地鐵區間隧道下穿福廈鐵路風險分析

何志軍

(中鐵四局集團有限公司，合肥 230023)

廈門地鐵4號線下穿福廈鐵路施工期間，必須確保福廈鐵路不限速﹑不停運，這對地鐵施工與設計提出了較高的要求，目前國內隧道下穿鐵路已經具備一定的經驗與成果。

以礦山法隧道下穿鐵路為例，隧道下穿紡織城鐵路專線時，王鳴曉[1]采用樁基礎進行軌道加固。隧道下穿既有滬昆鐵路路基時，石揚釗等[2]采用CD法施工，并輔以洞內大管棚進行超前預支護；袁良遠等[3]則采用分段延時爆破等一系列減振技術措施。張俊[4]以長春市快速軌道交通下穿軌道結構為工程背景，研究掌子面加固、拱部注漿加固、鎖腳錨桿與普通錨桿對沉降的控制作用；袁竹[5]則研究管棚、注漿錨管與超前小導管對軌道高低偏差的影響。藺云宏等[6]通過三維計算得出，列車荷載對地表沉降的影響大于隧道施工。

再以盾構法隧道下穿鐵路為例，天津地鐵6號線穿越復興河及陳塘莊貨運鐵路時，李坤[7]以壓密注漿及高壓旋噴樁對鐵路路基及兩側土體進行加固。深圳地鐵5號線下穿平南鐵路時，李昊勇等[8]通過打設1排φ600 mm鋼管樁，并在頂部增設1排預應力錨索來加固路基。龐山等[9]對主加固區采用高壓旋噴樁加固，對次加固區采用壓密注漿加固。上海地鐵9號線下穿南新環鐵路時，鄭余朝等[10]采用分塊加固方案，軌道正下方的加固土的強度及剛度最高，遠離軌道逐漸降低。北京地鐵盾構區間穿越京通鐵路時，劉亞輝[11]合理選用土壓，并控制推進速度、同步注漿、二次補償注漿等掘進參數。武漢長江隧道盾構下穿武九鐵路時，季大雪[12]對比實測數據與數值模擬數據得出，施工階段引起地面沉降主要因素是施工導致地層損失，但在盾構通過后較長一段時間后續沉降持續增大，后續沉降占總沉降的比重更大。地鐵下穿高速鐵路時，蔡小培等[13]研究結論為：沉降最大值發生在兩隧道中間，盾構開挖面位于線路中心線正下方時，軌道沉降變形速率、兩股鋼軌沉降差和鋼軌橫向位移最大。

本文分析廈門地鐵4號線區間隧道施工對福廈鐵路路基的影響。

1 工程概況

廈門地鐵4號線為環灣快線，區間隧道下穿福廈鐵路的里程樁號為：右SDK3+000～右SDK3+155，與福廈鐵路的交角約為36°，線路整體呈東西走向，平面位于R=800 m的右拐曲線上，左右線分別采用6.603‰與6.62‰的上坡，區間隧道左、右線結構頂距福廈鐵路路基的距離分別為23.52 m與23.48 m。區間隧道與福廈鐵路的相互位置關系如圖1所示。根據南昌鐵路局關于下穿鐵路項目的要求及類似工程案例，本區段采用盾構法施工，隧道內徑6.0 m，管片厚35 cm，環寬1.5 m，每環設置6塊管片(1塊封頂塊，2塊鄰接塊，3塊標準塊)，錯縫拼裝并采用彎螺栓連接，環縫處設置分布式凹凸榫，縱縫不設置凹凸榫。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質

工程沿線覆蓋層主要為第四系全新統人工填土、沖洪積硬塑狀粉質黏土、中砂以及上更新統坡積、殘積粉質黏土等；下伏基巖為上侏羅統南園組陸相凝灰熔巖以及燕山期侵入的花崗巖等。區間隧道下穿福廈鐵路段的地層屬于原始地貌屬殘丘臺地～山前洼地硬土區，地形較為平坦，地層從上至下主要為素填土、粉質黏土、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、散體狀強風化花崗巖及碎裂狀強風化花崗巖，地質縱剖面如圖2所示，區間隧道下穿鐵路段地層物理力學性能指標見表1。

2.2 水文地質

按賦存介質，場區地下水可分為三大類：賦存于第四系土層中的松散土類孔隙水，包括人工填土中上層滯水及孔隙潛水，賦存于殘積層及全、散體狀強風化帶中的風化殘積孔隙裂隙水、賦存于碎裂狀強風化～中、微風化帶的基巖裂隙水及斷層構造裂隙水。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水垂直下滲補給，水量有限。基巖裂隙水受其他類型地下水的入滲補給，其徑流嚴格受節理裂隙形態控制，無統一水面。基巖風化殘積孔隙裂隙水除接受第四系土層中的松散土類孔隙水補給外，尚有基巖裂隙水的側向補給或托頂上滲補給，基巖裂隙水與上覆地層水利聯系密切。

