深厚軟弱地層盾構隧道穿越既有鐵路群變形分析和控制技術

朱敏

摘要：為確保盾構隧道在深厚軟弱地層中順利穿越既有鐵路群，通過工程類比、加強設計、數值模擬與現場監測數據分析相結合等手段，提出了加強洞內管片設計、加強盾構施工控制、優化推進參數、及時填充注漿、地面路基加固、行車限速、回填道砟的保護措施，以及加大鐵路變形監測頻率和延長監測時間等一整套盾構隧道穿越既有鐵路群的變形分析和控制技術。結果表明：提出的變形分析和控制技術可有效降低盾構隧道對鐵路路基的影響，確保鐵路運營安全。

關鍵詞：盾構隧道; 軟弱地層; 變形分析; 穿越鐵路; 鐵路路基

中圖法分類號：U455.43 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.004

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0021 - 07

0 引 言

隨著國民經濟的快速發展以及城市建設的高速推進，城市軌道交通的建設已經成為解決交通擁堵的重要途徑之一。城市地鐵由于受到各種建（構）筑物、地下管線、高架橋、鐵路、高壓電塔以及復雜地質條件的綜合影響，往往需要反復比選線路走向，以盡量避開重要建（構）筑物，將風險降到最低，但因建（構）筑物等基礎設施無法避免，經常會出現地鐵區間隧道下穿既有鐵路的情況。對于早期建設的鐵路，如遇到深厚軟弱地層時，常以表層換填的方式處理;當地層分布均勻時，鐵路路基的沉降呈現均勻狀態，對鐵路運營安全影響不大。對于近期建設的高鐵線路，因其線路控制標準要求高，常進行深層地層加固以降低地層沉降絕對值。當新建隧道工程下穿既有鐵路時，由于盾構開挖土體產生的卸荷效應，會對上部既有鐵路的變形造成影響，尤其是當上部鐵路線路多、控制標準不一時，采取何種保護標準和措施以確保鐵路運營安全成為工程難題。

盾構法施工具有掘進過程中無需降水、沉降容易控制、工程可靠性高以及施工速度快等優點，已經成為地鐵區間隧道工程建設的首選工法[1]。目前，國內外針對類似工程、工法已有一些研究。例如杜虎[2]將有限元分析和現場實踐相結合，分析了不良地層中盾構下穿施工引起的既有鐵路變形;呂培林等[3]根據現場實測數據分析了地鐵隧道下穿既有鐵路引起的沉降、時間分布規律;楊林[4]通過三維有限元分析研究了軟土地區路基預加固防護的合理性;齊勇[5]研究了D型鋼便梁加固鐵路和洞內注漿的加固方案;嚴濤[6]研究分析了不同加固措施下的盾構施工工況;蔡小培等[7]通過建立有限元模型，分析了盾構隧道下穿高速鐵路過程中軌道的變形規律。唐志輝[8]研究分析了不同地層加固范圍與路基變形分析的規律。較多研究對該類技術問題開展了大量理論分析和實踐研究，對工程建設起到了極大的促進作用，但在深厚軟弱地層中穿越多股既有鐵路的工程實踐較少。基于此，本文以武漢地鐵8號線區間隧道盾構下穿12條既有鐵路群為背景，采用有限元數值模擬方法，研究了深厚軟弱地層條件下盾構隧道穿越既有鐵路群的變形和受力情況，并將計算結果與現場實測數據對比分析。研究成果可為類似工程提供參考依據。

1 工程概況

1.1 工程區間概況

1.1.1 地鐵區間概況

武漢軌道交通8號線一期工程起于三金潭，止于徐東大街梨園站，為全線地下敷設，線路長，16.76 km。中一路站-竹葉山站區間（以下簡稱“中竹區間”）隧道自出站后下穿中一路、中一路下穿通道，線路向左以R=500 m的曲線半徑穿行至既有鐵路群下方，之后斜穿社科院路到達竹葉山站。該區間線間距為16.2～16.8 m，線路平面最小曲線半徑為500 m，如圖1所示。線路縱斷面采用V字坡，最大縱坡坡度為25.00‰，隧道埋深為11.1～21.4 m，如圖2所示。區間線路全長為1 355 m。根據工程籌劃，該區間安排2臺盾構從中一路站始發，掘進至竹葉山站后吊出。

