹下穿既有鐵路的技術措施。

1 工程概況

該盾構區間隧道橫穿鐵路，共計8股道，位于鐵路站場內，行車密度大，施工期間需保證列車的正常運營。土層從上到下分別為:素填土、礫砂、粉質黏土、全風化角巖、強風化角巖。地下水位約在地面以下3.5 m，隧道拱頂覆土厚度約14 m。區間與鐵路路基的關系見圖1、圖2。

圖1 區間穿越鐵路平面

圖2 區間穿越鐵路剖面

各土層物理力學性質指標見表1。

表1 物理力學性質指標

2 路基沉降和軌道變形要求

盾構施工對鐵路的影響主要包括路基沉降和軌道變形，其中軌道變形是控制鐵路行車安全的主要因素。

對于有砟軌道的路基沉降，可以通過回填道砟、補充注漿等方式予以補充，所以普通鐵路路基沉降要求不高。《鐵路路基設計規范》(TB10001—2005)［1］中7.6.2條規定，一級鐵路路基沉降量≤20 cm、沉降速率均≤5 cm/年。《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)［2］中規定:對于有砟軌道，設計速度為250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm、沉降速率均≤3 cm/年;設計速度為300、350 km/h，一般地段工后沉降≤5 cm、沉降速率均≤2 cm/年;

對于無砟軌道的路基應遵循無砟軌道完工后的工后總沉降ΔS，不允許危害鐵路運營安全或產生損壞線路可使用性的軌道變位，也不能超過系統扣件豎向高度調整量的某一比例。《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)［2］中規定，無砟軌道路基工后沉降不宜超過15 mm;沉降比較均勻并且調整軌面高程后的豎曲線半徑滿足(Rsh≥0.4V2sj)的要求時，允許的工后沉降為30 mm。

在施工中以軌道沉降變形為實際控制標準，根據2006年鐵道部發布的《鐵路線路修理規則》(鐵運［2006］146 號)［3］，適用于1 435 mm 標準軌距和線路允許速度為200 km/h及以下的線路。規則第6.2.1條規定了線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值。

高速鐵路還應遵守《高速鐵路設計規范》的相關要求，同時應以鐵路運營單位的實際軌道平順性管理數據為準。如北京鐵路局京鐵工［2008］238號文件《京津城際鐵路無砟軌道線橋設備維修規則(試行)》［4］第 7.1.1 條之規定。

3 計算分析

3.1 沉降分析計算

盾構隧道施工不可避免地導致隧道上方一定范圍內地面出現沉降。在軟弱地層中施工盾構隧道，引起地面沉降的主要原因是盾構施工引起隧道周圍土體的損失和地下水位下降引起的土體固結沉降。應通過預先計算預測沉降量并在施工過程中控制地面沉降值等措施保證隧道上方鐵路的安全。分自然狀態和隧道頂部預加固兩種情況進行分析。

3.1.1 計算模式

采用平面有限元法，考慮地層與襯砌共同作用。

為分析注漿與不注漿兩種施工方案對盾構隧道施工引起地表變形的影響，數值計算中采用平面應變的二維有限元地層結構模型。為便于對比，兩種方案均采用相同尺寸、地層參數以及相同邊界約束條件的有限元模型，而區別在于注漿方案將通過提高注漿范圍土體模量進行模擬。有限元模型如圖3所示，模型水平寬度為60 m，高度為40 m。上、下行線隧道水平間距為18.4 m，其幾何尺寸基本相同，外徑為6.0 m，管片厚度為300 mm。隧道上方覆土厚度為14.4 m，對隧道頂部9.0 m、中心線每側6.0 m范圍圍巖進行加固。

圖3 區間隧道計算斷面

3.1.2 材料本構方程

對于巖土體材料，其變形是極其復雜的，這不僅與巖土體的成分、成因、結構等因素有關，還與巖土體的歷史、受荷狀況等有關。巖石能夠很好地承受壓應力，但是只能承受很小的拉應力。巖石的應力—應變關系中幾乎不存在彈性極限，因為巖石甚至在很小的荷載作用下，就出現顯著的不可逆的塑性變形。所以，計算過程中采用 Drucke-Prager彈塑性的非線性本構模型［5］。

D-P模型是在考慮了靜水壓力影響的廣義Mises屈服準則基礎上建立起來的，表達式為

c——巖土類材料的黏聚力，MPa;

φ——巖土類材料的內摩擦角，(°)。

D-P模型的優點是采用了簡單的方法考慮了靜水壓力對屈服和強度的影響，參數少，計算簡單，同時也考慮了巖土類的剪脹。

3.1.3 計算結果

經有限元計算分析，得到盾構隧道施工過程中，注漿和不注漿兩種工況下地表沉降規律。當不注漿時，兩盾構隧道下穿鐵路，引起的地表沉降曲線如圖4所示，由圖4可知，隧道施工完成后地面最大沉降計算值自然狀態下為-9.80 mm，沉降槽較深。注漿加固后，地表沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，地表沉降最大值為-4.92 mm，沉降槽較淺，影響范圍較小。注漿加固較不注漿地表沉降減小50%。

式中 I1——應力第一不變量，I1=σ1+σ2+σ3;

