軟土地區盾構下穿施工對鐵路路基影響分析
——以杭州地鐵2號線某區間現場監測為例

鄒 浩， 陳金國

(湖北省地質局第三地質大隊， 湖北 黃岡 438000)

0 引言

隨著城市軌道交通的進一步發展，盾構隧道下穿既有鐵路路基的工程逐步增多。盾構掘進將不可避免地引起鄰近土體擾動變形，從而導致鐵路路基隆起或沉降。在盾構穿越既有鐵路路基時，隧道施工引起的路基變形超過其承載極限，將導致鐵路軌道結構彎曲變形、扭曲等一系列不良后果，對既有鐵路的安全及運營造成危害，嚴重者將導致列車脫軌、人員傷亡等惡性事故。

為了探究盾構下穿施工對既有鐵路路基的影響，眾多學者采用多種研究手段進行了深入的分析。李林等[1]介紹上海軌道交通9號線盾構下穿南新鐵路干線過程中，既有線路的位移變化，指出在盾構到達與盾尾脫出階段監測點沉降速率最大。呂培林等[2]通過現場監測數據分析盾構隧道下穿既有鐵路線路沉降變化特點，并發現盾構通過后，線路后續沉降持續發展。季大雪[3]通過Peck經驗公式法及有限元法計算了盾構推進對武九鐵路的沉降影響，并提出一系列保護鐵路措施。任建喜等[4]以黃土地區城市地鐵2號線盾構下穿隴海鐵路線路為工程背景，通過三維FLAC建模，研究不同的盾構施工參數對既有線路的影響。魏嘉翀[5]以北京鐵路盾構下穿既有鐵路與地道工程為例，運用ANSYS有限元軟件分析盾構穿越對既有鐵路影響分析，并與現場監測進行對比。湯懷凱[6]依托長株潭城際鐵路樹木嶺盾構隧道下穿京廣鐵路工程，指出通過地表注漿加固、盾尾注漿及盾構試驗掘進等一系列措施可以有效控制施工地表沉降。劉莎莎[7]通過數值模擬的方法分析地鐵隧道施工下穿和接近對既有鐵路路基沉降變形的影響。曾鐵梅等[8]通過在地表線路和軌枕上布置沉降測點并跟蹤施工進程進行監測，探討盾構隧道下穿國鐵線路股道可能出現的風險因素及影響。霍軍帥等[9]分析了在盾構隧道下穿施工時，城際鐵路地基采用板+樁組合結構形式的加固方案是能夠保證運營安全的。傅江華[10]依托武漢地鐵 3 號線盾構隧道下穿合武下行高鐵線，分析探討了盾構施工對鐵路沉降的影響規律及范圍。王小林等[11]重點分析了隧道利用半斷面深孔注漿時，不同的注漿半徑對地層所起到的加固效果。

綜上所述，盾構掘進與鐵路線路相互影響工程基本集中于地鐵修建起步較早地區，如上海、北京等地。而杭州市地下軌道交通建設近幾年剛剛起步，盾構下穿既有鐵路路基工程相關經驗較少。目前，尚沒有關于杭州地區盾構下穿既有鐵路線路的相關報道。

本文結合杭州地鐵2號線某區間下穿滬昆鐵路路基工程現場監測結果，分析盾構下穿過程中對既有鐵路路基的影響，并對不同位置鐵路路基變形特性進行分析。

1 工程背景

1.1 工程概況

盾構隧道區間與既有鐵路線路相交平面如圖1所示。杭州地鐵某區間隧道左線與既有滬昆鐵路線路呈85°角相交，采用盾構法施工。盾構為日本小松機械公司生產的土壓平衡盾構,外徑為6.34 m，機體長8.68 m。隧道管片為預制鋼筋混凝土管片，其強度等級為C50，抗滲等級為S10。隧道外徑為6.2 m，內徑為5.5 m。隧道襯砌由6塊管片錯縫拼裝而成(其中3塊標準塊，2塊相鄰塊及1塊封頂塊)。管片之間縱向及環向均采用高強度螺栓連接。既有鐵道線路為電氣化有砟軌道線路，由上行線及下行線2條軌道線路組成。鐵路路基為碎石道床，梯形斷面，并高于路基坡腳3 m左右。行車軌道為P60無縫鋼軌，采用混凝土枕，兩線路間距為4.2 m。在盾構穿越段，既有鐵路呈直線平行延伸。滬昆鐵路為貨運、客運兩用線路，線路繁忙。若隧道施工引起路基過大位移，將影響列車運行的平順性，嚴重者將導致車輛出軌、傾覆等一系列惡性事故。謹慎施工、嚴格控制盾構擾動位移是保證鐵路安全運營的重要措施。

