無錫地鐵3號線下穿國鐵影響分析及保護措施

蔡興瑞

摘 要：在城市軌道交通設計與施工中，由于國鐵自身的重要性和嚴格的安全保護標準，地鐵盾構隧道下穿國鐵為眾多項目的關鍵性難點，尤其是國鐵道岔的保護標準更為嚴苛。本文對無錫地鐵3號線下穿京滬普速鐵及滬寧城際鐵路安全性進行分析，同時對盾構施工下穿鐵路保護措施進行論述。

關鍵詞：鐵路;盾構隧道;沉降;措施

1 工程概況

無錫地鐵3號線一期工程三院站～無錫火車站盾構區間從國鐵無錫火車站西側穿越滬寧城際鐵路與京滬普速鐵路。穿越區間的總長度為170 m，采用土壓平衡盾構施工。區間穿越滬寧城際鐵路7股軌道（2股正線、5股到發線），線路與城際鐵路夾角約40°，穿越京滬普速鐵2股正線、2股到發線、1股牽出線和1股整機待備線。區間下穿25#道岔水平距離約10 m，交角約60°，如圖1所示。

地鐵區間線間距為13 m～16 m，線路縱坡為27.252‰～28.755‰。盾構隧道位于③2粉質粘土、④2砂質粉土、⑥1粘土層中，區間穿越京滬普鐵段隧道頂埋深約15.5 m，穿越滬寧城際段隧道頂埋深約12.9 m。

2 工程重難點分析

根據《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）及《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》（TG/GW 115-2012），無砟軌道對沉降變形要求高，尤其對不均勻沉降的要求很嚴格。考慮到滬寧城際鐵路已運營，路基已發生部分沉降，本區間盾構施工期需嚴格控制鐵路路基沉降。根據以往鄰近鐵路工程的經驗，地鐵施工期間對滬寧城際正線鐵路影響按軌道路基沉降變形量不大于1 mm考慮。滬寧城際鐵路到發線采用寬軌枕軌道結構，軌道路基最大沉降按不大于8 mm考慮。京滬普速鐵路為有碴軌道，最大沉降不大于10 mm[1，2]。鐵路正線軌道幾何靜態不平順采用υmax>160 km/h經常保養的標準，即10 m弦長范圍內軌道高差不大于5 mm。到發線鐵路軌道不平順采用υmax≤120 km/h經常保養的標準，即10 m弦長范圍內軌道高差不大于6 mm[3，4]。道岔一旦沉降和變形過大易影響行車安全，道岔尖軌對沉降和變形要求非常高，本次設計地鐵施工期間對道岔尖軌的沉降變形控制按不超過1 mm考慮[5]。

同時區間部分穿越砂層，地質條件較差，城際鐵路部分股道位于加固范圍外，沉降控制難度較大。鐵路站場內股道密集，加固施工條件差，需合理確定施工方案。

3 地鐵施工對鐵路安全影響分析與評價

3.1 盾構隧道穿越滬寧城際鐵路影響分析

滬寧城際鐵路建設時已對道床下方采取鉆孔灌注樁與鋼筋混凝土板進行加固，以預留地鐵3號線區間穿越通道。

采用有限元計算軟件Midas-GTS建立三維模型，單線隧道開挖分為6 m一段，分8個工況施工完成，開挖下一階段土體時在前一階段施加盾構管片，開挖掉的土體應力分三級進行釋放，見圖2。

計算結果顯示，左線隧道頂最大沉降5.460 mm，隧道底最大隆起為9.408 mm;右線隧道最大沉降5.073 mm，隧道底最大隆起為8.989 mm。混凝土鋼筋混凝土板最大沉降約0.83 mm，混凝土鋼筋混凝土板外側到發線7道附近地面最大沉降約4 mm，均可滿足保護要求。

3.2 盾構隧道穿越京滬普速鐵路影響分析

模型總體設置時，模型東西長72 m，南北長78 m，向下延伸23 m，管片采用shell單元模擬，每個開挖循環設置為6 m，左右隧道各分13步開挖完成，見圖3。

通過以上模型分析可以得出，在地層損失率為0.5%的條件下，單向盾構掘進后軌道沉降最大值為5.2 mm，左右線盾構掘進后地表沉降最大值為6.3 mm，符合現行鐵路保護標準。10 m弦長最大高低偏差為3 mm，可滿足經常保養目標值。