J2——第二偏應力張量不變量，其表達式為

圖4 無地層加固地表沉降曲線

圖5 有地層加固地表沉降曲線

計算結果顯示加固后鐵路路基沉降量較小，同時沉降槽較平緩，對鐵路運營有利。故建議對鐵路下方路基進行加固，要保證注漿漿液質量，控制漿液范圍，盡量均勻密實，減小地層損失，切實保證注漿效果。且盾構下穿鐵路施工時需要對地面加強監測，嚴格控制盾構推進速度并實施同步注漿，避免施工對鐵路安全運營帶來不利影響［6］。

3.2 結構配筋計算

根據計算分析，同樣軸重的情況下，列車速度越高，在盾構頂產生的動荷載越大，同時考慮盾構施工造成的鐵路路基不平順，并參考類似工程經驗，列車荷載可按75 kN/m條狀荷載考慮。經過地層加固后，土體模量約提高3倍，按經驗其靜力觸探錐尖阻力提高為原來的2～3倍，土體水平向抗力系數提高2～3 MPa［7］。

經計算，盾構配筋以裂縫寬度0.2 mm控制，主筋采用10φ20 mm。對鐵路路基加固后，也可減少運營期間列車動荷載對區間隧道的影響，同時通過加強區間管片配筋、在管片中摻入鋼纖維以增加其抗裂性能等措施，確保運營期間區間隧道的安全。

4 采取措施

4.1 加固措施

為保證鐵路的正常安全運行及盾構順利推進，采取預加固措施，如圖6所示。

圖6 加固布置縱剖面

首先進行鐵路兩側的旋噴樁施工，加固過程中應控制施工速度，以減小施工對鐵路的影響，旋噴樁施工期間必須對鐵路進行監護和監測，根據監測結果調整施工參數，并通知鐵路部門對線路進行及時養護;其次對主加固區(A)、次加固區(C)等進行加固。

施工主加固區(A)時對鐵路線路應采取以下保護措施:采用分層注漿加固，預加固范圍為主加固區(A)的70%左右，并采用復合漿液，縮短膠凝時間，以控制注漿壓力和擴散范圍，注漿壓力和注漿速度根據線路軌道變形的監測數據進行調整，減小注漿對基床的影響，同時為下一階段跟蹤注漿預留注漿孔。次加固區(C)采用豎直施作注漿孔，復合漿液，一次性加固完成［8］。

4.2 盾構推進控制措施

為保證鐵路正常運輸的絕對安全，盾構推進時須采取以下技術措施。

4.2.1 洞內措施

考慮列車動荷載影響，對鐵路下方中心線左右兩側各50 m范圍內的鋼筋混凝土管片配筋進行加強，摻入鋼纖維以增強其抗裂性。同時根據地面監測情況，必要時在加固(A)區進行跟蹤注漿。

根據地面(和先行隧道)的監測情況，不斷優化盾構施工的各種技術參數，合理選定推進速度、平衡土壓力、出土量等參數，嚴格控制盾構糾偏量［9］。

嚴格控制同步注漿量和漿液質量。

考慮注漿加固效果不良，對盾構隧道均采用加設注漿孔的管片，必要時盾構隧道施工完成后，對隧道管片外土體進行注漿加固。

4.2.2 洞外措施

盾構推進實行信息化反饋施工，增加監測頻率。在鐵路兩側埋設沉降觀測點，進行0.5 h一次的跟蹤測量，通過施工監測進行跟蹤注漿，并進行信息分析，及時通知井下調整掘進施工參數［10］。及時對碎石道床進行鋪墊和軌道校正，保持鐵路軌道的平順直。

4.3 監測布置

區間所做的監測主要包括隧道外監測和隧道內監測。隧道外監測包括地表沉降、線路沉降及方向偏移、深層土體沉降監測、隧道兩側地下水位監測等。隧道內監測主要包括沉降監測、鋼筋內力、混凝土應變、管片與圍巖接觸壓力等。

5 結論及建議

根據掘進實測數據，在采取上述措施后，下穿鐵路的軌道沉降約2.4 mm，滿足維修保養要求，保證了盾構施工過程上部鐵路的安全運營。

綜合考慮以上措施，在隧道通過前做好預加固措施，并對加固質量進行檢測，預留部分注漿孔。在隧道掘進過程中做好監控量測，加強施工控制，根據量測信息及時調整掘進參數，根據地面沉降情況進行補充注漿，可以確保隧道施工過程中，鐵路的正常運營和區間施工的安全。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2006］146號 鐵路線路修理規則［S］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［4］北京鐵路局辦公室.京鐵工［2008］238號 京津城際鐵路無砟軌道線橋設備維修規則(試行)［S］.北京:北京鐵路局辦公室，2008.

［5］張義同，等.隧道盾構掘進土力學［M］.天津:天津大學出版社，2010.

［6］肖立，張慶賀.盾構長距離下穿鐵路股道引起的地表沉降分析［J］.上海交通大學學報:自然科學版，2011，45(5):672-676.

［7］田海波，宋天田.軌道交通9號線下穿鐵路工程風險及對策研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3(1):147-150.

［8］王偉忠，臧延偉.盾構下穿既有鐵路線路地基加固方案與效果分析［J］.鐵道建筑，2007(12):63-65.

［9］張飛進，高文學.盾構隧道穿越既有線施工控制措施研究［C］.隧道、地下工程及巖石破碎學術研討會論文集.大連:大連理工大學出版社，2007:176-180.

［10］晏成.盾構隧道下穿既有鐵路框架橋工程安全性分析［J］.鐵道標準設計，2011(7):84-87.

［11］趙承志，蘇華友.深圳地鐵5號線區間隧道盾構穿越鐵路施工技術［J］.中國市政工程，2011(1):43-45.