圖2 區間隧道下穿福廈鐵路地質縱剖面(單位：m)

巖土名稱密度/(g·cm-3)孔隙比(e)壓縮系數(a1-2)/MPa-1壓縮模量(Es1-2)/MPa變形模量(E0)/MPa快剪黏聚力(c)/kPa內摩擦角(φ)/(°)綜合內摩擦角(φc)/(°)素填土QS1.920.730.345.077.4320.1617.78—粉質黏土4Qdl1.900.740.277.1714.5024.0125.84—殘積砂質黏性土Qel1.870.840.325.8615.0026.430.41—全風化花崗巖γsh11.910.750.267.1326.0028.4829.3235.00散體狀強風化花崗巖γsh11.84———45.00——35.00碎裂狀強風化花崗巖γsh12.52———90.00——40.00

3 風險源識別

福廈鐵路起于福州站，終于廈門站，以客運為主、兼顧貨運，鐵路等級為國鐵Ⅰ級，設計速度250 km/h。由于該段區間為Ⅴ級圍巖，且隧道洞身處于散體狀強風化花崗巖，遇水易軟化、崩解、強度急劇降低，而福廈鐵路要求地表累計沉降量不超過8 mm[14]，根據城市軌道交通地下工程建設風險管理規范[15]，風險級別為Ⅰ級，屬于重大風險源，應采取工程措施減少人員傷亡、經濟損失及對環境與社會的影響。

4 工程措施

4.1 采用土壓平衡盾構進行隧道掘進施工

(1)合理設置土壓力：以盾構切口處的圍巖有微小的隆起來控制土壓力值，嚴格控制與切口處的土壓力相關的施工參數，如出土量、總推力等。

(2)盾構推進速度控制：盾構推進速度宜控制在15～25 mm/min，每天掘進量宜為4～6環，并根據地表沉降值調整推進速度。

(3)出土量控制：每環管片的出土量與地面沉降息息相關，土體損失量應控制在0.2%～0.3%，如控制不當可能出現正面圍巖失穩，所以必須在土壓平衡狀態下控制每環的出土量，應為理論出土量的97%～98%。

(4)盾構姿態控制：盾構推進的過程中嚴禁大量糾偏，左右千斤頂的壓力差不宜太大，防止“蛇形推進”，應控制隧道軸線與盾構軸線的折角變化不超過0.4%。

(5)管片拼裝控制：準確進行管片的定位，拼裝的過程中防止盾構后退，拼裝結束后應立即恢復推進以減少土體沉降。

4.2 控制同步注漿、二次注漿與補漿的質量

(1)同步注漿可以盡快充填管片與圍巖的間隙，防止地面變形過大。注漿范圍應為管片外側0.15 m，但應保證一定的充盈系數，根據類似工程經驗，充盈系數宜控制在1.5～2.0，注漿速度宜控制在2.25～3.75 m3/h。

(2)二次注漿可以起到加強與止水的作用，應在拼裝4環管片后及時進行，注漿壓力以控制地面沉降與管片偏移值較小為宜。

(3)如果地表某一監測點的沉降速率大于0.8 mm/d，則立即對監測點對應的地下隧道管片兩側各5環的管片進行補漿處理，注漿壓力控制在0.25～0.30 MPa，24 h補漿1次，直到此幾環管片對應的地表監測點的沉降速率小于1 mm/周。

4.3 對盾構隧道下穿處鐵路進行加固

如圖3所示，對福廈鐵路盾構下穿段線路采用兩跨D24型鋼便梁進行加固，兩端各設置12 m的扣軌加固段進行過渡，以保證施工期間動車荷載由灌注樁傳至更深的地層中，不影響地鐵區間的施工安全，且線路鋼軌架設于鋼便梁上，確保地鐵施工期間鐵路行車安全。

圖3 福廈鐵路地鐵盾構下穿段線路加固示意(單位：m)

4.4 加強施工監測，做好信息化施工工作

必須做好盾構施工期間的監測工作。根據監測結果及時調整盾構土壓力、推進速度、注漿量等施工參數，并進一步根據監測結果驗證效果，從而反復循環，以保證福廈鐵路行車安全。

對軌道沉降設定預警值作為施工安全判別標準。項目監測按“分區、分級、分階段”的原則制定監控量測控制標準，按黃色、橙色和紅色三級預警進行反饋和控制。

(1)黃色預警：絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的70%；或雙控指標之一達到控制值的85%。