隧道的主要設計參數為管片內徑5.5 m，管片厚度350 mm，管片外徑6.2 m，管片寬度1.5 m，分為6塊，管片采用通用環襯砌結構。

1.1.2 工程地質概況

項目周邊地形平坦，位于長江左岸Ⅰ級階地。根據鉆孔揭露，結合區域地質資料，本區分布有第四系人工堆積層Qml、第四系全新統沖積層[Qal4]、白堊-古近系東湖群（K-E）dn。各個地層從上至下分別為：（1-1）雜填土層，（3-1）黏土層，（3-2）粉質黏土層、3-5粉質黏土、粉土、粉砂互層，（4-1）粉砂層，（4-2）粉細砂層，（4-3）中粗砂層，（5）砂礫卵石層，（15）礫巖層。場地內分布的特殊性巖土體主要為工程性能較差的（1-1）人工填土層，以及抗剪強度低、垂直和水平方向滲透性差異大的（3-5）粉質黏土、粉土、粉砂互層。

對工程有影響的地下水為第四系孔隙水，按其埋藏條件分為上層滯水和承壓水兩種類型。上層滯水主要賦存于人工填土層，含水性與透水性不一，地下水位不連續，無統一的自由水面，水位埋深為0.5～2.5 m。承壓水為該工程區域內主要的地下水類型，主要賦存于第四系全新統沖積（3-5）粉質黏土、粉土、粉砂互層、（4-1）粉砂層、（4-2）粉細砂層、（4-3）中粗砂層及（5）砂礫卵石層中，勘察期間實測承壓水頭埋深為2.1～4.0 m。

在下穿的既有鐵路群附近，隧道穿越的地層主要為（3-5）粉質黏土、粉土、粉砂互層和（4-1）粉砂層，隧道底部最大承壓水頭為20 m。各地層參數如表1所示。

1.2 既有京廣鐵路群概況

既有京廣鐵路群由京廣上行和下行、京廣漢口聯絡線上行和下行、滬蓉上行和下行線、動車出入段線組成，共有12條鐵路，均為有碴道床，周邊50 m范圍內無道岔，如圖3所示。鐵路正線的設計時速為160～250 km/h。左右線隧道結構外20 m范圍內共有接觸網立柱11組，其桿體材料主要由混凝土和鋼架組成，均為淺基礎。

本區間線路先后穿越京廣上行和下行、京廣漢口聯絡線上行和下行、滬蓉上行和下行線、動車出入段線，鐵路路基與地鐵隧道之間的豎向凈距為21.7～22.1 m，夾角為58°～61°。除滬蓉上行和下行線采用螺旋樁加固軟土地基外，其余均為天然路基。

1.3 鐵路變形控制標準

考慮到地鐵隧道施工時，不可避免將造成既有地層擾動和變形，從而引起鐵路路基或軌道的變形，嚴重時將影響鐵路安全運營。根據相關規范、標準[9]，以及周邊的3號線興業路站-二七小路站區間等類似工程經驗，確定變形控制標準為：① 路基沉降變化值為+5～-5 mm;② 軌道沉降變化值為+5 ～-5 mm;③ 接觸網立柱兩相鄰懸掛點的等高相對差不得大于10 mm，立柱順、橫線路方向的傾斜允許偏差不超過0.5%。

2 工程重難點分析

工程地處武漢地面沉降重點防控區，上部鐵路運營的變形控制要求高;隧道拱腰以上均為深厚軟弱地層，因此對工程技術要求高。

（1） 線路條件。本區間在下穿既有鐵路群時，受兩端線路和站點條件制約，隧道在穿越鐵路周圍的下穿曲線半徑為500 m（曲線穿越時刀盤的左右兩側超挖程度不對等），且線路與鐵路夾角為60°左右，因此曲線的斜角度穿越與垂直穿越相比，對鐵路影響范圍更大。

（2） 地質條件。因處地面沉降重點防控區，隧道周邊的軟弱地層物理力學參數低、含水量高、具觸變性。隧道在開挖后，刀盤與管片之間存在280 mm的空隙，若未及時填充，將引起隧道周邊地層的變形沉降[10]。

