盾構隧道下穿既有運營鐵路影響性分析及控制技術研究

摘要：盾構隧道下穿施工對既有運營鐵路的影響較大。依托徐州某涉鐵工程實例，采用Midas GTS NX軟件建立有限元模型，研究了隧道下穿過程中鐵路變形的動態變化過程，分析了鐵路鋼軌的高低和水平不平順情況。結果表明：盾構隧道穿越過程中鐵路路基沉降值逐漸增大，最后趨于穩定；隧道施工引起的鐵路路基沉降分布曲線可近似為正態分布，且下穿位置正上方路基沉降值最大；鐵路鋼軌的高低和水平不平順最大值滿足規范要求。盾構隧道下穿京滬鐵路設計方案可行，為進一步保證下穿施工的安全提出了涉鐵施工一系列保護措施，為類似工程提供參考。

關鍵詞：盾構隧道；下穿施工；鐵路路基；鐵路橋梁；有限元分析

中圖分類號：U455.43文獻標志碼：A隨著城市地鐵建設的發展，地鐵盾構隧道下穿既有運營鐵路的情況逐年增多，下穿施工會引起土層不均勻沉降，可能導致列車脫軌及人員傷亡，對鐵路運營產生較大影響。

諸多學者針對盾構隧道涉鐵工程進行了一系列研究。PECK［1］最早提出了預測隧道施工引起地表沉降的公式。周順華［2］系統總結了盾構隧道下穿各類風險源的控制指標、控制方法及工程案例。趙旭偉［3］采用現場實測與有限元模擬相結合的方法，探討了盾構下穿大型鐵路樞紐過程中鐵路變形規律及安全控制措施。彭華等［4］通過數值模擬、現場實測分析了盾構下穿施工中道床沉降的時程變化規律及沉降槽發展趨勢，探究了沉降規律與盾構施工參數的關系。肖立等［5］采用數值模擬和現場監測數據相結合的方法對比分析盾構穿越施工時鐵路路基沉降的規律。屈克軍［6］采用數值分析方法計算了新建隧道臨近并行既有線、下穿單線和下穿多線等關鍵施工過程中盾構掘進對臨近既有線沉降的影響，對比分析了擬采用的施工措施對既有線沉降的控制效果。劉遠明等［7］通過數值模擬分析鐵路路基沉降特點，研究不同水平間距雙線隧道下穿施工引起既有鐵路路基的沉降變形規律。目前，涉鐵工程的研究主要集中在路基沉降最大值和分布曲線的分析上。然而，隧道下穿過程中鐵路變形是一個動態變化的過程，其變形特征并非固定不變。此外，對于鋼軌的不平順情況也缺乏針對性分析研究。

本文以徐州某涉鐵工程為背景，建立有限元模型，分析盾構隧道下穿施工對既有運營鐵路的影響，并研究施工過程中鐵路沉降的動態變化規律和鋼軌的不平順情況，同時提出相應的施工保護措施，為類似工程設計和施工提供參考。

1工程概況

徐州某涉鐵區間自東向西下穿京滬普速鐵路，同時側穿鐵路橋（圖1、圖2）。該盾構隧道外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，環寬1.2 m。京滬鐵路是我國鐵路的南北大動脈，為國家Ⅰ級電氣化鐵路。下穿區域共三股道（京滬客運上行線120 km/h、京三線（貨運）80 km/h、京滬客運下行線120 km/h，行車對數124對），鋼筋混凝土軌枕，碎石道床，穿越段鐵路為直線。下穿位置隧道北側為京滬鐵路跨玉泉河橋，橋梁為鋼筋混凝土低高度板梁橋，基礎為擴大基礎，基礎埋深約6 m。

區間隧道與京滬鐵路最小平面夾角約69°，覆土埋深（盾構頂面與鐵路路基底面的豎向距離）約20.5 m，區間隧道距離北側鐵路橋橋臺最小水平距離約9.12 m，區間隧道距離南側道岔岔心最小距離約20.78 m，距離岔尖最小距離約4.64 m，主要穿越土層為中風化灰巖。