(2)橙色預警：絕對值和速率值雙控指標均達到控制值的85%；或雙控指標之一達到控制值。

(3)紅色預警：絕對值和速率值雙控指標均達到控制值。

5 數值模擬

5.1 有限元模型

通過建立包含鐵路路基、地層及隧道的三維模型，模擬分析盾構隧道施工對福廈鐵路的影響。根據現場實際情況及三維模擬過程中空間效應，確定本次有限元數值模擬計算邊界為區間隧道中線兩側各50 m范圍內長度，采用實體單元模擬圍巖，采用板單元模擬管片結構。計算模型采用Mohr-Coulomb屈服準則，有限元模型如圖4所示，有限元網格采用六面體為主的混合網格，除頂面為自由面外，其余5個面均設置法向約束。

施工階段的模擬與工程實際情況一致，先開挖區間隧道左線再開挖右線。

荷載主要包括結構自重、圍巖自重、列車中-活載與施工期間地面超載20 kPa。為簡化計算模型，列車荷載均布在福廈鐵路路基表面，D24型鋼便梁未參與計算，僅作為安全儲備。

圖4 區間隧道下穿福廈鐵路有限元模型

5.2 計算參數

隧道周邊圍巖力學參數如表1所示。管片采用C50高強混凝土，力學參數如表2所示。隧道同步注漿采用1∶1水泥漿，二次注漿采用水泥-水玻璃的雙液漿，注漿加固后的圍巖力學參數如表3所示。

表2 管片結構力學參數

表3 注漿加固后的圍巖力學參數

5.3 區間隧道開挖對福廈鐵路的影響

(1)隧道開挖周邊巖土體應力重分布

隧道開挖前，滿足地應力平衡，應力從地表往下逐漸增加，如圖5所示。隧道開挖后，應力發生了重分布，隧道周邊由于巖土體的變形而產生應力釋放，如圖6所示，由于隧道埋深較大，應力重分布范圍未擴散至福廈鐵路路基，即對福廈鐵路的影響很小。

圖5 初始應力場分布

圖6 區間隧道開挖應力重分布

(2)隧道開挖周邊巖土體變形分析

隧道開挖后，盾構區間周邊圍巖發生了不同程度的位移，如圖7、圖8所示。但各個施工步驟，圍巖位移的絕對量值而言均較小，區間全部開挖完畢后，周邊圍巖最大下沉量僅2.4 mm。

圖7 左線開挖周邊巖土體變形

圖8 右線開挖周邊巖土體變形

(3)隧道開挖福廈鐵路沉降分析

隧道開挖后，福廈鐵路的變形如圖9、圖10所示，福廈鐵路在區間隧道下穿段存在1條沉降槽，沉降槽范圍以外變形很小，福廈鐵路最大下沉量為0.98 mm，位移很小，滿足行車的安全性與舒適度的要求。

圖9 左線開挖福廈鐵路變形

圖10 右線開挖福廈鐵路變形

圖11 地鐵隧道縱向地表沉降曲線

沿隧道縱向的地表沉降如圖11所示。由圖11可知，左、右線區間隧道施工后，地表沉降平均值分別為0.62、0.93 mm，即左線隧道施工已完成總沉降的2/3，右線隧道施工完成總沉降的1/3，且沿隧道縱向沉降大小相近。沿福廈鐵路縱向的地表沉降如圖12所示。

圖12 福廈鐵路縱向地表沉降曲線

由圖12可知，左線隧道施工后福廈鐵路在左線隧道正上方存在1條沉降槽，沉降曲線呈三次拋物線形，沉降最大值與沿隧道縱向方向的數值一致；右線隧道施工后福廈鐵路沉降槽的位置向右移動，最低點在左右線隧道之間，沉降曲線呈二次拋物線，沉降最大值與沿隧道縱向方向的數值一致。

6 風險評估

針對區間隧道下穿福廈鐵路路基Ⅰ級風險源采取相應的工程安全措施，通過有限元計算可知，風險等級可降為Ⅲ級，風險評估詳見表4。

表4 廈門地鐵4號線下穿福廈鐵路風險評估

7 結論與建議

根據廈門地鐵4號線區間隧道與福廈鐵路路基的位置關系、結構特點及地層情況等資料建立的三維數值模型，主要結論如下。

(1)區間隧道下穿福廈鐵路路基采用盾構法施工是可行的，本文依托工程所采用的工程安全措施是有效的。

(2)區間隧道開挖引起周圍巖土體應力重分布與變形，由于采取了盾構法施工、土體改良及軌道加固等措施，應力重分布與變形影響范圍較小。

(3)福廈鐵路在區間下穿段存在1條沉降槽，最大位移僅0.98 mm，不影響鐵路行車安全。

(4)左線隧道施工后福廈鐵路路基的沉降槽曲線呈三次拋物線，右線隧道施工后，沉降槽右移，且呈二次拋物線。

(5)采取措施后的風險等級可降為Ⅲ級，在本項目風險承受能力范圍內。