（3） 周邊環境。隧道上方有12條正在運營的鐵路線路，鐵路變形控制標準要求高，一旦鐵路的路基或軌道變形超過要求，將導致鐵路停運。

3 關鍵技術方案

3.1 隧道施工工法選擇

新建隧道下穿既有鐵路群時，需要在保障工程自身安全的同時確保既有鐵路正常運營，且由于鐵路對軌道變形敏感，需要選擇一種安全、可靠的施工工法。本工程地處深厚軟弱地層中，下穿鐵路可供選擇的施工工法主要有盾構法、頂推法、頂管法。影響工法選擇的主要控制因素有：① 本區間全長1.3 km，需要結合整個區段考慮，隧道沿線埋深為11.1～21.4 m，隧道及上部地層主要為軟弱地層，且地下水位高;② 區間下穿既有鐵路群區段，平面線型為R=500 m的圓曲線，既有鐵路下方隧道的平面長度為120 m，縱坡坡度為0.8%，采用頂推法或頂管法無法實現隧道設計線型。因此，本區間隧道施工工法的最優選擇為盾構法。

3.2 設計保護措施

3.2.1 管片加強設計

針對地鐵隧道下穿鐵路區段的盾構隧道，管片采用加強設計：①管片采用加強型襯砌管片，通過加強管片配筋以提高管片剛度;②為了減小盾構穿越引起軌道的后續沉降，管片增加10個注漿孔。盾構施工過程中，可通過這些注漿孔及時二次注漿，確保盾構背后間隙填充密實。同時還應根據地面軌道沉降監測情況進行調整，若沉降過大或未穩定，則可通過增設的注漿孔對隧道周邊1～3 m范圍的地層進行補償深孔注漿，以減小隧道施工引起的地面沉降和工后沉降。

（1） 注漿方式及范圍。采用花管注漿，由管片注漿孔打入，注漿管長度為1～3 m，注漿范圍為管片四周。

（2） 采用水泥漿液，注漿壓力為0.5～1.0 MPa，注漿壓力、漿液配比、進漿速度和持續時間根據現場試驗結果進行調整，加固區的土體應具有良好的均勻性和自立性，無側限單軸抗壓強度0.3 MPa，滲透系數小于1×10-7 cm/s。

（3） 含承壓水區域注漿時，做好注漿管的止水措施，在管片內弧面打設膨脹螺栓，安裝配套止水鋼套管，插入注漿管，防止出現涌水、涌砂事故。

3.2.2 鐵路路基加固

（1） 注漿加固范圍。采用地表注漿加固盾構掘進影響范圍內的所有鐵路路基。加固的橫向寬度為隧道外6 m的范圍，縱向寬度為軌道線路中心線外7 m范圍，加固深度為地表以下12 m范圍，按照穿過（3-1）黏土層控制。

（2） 注漿孔布置。靠近鐵路線最近的一排注漿孔按距軌道中心線2 500 mm控制，平行鐵路線方向布置斜孔，斜孔角度為70°～80°，注漿孔平面間距為1 m。具體加固范圍詳見圖4～5。

（3） 注漿加固參數。由于鐵路附近施工場地小，操作空間有限，在地面采用鉆桿后退式注漿工藝進行注漿。A類注漿孔水平傾角70°，B類注漿孔水平傾角80°，C類注漿孔為豎向角度，A，B，C類注漿孔縱向間距1.0 m，漿液擴散半徑0.8 m，單管每延米注漿量建議值為0.3 m3;D類注漿孔縱向間距1.5 m，排間距1.5 m，漿液擴散半徑1.0 m，單管每延米注漿量約0.5 m3。注漿漿液為1∶1水泥漿，采用42.5級普通硅酸鹽水泥;盾構下穿鐵路前完成地基加固，注漿加固后應檢測加固效果，注漿加固體無側限抗壓強度不小于0.3 MPa。

3.3 施工保護措施

3.3.1 列車行車限速

在盾構機掘進通過鐵路前，充分了解各條鐵路行車計劃及間隔，做好合理的工程籌劃，并調整盾構推進速度。在盾構機通過軌道區期間，按照鐵路主管部門要求，列車在該路段需減速至45 km/h行駛。同時，采取區間行車封閉作為應急措施。

3.3.2 及時回填道砟

本次盾構隧道下穿的鐵路路基均為有砟道床，該道床由地面上軌枕下鋪設一層碎石組成，在減少地面附加應力的同時，還可提高軌道的彈性和排水性能，使軌道便于維修。盾構機穿越該區域的鐵路時，可根據軌道監測情況及時回填鐵路道砟，保證鐵路軌道滿足鐵路運營要求。

3.3.3 優化盾構刀盤

本區間所掘進的地層主要為粉質黏土、粉砂層，另有滬蓉上下行線鐵路的復合地基螺旋樁進入隧道開挖范圍2.1 m，因此本區間刀盤以刮刀、切刀、貝殼刀為主。盾構從中一路站始發，長距離掘進到鐵路下方時，刀盤存在一定程度磨損，因此需要整體考慮刀盤配置，避免在鐵路下方換刀。