2模型建立及工況模擬

2.1有限元模型

根據區間隧道與鐵路路基段、鐵路橋的位置關系，本工程運用Midas GTS NX軟件進行三維影響分析。有限元計算模型如圖3所示。模型長、寬、高分別為260 m、115 m、50 m，側面約束水平平移自由度，底面約束水平和豎向平移自由度，盡量消除邊界效應的影響。土體采用莫爾-庫倫本構，并對土體進行鈍化來模擬隧道開挖，同時在隧道土體外析取板單元來模擬盾構管片，根據盾構隧道的實際工序來模擬隧道開挖（圖4）。

2.2土層參數

本工程分析所采用的地層參數如表1所示。

2.3施工掘進模擬

根據實際情況將施工過程劃分為12個工況模擬，如表2所示。

3影響性分析

3.1鐵路縱向路基沉降

通過有限元模擬計算得到盾構隧道施工過程中京滬鐵路上行線、京三線、下行線各股道中心處路基頂面的沉降分布曲線，如圖5所示。

盾構施工引起的沉降大致可分為5個階段［8］：①先行沉降；②開挖面隆沉；③盾構通過時沉降；④盾尾沉降；⑤后期沉降。由圖5可知：盾構穿越過程中鐵路路基沉降值逐漸增大，最后趨于穩定；盾構施工引起的鐵路路基沉降分布曲線可近似為正態分布［1］，且下穿位置正上方路基沉降值最大。

盾構施工引起的京滬鐵路上行線路基最大沉降為1.119 mm、京三線路基最大沉降為1.121 mm、下行線路基最大沉降為1.128 mm，滿足路基沉降10 mm控制要求［9］。京滬鐵路岔尖位置位于“京三線路基中心沉降曲線”中的“路基縱向坐標為70”處，對應最大沉降為0.500 mm，未超過1 mm的控制標準［10］。

3.2路基沉降速率

根據軌道交通施工經驗，盾構隧道施工速度一般為6 環/d，本工程管片環寬1.2 m，即施工速度為7.2 m/d。由于京滬鐵路下行線股道在盾構穿越后總沉降量最大，選取該股道作為對象計算路基沉降速率。結合相應工況下行線股道路基頂面的沉降量和掘進間隔時間，計算得到該股道在各工況施工時間內路基頂面的平均沉降速率，如表3所示。

由表3可知：在工況2（右線盾構掘進至京滬鐵路下行線中心處，激活前一工況管片）時，京滬鐵路下行線路基頂面的沉降速率最大，為0.291 mm/d，未超出《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》（TB 10314—2021）中路基沉降速率2 mm/d的控制標準［9］。

3.3軌道幾何狀態

3.3.1鋼軌高低不平順

根據各工況下各股道左、右軌的豎向變形結果，按照10 m弦長計算鋼軌高低不平順情況，結果匯總如圖6所示。

由圖6可知：盾構施工引起的京滬鐵路上行線鋼軌高低不平順最大值為0.095 mm，京三線鋼軌高低不平順最大值為0.097 mm，下行線鋼軌高低不平順最大值為0.105 mm，未超過《普速鐵路線路修理規則》（TG/GW 102—2019）中計劃維修狀態下6 mm的高低不平順控制指標［10］。

3.3.2鋼軌水平不平順

根據各工況下各股道左、右軌的豎向變形結果，計算各工況下鋼軌的水平不平順，計算結果如圖7所示。

由圖7可知：盾構施工引起的京滬鐵路上行線鋼軌水平不平順最大值為-0.059 mm，京三線鋼軌水平不平順最大值為-0.056 mm，下行線鋼軌水平不平順最大值為-0.055 mm，未超過《普速鐵路線路修理規則》（TG/GW 102—2019）中計劃維修狀態下6 mm的水平不平順控制指標［10］。