3.3 盾構隧道穿越京滬普速鐵路道岔影響分析

地鐵三號線盾構穿越京滬普速場南京端21#、25#道岔尖軌（道岔類型60 kg12號SC330道岔）。21#道岔在7道處，25#道岔直向連通機車整備（機待）線，側向連通上行方向唯一的到發線4道。

3.3.1 盾構施工對道岔影響分析

依據peck公式在5‰地層損失率的條件下進行計算，沉降槽寬度系數為10.25 m，沉降最大值為9.3 mm，沉降曲線如下圖所示，隧道結構外側10 m處地面沉降約3 mm，20 m處地面沉降小于1 mm。

Peck公式計算顯示，地面沉降主要影響區在隧道外側10 m范圍內，外側10 m～20 m范圍為次要影響區，外側20 m以外地面沉降較小。結合穿越鐵路三維有限元計算分析結果顯示，隧道結構外30 m左右地面沉降小于1 mm。

結合數值計算結果，盾構掘進地層損失率需控制在0.5%以內。本工程隧道上方分布較厚的砂層，且隧道頂以上的粘性土層很薄，在此地質條件下，根據工程經驗，僅靠加強盾構施工控制很難滿足對地層損失率的控制要求，因此需對穿越京滬普速鐵路段隧道上方的砂層采取加固措施。

3.4 鐵路保護措施

3.4.1 鐵路保護地基加固

根據現場施工作業條件情況，對穿越京滬普速鐵路段隧道上方的砂層采取斜向加固措施，京滬普速鐵路北側鄰近滬寧城際鐵路段區間隧道穿越砂層，需對該段的砂層進行地面垂直注漿加固。加固豎向加固范圍：對隧道上方粉土層進行注漿加固，從軌面以下5 m開始進行注漿加固，注漿加固穿透粉土進入其下方硬塑粉質粘土1 m。

3.4.2 道岔改移

通過三維有限元計算分析結果顯示，隧道結構外30 m左右地面沉降小于1 mm。道岔對沉降變形要求非常高，需對地鐵區間穿越道岔進行釘閉或改移。若對道岔進行改移，原則上應將道岔尖軌改移至區間隧道結構外20 m～30 m以外。結合無錫站普速站場改造工程，道岔改移方案采用機待線8道臨時停用、25#道岔拆除改成曲線連接方案。

4 鐵路保護盾構施工措施與要求

根據類似工程經驗，通過加強施工控制，盾構區間穿越鐵路段地層損失率需控制在0.35%以內，以有效控制軌道交通施工對鐵路的影響。穿越滬寧城際鐵路、京滬普速鐵路及工區用房段管片增設注漿孔，及時進行二次補充注漿。加強監測，及時反饋監測數據，根據監測情況必要時可通過預留注漿孔對周邊土體進行注漿加固。

穿越京滬普速鐵路及兩側20 m范圍內的管片配筋應考慮鐵路列車荷載影響進行適當加強。施工單位做好專項方案向管理部門審批，穿越期間主動與鐵路運營管理部門溝通，提前明確時間安排，運營管理部門按計劃在穿越鐵路期間限速，鐵路管理部門加強監測和強現場巡檢，加強線路養護。

5 盾構下穿鐵路實施情況

盾構下穿鐵路前對除滬寧城際鋼筋混凝土板以外鐵軌下方土體采用斜向和垂直注漿加固，地基加固采取地面袖閥管注漿和鉆桿后退式注漿工藝，盾構掘進于2018年4月2日進入鐵路影響范圍，4月5日開始進入京滬普鐵軌道下方區域進行施工，于2018年4月27日掘進出高鐵影響區域范圍。穿越過程中及穿越后，地表監測情況穩定，根據監測數據顯示，累計最大變化量分別為-2.5 mm和-3.2 mm，均小于數值分析所得值，盾構施工控制和地層加固有效的控制盾構施工對鐵路股道的沉降影響。

6 結語

本工程通過對國鐵進行有針對性的保護方案設計和加強施工控制，較好的確保了盾構施工期間鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]《鐵路安全管理條例》中華人民共和國國務院令第639號公布，2013年7月.

[2]鐵路線路維修規則[S].鐵運〔2006〕146號.

[3]高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）[S].鐵運[2012]83號.

[4]上海鐵路局地方涉鐵工程建設管理辦法[S].上鐵師發[2010]440號.

[5]上海鐵路局營業線施工安全管理實施細則[S].上鐵運發[2012]586號.