圖1鐵路路基與隧道設計線路相對位置及監測斷面布置(單位： m)

Fig. 1 Plane view of relative position between railway subgrade and tunnel designed route and layout of monitoring points(unit: m)

1.2 地質情況

施工場地為典型軟弱土層，從上到下依次為雜填土、素填土、粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土及粉質黏土。地下水在地表下約1 m。各層土層典型物理力學指標如表1所示。隧道軸線位于地表下 16.5 m，主要穿越④2淤泥質粉質黏土和⑤2層粉質黏土。由表1可知，④2淤泥質粉質黏土和⑤2層粉質黏土具有含水量大、滲透性差及承載力低等特點。在盾構掘進切削作用下，將擾動鄰近土體，導致鄰近土體承載力下降，從而引起較大的地表沉降變形。盾構下穿既有線路段地質剖面如圖2所示。

表1 場地主要土層物理力學指標

圖2 盾構下穿鐵路路基剖面圖

1.3 施工監測方案

為實時掌握盾構施工引起鐵路路基變形情況，制定了一系列的施工監測方案。工程中路基位移監測點布置情況如圖3所示。鐵路路基坡腳、路基路肩及軌道分別布設若干位移監測點，各個監測線方向與線路直線平行。根據施工監測結果，可及時調整盾構施工參數，優化施工方法，減少施工擾動，確保盾構順利通過，保障既有線路安全運營。

圖3 監測點布置圖(單位： m)

2 監測結果分析

2.1 盾構開挖面土壓力計算與實測

Lee等[12]、梁榮柱等[13]指出在軟土地層盾構施工，土壓力設置將對地表位移產生較大的影響。當開挖面土壓值設置大于靜止側向土壓力將導致開挖面前方地表隆起，反之，將導致前方地表沉降。盾構下穿過程中實測土壓力平均值變化曲線如圖4所示。

圖4 實測與計算盾構切口軸線處土壓力

Fig. 4 Comparison of soil pressure at axis of shield tunnel between field monitoring and calculation results

鐵路路基的存在將對下臥層產生附加荷載。路基基礎可假定為條形分布荷載，假定下臥地基為各向同性均質彈性體，由Boussineseq解可以求得在路基均布條形荷載下的附加應力

(1)

式中：Fdξdη為地表無窮小處作用力；x、y、z為半無限體中所求點坐標；Ω為積分區域。

疊加既有地層有效應力可以得到隧道軸線處靜止側向土壓力

(2)

式中:γi為第i層土重度；Hi為第i層土厚度；K0為靜止側向土壓力系數，在軟土地層中取0.5。

結合式(1)、式(2)及地層情況，可得到考慮鐵路路基附加荷載作用的側向靜止土壓力沿隧道軸線處分布曲線，如圖4所示。可以看出，在盾構到達前5 m時，盾構實測土壓力略小于靜止側向土壓力；在盾構到達路基及下穿鐵路路基過程中，盾構實測土壓力大于靜止側向土壓力。在盾構切口位于路基正下方時，土壓力達到最大(178 kPa)，大于計算值(164.4 kPa) 13.6 kPa。盾構脫離鐵路路基后，土壓力值基本與靜止側向土壓力相等。

2.2 軌道及路基地表位移分析

上、下行線每根鋼軌上均布置有豎向位移監測點。根據監測點編號特點，可以分為E、F、G、H條軌道位移監測段面。盾構穿越施工過程中，上、下行線軌道豎向位移變化曲線如圖5和圖6所示。結合盾構切口與監測斷面的相對關系，可以把軌道豎向位移變化曲線大致分為盾構到達前、穿越中及通過后3個階段。

(a) E斷面監測點

(b) F斷面監測點

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖5上行線軌道豎向位移

Fig. 5 Vertical displacements of up-line railway tracks

(a) G斷面監測點

(b) H斷面監測點

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖6下行線軌道豎向位移

Fig. 6 Vertical displacements of down-line railway tracks

對比上、下行線軌道位移情況，發現在盾構到達前上行線的監測點以沉降為主，而下行線監測點產生不同程度的隆起位移。分析原因如下： 1)在到達路基前一段距離，實測土壓力略小于靜止側向土壓力，導致深層土體向盾構方向移動，從而導致地表沉降發生； 2)在盾構穿越路基過程中，實測土壓力明顯大于靜止側向土壓力，深層土體受盾構擠壓，地表隆起。