3.4京滬鐵路橋梁變形

隧道下穿施工后鐵路橋位移如圖8、9所示。

側穿鐵路橋，右線隧道側穿后鐵路橋最大沉降為0.800 mm，左線隧道側穿后鐵路橋最大沉降為0.890 mm。右線隧道側穿后鐵路橋最大X方向水平位移為-0.026 mm，左線隧道側穿后鐵路橋最大X方向水平位移為-0.017 mm。右線隧道側穿后鐵路橋最大Y方向水平位移為-0.560 mm，左線隧道側穿后鐵路橋最大Y方向水平位移為-0.832 mm，滿足橋梁變形的控制要求［9］（墩臺水平位移±7 mm，墩臺豎向位移＋3/－8 mm）。

4施工控制技術

1）施工籌劃：本隧道采用2臺盾構機進行掘進，左、右線分開下穿，減小相互影響；右線盾構機始發后左線盾構再進行掘進，兩線盾構機應錯開1個月掘進，保持安全距離。

2）設置試驗段：設置不少于100 m盾構推進試驗段，在事先設定的推進速度、注漿參數等基礎上，根據監測反饋結果實時調整，摸索出最優的施工參數匹配方案，減少對鐵路設施的干擾。

3）下穿前盾構機檢查：為了保證下穿處施工質量和減少對鐵路的影響，在下穿前先做好姿態調整從而避免下穿處因意外等造成大的偏離及相應的糾偏，也可以保證此處管片拼裝質量，避免運營期可能出現的地下水滲漏。同時做好機械設備保養，及時檢查刀具磨損量，有磨損應立即更換。避免長時間停機、換刀、開倉，機械設備維修，消耗品停機更換，做到穩步掘進，順利穿越。

4）預埋注漿管：在鐵路路基和橋臺基礎中預埋注漿管，變形監測出現預警時，及時進行注漿，限制變形的進一步發展。

5）鐵路防護措施：采用鐵路防護常用的扣軌加固措施，對區間下穿影響范圍內的軌道進行加固，提高軌道自身抗變形能力；同時，對道岔提前進行釘閉處理，控制道岔的位置和方向，確保列車能夠順利行駛。

6）盾構掘進施工控制［11］：①掘進參數控制。盾構推進主要依靠液壓缸推力，盾構推力應滿足正面土體主動土壓力+水壓+總摩擦力＜盾構總推力＜正面土體被動土壓力+水壓+總摩擦力。避免推力過大導致正面土體因擠壓而變形。②土倉壓力控制。維持土倉壓力與作業面壓力（土壓+水壓）平衡，是防止地層變形、保證橋梁安全的重要因素，可通過設定掘進速度、調整排土量實現。③控制出渣量，控制地層損失。應保持開挖量和排土量平衡，若沒有控制好出土量，出現較大的超挖現象，會導致正面土體失穩、坍塌，導致橋梁變形。④推進速度及糾偏。推進速度不宜過快，過快難以保證同步漿液的注入量和盾尾密封油脂的飽滿壓入，也不宜過慢，過慢會增加對盾構周邊土體的擾動，增大沉降。應保證盾構勻速推進、連續施工，杜絕出現盾構停滯甚至后退現象，以減少盾構對土體的擾動。⑤管片拼裝應及時，縮短盾構停推時間。⑥加強同步注漿、二次注漿。

7）隧道穿越影響段采用預留注漿孔且鋼筋加強型管片。

8）盾構下穿施工過程中，鐵路線路應進行限速，同時做好沉降變形和沉降速率的監測工作，采用信息化施工，根據監測情況適當調整限速時間和限速值。

9）盾構穿越完成并沉降穩定后，及時對道岔、轉轍機等鐵路設備進行測量、檢查，進行必要的抬道補碴等修復工作。

10）在施工中做好監測工作，并及時反饋測量成果到掘進作業班組，實時調整盾構掘進姿態、土倉壓力、推進速度、出土速度、注漿速度及注漿量等盾構施工參數，做到合理化施工。

