盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路施工技術(shù)現(xiàn)狀及展望

文沖 沈衛(wèi)平 茍明中 晏啟祥 周上進(jìn) 張?zhí)?/p>

【摘要】文章詳細(xì)梳理和總結(jié)了盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的六種情況，并將目前的相關(guān)研究歸納為三個(gè)主要研究方向：地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題、主動(dòng)加固方案效果評(píng)價(jià)、微擾動(dòng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀分析，對(duì)盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路問題提出了若干建議與展望。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道; 下穿; 運(yùn)營(yíng)鐵路

【中國(guó)分類號(hào)】U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

鐵路與公路

經(jīng)過幾十年的大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路的規(guī)?？胺Q世界之最。根據(jù)2019年鐵路總公司的最新數(shù)據(jù)，我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程超過13.9×104 km，鐵路路網(wǎng)密度達(dá)145.5 km/104 km2。與此同時(shí)，，盾構(gòu)法因其安全系數(shù)高、不影響地面交通、快速高效等優(yōu)勢(shì)，在地鐵隧道修建中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

目前我國(guó)已有40個(gè)城市開展了軌道交通建設(shè)，運(yùn)營(yíng)線路共計(jì)208條，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)6 736.2 km，地鐵運(yùn)營(yíng)線路5 180.6 km，占比76.9 %，其中，2019年當(dāng)年新增運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度974.8 km，地鐵建設(shè)規(guī)模繼續(xù)保持高增長(zhǎng)勢(shì)頭[2]。由于我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的高密度與近幾年的大規(guī)模建設(shè)，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路情形越來越多，僅在川渝地區(qū)，就有近20余個(gè)區(qū)間隧道下穿既有鐵路的工程案例。表1列舉了其中5個(gè)實(shí)例。

當(dāng)?shù)罔F線路與既有運(yùn)營(yíng)高速鐵路產(chǎn)生交集時(shí)，地鐵建設(shè)即盾構(gòu)隧道施工不可避免地會(huì)對(duì)上部鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)。這種擾動(dòng)究竟會(huì)對(duì)既有鐵路產(chǎn)生怎樣的影響，是一個(gè)頗具工程意義的科學(xué)問題。有鑒于此，本文擬對(duì)盾構(gòu)隧道下穿各種既有運(yùn)營(yíng)鐵路的情況進(jìn)行歸納，并對(duì)目前學(xué)界關(guān)于盾構(gòu)下穿鐵路問題的研究現(xiàn)狀作主要闡釋，最后對(duì)盾構(gòu)下穿既有鐵路未來技術(shù)發(fā)展做出展望。

1 盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)鐵路的問題情況

目前針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有運(yùn)營(yíng)鐵路的案例已有大量文獻(xiàn)報(bào)道。受隧道施工影響而發(fā)生沉降變形的鐵路結(jié)構(gòu)物，主要包括以下六種情況：

（1）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路路基，隧道開挖導(dǎo)致軌道路基沉降。

（2）盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋，導(dǎo)致橋墩發(fā)生水平位移和豎向位移變形。

（3）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路車站，導(dǎo)致車站站臺(tái)產(chǎn)生局部沉降，例如天津地鐵解放路北站～天津站區(qū)間段穿越天津站鐵路下方，天津站站臺(tái)產(chǎn)生一定沉降變形[3]。

（4）盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵，隧道穿越鐵路時(shí)引起箱涵產(chǎn)生水平位移、豎向沉降，進(jìn)而發(fā)生傾斜[4]。

（5）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路隧道，造成隧道結(jié)構(gòu)和鐵路軌道發(fā)生豎向沉降[5]。

（6）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋群樁基礎(chǔ)，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)發(fā)生豎向沉降和側(cè)向變形，例如成都地鐵4號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿鐵路群，鐵路群包括成綿樂客專、東環(huán)線、達(dá)成線共10股鐵路線[6]。