盾構穿越監測斷面過程中，均引起地表明顯的隆起變形。分析原因如下： 1)在軟土地層中，盾構往往產生“背土”現象，導致鄰近土體隆起位移； 2)在盾構摩阻力作用下，亦致使周圍土體背離盾構方向運動，導致地表隆起[14-15]； 3)當同步注漿壓力大于靜止側向壓力時，往往引起地表的隆起變形。

盾構通過后，地表測點沉降持續發生。在盾構通過后1～2 d，地表沉降急劇增加，最大沉降值超過5 mm，這可能是由于盾構脫離管片后，受擾動地層向隧道管片收縮移動產生的。盡管在盾構脫離前注入一定體積的水泥漿液，但短時間內漿液尚未完全固結，難以提供足夠的支護力[13]。此外，隧道鄰近土體遭受盾構反復切削、擠壓及注漿壓力等作用，導致軟土結構損壞，強度明顯下降。在盾構脫離后，采用了注漿加固，但地表沉降發展較快。在盾構通過2 d后，為了遏制軌道快速沉降的趨勢，及時進行了二次注漿。在二次注漿的作用下，軌道位移略有隆起。此外，同步注漿漿液逐步固結，也一定程度減少了地層位移的進一步發展。對比上行線軌道各個測點，發現越靠近盾構軸線的測點沉降發展越快。分析原因如下： 越靠近盾構處，土體在盾構切削作用下，強度下降越大，導致地層位移越明顯。相比于上行線，下行線沉降變形相對平緩。

盾構各個階段軌道橫向沉降變化如圖7所示。可以看出： 1)距離盾構軸線越近，隆起/沉降位移越大； 2)離盾構越近，地層擾動破壞越嚴重，導致沉降也越大。對比兩線路最終沉降，發現上行線沉降量及影響范圍均略大于下行線。其原因是靠近下行線的二次注漿質量略好于上行線，從而明顯減少了軌道的沉降變形。

(a) 上行線

(b) 下行線

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖7軌道橫向位移

Fig. 7 Transversal displacements of railway tracks

2.3 坡腳位移分析

盾構下穿鐵路路基坡腳過程中上、下行線坡腳位移監測點豎向位移變化曲線如圖8所示，橫向位移變化曲線如圖9所示。與軌道變形一致，坡腳監測點位移變化曲線也可根據與盾構的相對位置劃分為盾構到達前、穿越中及通過后3個階段。

(a) 上行線坡腳

(b) 下行線坡腳

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖8坡腳豎向位移

Fig. 8 Vertical displacements of subgrade slope toes

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖9坡腳橫向位移

Fig. 9 Transversal displacements of subgrade slope toes

2.3.1 盾構到達前位移分析

2.3.1.1 豎向位移

由圖8可知： 1)在盾構到達前，上行線坡腳產生隆起，其中最大隆起變形量為1.87 mm； 2)下行線監測點在盾構到達前基本為沉降，最大沉降量達到2 mm。分析原因如下： 1)在盾構接近鐵路路基前，土壓力設置值較大，約170 kPa，略大于實際靜止側向土壓力； 2)在盾構下穿過程中，及時調整土壓力設置值，造成軌道隆起變形過大，從而導致坡腳位置產生沉降。

2.3.1.2 橫向位移

由圖9可知： 在盾構達到前，上行線測點均產生隆起，下行線均為沉降。

2.3.2 盾構穿越中位移分析

在盾構下穿過程中，上行線坡腳各個測點均發生隆起。由圖8可知： 1)越靠近隧道軸線的隆起值越大，最大隆起量達到10 mm； 2)相對于上行線坡腳位移曲線，下行線坡腳發生先沉降后隆起的變化過程。分析原因如下： 可能是剛進入下行線坡腳時，同步注漿壓力控制較差，沒有考慮到路基作用的附加作用力，導致注漿效果不明顯，而隨后加大了同步注漿壓力，導致了測點產生不同程度的隆起。

2.3.3 盾構通過后位移分析

在盾構脫離上行線坡腳處，各個測點緩慢下沉，并在盾構通過后5 d，各個測點的位移變化規律基本趨于平緩。而在下行線坡腳處，在盾構脫離后，坡腳沉降急劇發展，最大沉降量達到7 mm。為保證坡腳穩定，避免路基產生過大位移，及時組織二次注漿。由于二次注漿壓力較大，最大注漿壓力達到350 kPa，各個測點產生較大隆起，最大隆起位移達到 8.4 mm。隨后各個測點沉降緩慢沉降，在二次注漿后5 d基本趨于平緩。