5結論

1）根據分析計算，盾構穿越過程中鐵路路基沉降值逐漸增大，最后趨于穩定；盾構施工引起的鐵路路基沉降分布曲線可近似為正態分布，且下穿位置正上方路基沉降值最大。

2）根據分析計算，盾構施工引起的京滬鐵路路基沉降、沉降速率、鋼軌高低和水平不平順值均滿足控制標準。

3）根據分析計算，盾構隧道下穿引起京滬鐵路橋橋臺和橋墩的水平、豎向位移未超過變形控制標準。

4）本文針對盾構下穿既有運營鐵路的情況提出了施工籌劃、設置試驗段、預埋注漿管等一系列施工控制措施，保證了盾構穿越鐵路施工的安全，為類似工程提供參考。參考文獻：

[1]PECK R B. Deep excavation and tunneling in soft ground［C］// Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Mexico： Etat Actuel Des Conaissances， 1969： 225-290.

［2］ 周順華. 地鐵盾構法隧道下穿工程［M］. 北京： 科學出版社， 2017.

［3］ 趙旭偉. 軟土地層盾構下穿鐵路樞紐沉降規律及施工控制［J］. 隧道與地下工程災害防治， 2022， 4（2）： 59-65.

［4］ 彭華， 楊志蔚， 曹全， 等. 盾構下穿鐵路碎石道床沉降規律及施工參數控制［J］. 工程力學， 2019， 36（增刊1）： 222-228.

［5］ 肖立， 張慶賀. 鐵路軌道下盾構施工所致地面沉降的數值模擬［J］. 同濟大學學報， 2011， 39（9）： 1286-1291.

［6］ 屈克軍. 盾構隧道施工對臨近既有線沉降影響的數值分析［J］. 貴州大學學報（自然科學版）， 2021， 38（5）： 94-100.

［7］ 劉遠明， 費富華， 陳會宇， 等. 雙線隧道下穿施工對鐵路路基沉降影響數值分析［J］. 貴州大學學報（自然科學版）， 2023， 40（3）： 107-113.

［8］ 洪開榮. 盾構與掘進關鍵技術［M］. 北京： 人民交通出版社股份有限公司， 2015.

［9］ 國家鐵路局. 鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程： TB 10314—2021［S］. 北京： 中國鐵道出版社， 2021.

［10］中國鐵路總公司. 普速鐵路線路修理規則： TG/GW 102—2019 ［S］. 北京： 中國鐵道出版社， 2019.

［11］杜棣賓. 盾構隧道下穿鐵路橋梁影響分析［J］. 工程技術研究， 2023， 8（18）： 1-4.

（責任編輯：周曉南）

Study on Impact Analysis and Control Technology of Shield Tunnels

Undercrossing Existing Operating Railways

QU Zejun JIANG Shenghua WANG Tianlong

（1.China Railway No.4 Engineering Group Co.， Ltd.， Hefei 230022， China; 2.School of Management， Guizhou University， Guiyang 550025， China）Abstract： The shield tunneling construction has great influence on existing operating railways. This paper has studied the dynamic changes of railway deformation during tunneling， and analyzed vertical and horizontal unevenness of railway tracks by relying on a case study of a railway-related project in Xuzhou and employing Midas GTS NX software to establish a three-dimensional finite element calculation model. The results show that： in the process of shield tunneling， the settlement value of the railway roadbed gradually increases， and eventually becomes stabilized. The distribution curve of railway roadbed settlement caused by tunnel construction can be approximated as a normal distribution， with the roadbed settlement value directly above the tunneling position being the maximum. The maximum values of vertical and horizontal unevenness of the railway tracks meet the regulatory requirements. In addition， it also demonstrates the feasibility of the design scheme for tunneling underneath the Beijing-Shanghai railway. To further ensure the safety of tunneling construction， a series of protective measures for railway-related construction are proposed to provide reference for similar projects.

Key words： shield tunnel; tunneling construction; railway roadbed; railway bridge; finite element analysis