本文將盾構(gòu)隧道下穿這六種鐵路結(jié)構(gòu)物的研究?jī)?nèi)容總結(jié)為三個(gè)方面：

（1）地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題研究。

（2）主動(dòng)加固方案效果評(píng)價(jià)。

（3）微擾動(dòng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

1.1 地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題研究

盾構(gòu)隧道施工勢(shì)必會(huì)對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，造成地表沉降或隆起。目前學(xué)術(shù)界通常采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對(duì)地表沉降量的大小和施工對(duì)地表沉降的橫向影響范圍進(jìn)行研究。

房師濤[6]以成都地鐵4號(hào)線區(qū)間下穿鐵路群為工程背景，運(yùn)用有限差分軟件計(jì)算盾構(gòu)開挖過程對(duì)上部鐵路橋樁基的影響，計(jì)算得到呈“U型槽”狀的地表橫向沉降曲線，以及鐵路橋群樁的水平位移、豎向位移值。

杜明芳[4]等基于Origin內(nèi)嵌積分程序?qū)Φ乇沓两挡勖娣e進(jìn)行積分，計(jì)算出隧道開挖引起的相對(duì)較小的土層體積損失率，推測(cè)出隧道開挖對(duì)鐵路影響較小的結(jié)論。

鄭余朝[7]等利用FLAC有限差分軟件建立了軌道、路基、圍巖和隧道的耦合模型，研究了鐵軌高低差與路基沉降之間的相互作用關(guān)系。

1.2 主動(dòng)加固方案效果評(píng)價(jià)

針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿的各種類型的鐵路結(jié)構(gòu)物，學(xué)者和技術(shù)人員根據(jù)具體工程情況，采用了具有針對(duì)性的加固方案，詳情見表2。

目前主要采用數(shù)值仿真計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)加固方案的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)：王志超[8]等采用深孔注漿的方式對(duì)隧道上方土層進(jìn)行加固，并計(jì)算得到盾構(gòu)穿越過程中有無(wú)注漿時(shí)鋼軌的水平與豎直變形。結(jié)果表明經(jīng)深孔注漿加固后沉降值減少約76 %，加固效果顯著。賈大鵬[9]等在北京地鐵10號(hào)線某區(qū)間隧道下穿京滬高鐵高架橋工程項(xiàng)目中，將隔離結(jié)構(gòu)（隔離墻和隔離樁）設(shè)置在橋梁基礎(chǔ)與隧道之間，并用有限元軟件建模分析隧道施工時(shí)隔離保護(hù)措施的加固效果。

1.3 微擾動(dòng)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

盾構(gòu)向前掘進(jìn)的過程中，刀盤對(duì)前方土體和上方結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的較大擾動(dòng)以及盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失，是盾構(gòu)開挖造成地層沉降或隆起的主要原因。因而確定合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)控制地表和隧道上方結(jié)構(gòu)物沉降至關(guān)重要。為了得到合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，通常有設(shè)置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)段和室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)兩種方案，其中通過試驗(yàn)段選取合理的盾構(gòu)微擾動(dòng)參數(shù)是控制路基等結(jié)構(gòu)物沉降的關(guān)鍵[10]。

（1）設(shè)置參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)段：在深圳地鐵7號(hào)線某區(qū)間隧道下穿鐵路橋項(xiàng)目中，王體廣[16]將盾構(gòu)始發(fā)端距離鐵路橋250 m這一段設(shè)為參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)段，施工時(shí)結(jié)合周邊環(huán)境優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，減少盾構(gòu)隧道地層體積損失率，使盾構(gòu)勻速、慢速通過鐵路段。馮超[17]等將盾構(gòu)下穿寧啟鐵路的前后90 m作為控制性區(qū)域，施工時(shí)嚴(yán)格遵循設(shè)定的掘進(jìn)參數(shù)。彭華[18]等將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)出土量、扭矩、土倉(cāng)壓力等參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，總結(jié)出盾構(gòu)下穿京廣線過程中鐵路道床沉降量與掘進(jìn)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，以便應(yīng)用于掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整與把控。