對比下穿兩坡腳施工過程，可以看出： 1)在進入鐵路路基前，對施工作用下路基響應預測性不足，導致盾構掘進參數對路基的擾動較大，導致坡腳較大的隆起變形。2)由監測結果反饋施工，盾構掘進參數不斷優化調整，總結出一套控制性能好的施工參數，實現了施工的精細化，進一步減少對地層的擾動影響。下行線坡腳最終沉降最大值為1 mm，遠小于上行線坡腳的最大沉降值(4.38 mm)。整體而言，下行線坡腳位移較為平緩，沒有上行線起伏大。

2.4 路肩位移分析

上、下行線路肩豎向位移曲線如圖10所示。與軌道、坡腳類似，可根據盾構與監測點的相對位置劃分為盾構到達前、穿越中及通過后3個階段。其變形規律與上述軌道、坡腳監測點基本一致，不再贅述。盾構推進各個階段路肩橫向位移曲線如圖11所示。可以看出： 盾構到達前及盾構通過2個階段，路肩監測點以隆起為主，盾構通過后產生沉降，表現為越靠近隧道軸線處隆起及沉降變形越大，隨著距離增加而逐漸減少。路肩最終沉降形態類似于正態曲線，可以通過Peck[16]提出的沉降槽擬合公式進行擬合。

(a) 上行線路肩

(b) 下行線路肩

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖10鐵路路肩豎向位移

Fig. 10 Vertical displacements of railway shoulder

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖11鐵路路肩橫向位移

Fig. 11 Transversal displacements of railway shoulder

鐵路路基各監測斷面最大隆起量對比分析如圖12所示。盾構掘進過程中，通過每一環管片的掘進施工參數略有不同，引起的地層擾動亦有所差別，但是總體而言盾構施工參數是穩定的，不同位置的測點與其所處的路基位置密切相關。其中盾構掘進引起的監測點最大隆起量大致能反映不同位置的位移特點。可以看出： 1)最大隆起變形量坡腳>路肩>軌道。2)上、下行線坡腳位置隆起均大于路肩。其原因可能是路基碎石填充體對地層位移具有調整作用，使傳遞到路基上的位移量減少。3)位于路基的軌道隆起均小于路肩隆起值。其原因可能是鐵路軌道具有一定的抗彎剛度，在一定程度上對地層隆起有一定的抵抗能力。

位移為正表示隆起； 位移為負表示沉降。

圖12各個位置監測斷面最大隆起量對比

Fig. 12 Comparison of maximum heave among different monitoring cross-sections

2.5 監測數據分析

通過上述監測過程的數據監控，選取軌道、坡腳和路肩的最終沉降量橫向監測數據進行分析。監測數據對比分析結果如表2所示。可以看出： 軌道橫向位移的最終沉降，上行線沉降量及影響范圍均略大于下行線。其原因是靠近下行線的二次注漿質量略好于上行線，從而明顯減少了軌道的沉降變形。坡腳橫向位移最終沉降表現為上行線測點產生隆起，下行線測點由隆起轉為沉降。路肩橫向位移最終沉降，基本上越靠近隧道軸線處隆起及沉降變形越大，隨著距離增加而逐漸減少。

通過施工監測，可以比較監測數據與預測值，從而判斷施工工藝、施工參數是否符合預期要求，以優化施工參數，做好信息化施工。通過分析地表沉降，將其結果應用于信息化施工，并反饋優化設計，使設計優質安全、施工快捷及經濟合理。

3 結論與討論

1)不同斷面監測點的位移曲線均可根據與盾構相對位置關系，大致分為盾構到達前、盾構穿越及盾構通過后3個階段。在盾構到達前，土壓力的設置對各個斷面測試點位移情況有重要作用。當盾構土艙壓力大于靜止側向土壓力，將導致測點隆起；反之，將導致測點沉降。在盾構通過過程中，由于盾構“背土”掘進、盾體摩阻力及同步注漿作用，將導致地表測點隆起。在盾構通過后，由于同步注入漿液尚未固結及擾動土體強度下降，各個斷面測點將持續發生沉降。

表2 監測數據對比分析

2) 路基碎石填充體對地層位移具有調整作用，路肩隆起小于坡腳隆起。而鐵路軌道具有一定的抗彎剛度，在一定程度上減少了地層隆起，故其隆起值略小于路肩隆起量。

3)對地表沉降的監測是盾構施工過程中非常重要的一項工作，施工的變形與沉降無法完全控制，但根據地表變形的控制要求,采取有效的措施來減小沉降，使周邊環境穩定，是必須也是能夠做到的。同時，施工監測有利于及時反饋盾構掘進效果，優化掘進參數，從而減少施工對地層的擾動，保證盾構順利掘進通過鐵路路基。

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