4 數值分析及實測結果對比

為進一步分析中竹區間隧道盾構下穿對鐵路段的影響，采用三維數值分析手段對下穿鐵路段進行定量分析，提出更為合理的施工保護方案，以保證鐵路線路安全運營和盾構順利下穿。

4.1 模型建立

本次建模計算采用ABAQUS通用非線性有限元分析軟件。結合該工程項目實際情況，并考慮邊界影響，取上界面為自由約束，側面采用滾軸約束，下表面采用固定約束;模型應力考慮自重的影響，采取自上而下依次遞增的方案。計算模型假定：

（1） 土體為各向同性、均質的理想彈塑性體，模型中各土層為原狀土層，不考慮螺旋樁的加固作用;

（2） 初始地應力在模型計算只考慮土體自重應力，參考類似工程[5-8]分析，不考慮地下水的影響;忽略巖土體構造應力，使巖土體在自重作用下達到平衡，而后再進行盾構施工的開挖;

（3） 假定既有鐵路的路基及軌道結構變形一致，且在施工前既有鐵路的路基及軌道結構處于良好狀態;

（4） 模型中所選用的地層參數參照工程地勘報告中所給出的土體參數;

（5） 模型中的隧道襯砌結構按照表2參數進行設置。

4.2 計算分析

為了進行三維動態施工情況的模擬及考慮隧道開挖的端部效應，模型取盾構隧道縱向140 m、鐵路路基縱向120 m進行模擬計算，隧道結構和重點部位附近采用小尺寸單元進行加密。整個計算范圍為140 m×120 m×40 m。整體計算模型網格剖分如圖6～7所示，位移變形云圖如圖8～9所示。

4.3 有限元結果分析

對盾構隧道施工的具體計算結果：① 隧道貫通后，路基沉降最大值為4.64 mm;② 軌道沉降最大值為4.64 mm;③ 接觸網立柱沉降的最大值為5.0 mm，相鄰立柱的沉降差最大值為1.3 mm（控制標準為10 mm），立柱傾斜率為0.02 %（控制標準為0.5 %）。結果表明：左、右線隧道貫通后鐵路路基的沉降，軌道的沉降、高低差、水平差，接觸網立柱的沉降及測斜等均滿足要求。

4.4 實測結果分析

在地鐵穿越既有鐵路前，在每條鐵路的左右線隧道中間、隧道與鐵路交叉處、隧道外各5， 15 m和25 m布置一個監測點，每條鐵路軌道上共布置9個監測點。每個接觸網立柱上布置3個監測點。現場監測采用全自動化監測手段，并根據監測數據及時進行隧道洞內跟蹤注漿，地面變形較大時采取道砟回填。在采取各項防護措施后，各條鐵路軌道的變形均較小：路基沉降最大值為5.0 mm，軌道沉降最大值為4.9 mm，接觸網立柱的沉降最大值為8.5 mm，相鄰立柱的沉降差最大值為2.5 mm，立柱順、橫線路方向傾斜0.2 %，能夠滿足既有鐵路安全運營保護要求，防護措施實施效果良好。

5 結論與建議

根據工程的實際施工情況，結合數值模擬、監測數據對深厚軟弱地層盾構隧道穿越既有鐵路群的關鍵技術進行了研究，主要得出以下結論。

（1） 盾構隧道下穿既有鐵路群時，可通過管片加強、路基加固、行車限速、回填道砟等措施，有效減小盾構隧道對鐵路線路的影響，確保鐵路運營安全。

（2） 在盾構隧道穿越鐵路之前應選取100 m區段作為盾構施工試驗段，不斷優化盾構推進參數，控制地表變形，減少對鐵路的影響;根據正面土壓力，緊密結合地表變形監測，及時調整盾構掘進參數，將施工后地表變形量控制在最小范圍內;根據地層情況合理制定施工參數，如刀盤轉速，土倉壓力，注漿壓力以及掘進速度等。通過該技術方案，確保了開挖面的土壓力平衡，減少了開挖面土體的坍塌、變形以及土層損失。

（3） 由于盾構開挖對地層變形影響存在一定的滯后，地鐵施工對鐵路的不利影響將發生在地鐵施工后的一段時間，因此對鐵路關鍵項目的監測應適當延長至地鐵施工完成后3個月，直至監測數據收斂。

參考文獻：

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（編輯：高小雲）