（2）室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)：郭玉海[15]等從土體改良和同步注漿措施入手，對(duì)不同種類的改良土體和注漿漿液開展室內(nèi)材料實(shí)驗(yàn)，得出了適用于大直徑盾構(gòu)的添加劑參數(shù)。

2 盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路技術(shù)展望

目前學(xué)界對(duì)于盾構(gòu)下穿高速鐵路問題的研究，方法上主要有經(jīng)驗(yàn)公式、理論公式及數(shù)值仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)。

經(jīng)驗(yàn)公式中最為經(jīng)典和重要的是Peck公式[19]。Peck法在不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的條件下，認(rèn)為盾構(gòu)推進(jìn)后地面橫線沉降基本為近似正態(tài)曲線。具體計(jì)算式如下：

式中：Sx為隧道軸的中心在地面沉降所造成的損失值;i為地表沉降槽的寬度系數(shù)（m），即隧道沉降曲線拐點(diǎn)到中心的距離;Smax為隧道中心線地面沉降的最大值。

劉建航[20]、侯學(xué)淵[21]等學(xué)者專家依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)Peck公式進(jìn)行了有益的修正和補(bǔ)充。王體廣[16]將Peck公式計(jì)算得到的地表沉降值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值對(duì)比研究，根據(jù)實(shí)測(cè)值反算，優(yōu)化了公式中地層損失率的取值。

理論公式中較為成熟的為Sagaseta提出的地表沉降的三維計(jì)算公式。

式中：δz（x）為與隧道軸線正交的平面內(nèi)土層的垂直位移;δz（y）為與隧道軸線平行的平面內(nèi)土層的垂直位移;Vs為土體體積損失;x、y為距中心線的距離;H為隧道的埋深。

對(duì)于盾構(gòu)下穿高鐵的直接相關(guān)研究主要集中在數(shù)值仿真上。徐干成[22]結(jié)合具體的工程案例，利用數(shù)值仿真計(jì)算盾構(gòu)下穿影響下軌道的沉降值，這是最普遍的做法?；糗妿沎23]、王俊生[24]則考慮了注漿加固對(duì)于軌道沉降的影響。羅強(qiáng)[25]、毛利軍[26]、李獻(xiàn)民[27]結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論，運(yùn)用數(shù)值仿真研究了高速列車在隧道上方運(yùn)行時(shí)，列車振動(dòng)對(duì)地層及隧道的變形影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上，目前關(guān)于盾構(gòu)下穿高速鐵路的研究，在理論經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)上僅局限于地表變形，對(duì)于上部鐵路結(jié)構(gòu)的影響尚無(wú)公式可供計(jì)算。數(shù)值仿真方面集中于常規(guī)的軌道沉降計(jì)算，對(duì)于盾構(gòu)開挖后變形如何由地層傳遞至地表，再傳遞至鐵路路基，最后傳遞至軌道的機(jī)理目前尚沒有系統(tǒng)性的研究。此外，從研究方法上講，關(guān)于盾構(gòu)隧道下穿高鐵的模型試驗(yàn)也較少。有鑒于此，對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿高鐵的未來技術(shù)發(fā)展提出以下三點(diǎn)建議以供參考：

（1）開展盾構(gòu)下穿既有鐵路現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和精細(xì)化室內(nèi)試驗(yàn)，以獲取第一手技術(shù)數(shù)據(jù)。

（2）針對(duì)盾構(gòu)下穿高鐵的地層-路基-軌道變形機(jī)制開展系統(tǒng)討論，提出變形傳導(dǎo)機(jī)制。

（3）推導(dǎo)盾構(gòu)下穿對(duì)于上部鐵路結(jié)構(gòu)影響的理論經(jīng)驗(yàn)公式，以廣泛適用于工程實(shí)踐。

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