深厚軟弱地層盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群變形分析和控制技術(shù)

朱敏

摘要：為確保盾構(gòu)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(qiáng)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析相結(jié)合等手段，提出了加強(qiáng)洞內(nèi)管片設(shè)計(jì)、加強(qiáng)盾構(gòu)施工控制、優(yōu)化推進(jìn)參數(shù)、及時填充注漿、地面路基加固、行車限速、回填道砟的保護(hù)措施，以及加大鐵路變形監(jiān)測頻率和延長監(jiān)測時間等一整套盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群的變形分析和控制技術(shù)。結(jié)果表明：提出的變形分析和控制技術(shù)可有效降低盾構(gòu)隧道對鐵路路基的影響，確保鐵路運(yùn)營安全。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)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(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市建設(shè)的高速推進(jìn)，城市軌道交通的建設(shè)已經(jīng)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(gòu)）筑物、地下管線、高架橋、鐵路、高壓電塔以及復(fù)雜地質(zhì)條件的綜合影響，往往需要反復(fù)比選線路走向，以盡量避開重要建（構(gòu)）筑物，將風(fēng)險降到最低，但因建（構(gòu)）筑物等基礎(chǔ)設(shè)施無法避免，經(jīng)常會出現(xiàn)地鐵區(qū)間隧道下穿既有鐵路的情況。對于早期建設(shè)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(dāng)?shù)貙臃植季鶆驎r，鐵路路基的沉降呈現(xiàn)均勻狀態(tài)，對鐵路運(yùn)營安全影響不大。對于近期建設(shè)的高鐵線路，因其線路控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，常進(jìn)行深層地層加固以降低地層沉降絕對值。當(dāng)新建隧道工程下穿既有鐵路時，由于盾構(gòu)開挖土體產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)，會對上部既有鐵路的變形造成影響，尤其是當(dāng)上部鐵路線路多、控制標(biāo)準(zhǔn)不一時，采取何種保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和措施以確保鐵路運(yùn)營安全成為工程難題。

盾構(gòu)法施工具有掘進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為地鐵區(qū)間隧道工程建設(shè)的首選工法[1]。目前，國內(nèi)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(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合，分析了不良地層中盾構(gòu)下穿施工引起的既有鐵路變形;呂培林等[3]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析了地鐵隧道下穿既有鐵路引起的沉降、時間分布規(guī)律;楊林[4]通過三維有限元分析研究了軟土地區(qū)路基預(yù)加固防護(hù)的合理性;齊勇[5]研究了D型鋼便梁加固鐵路和洞內(nèi)注漿的加固方案;嚴(yán)濤[6]研究分析了不同加固措施下的盾構(gòu)施工工況;蔡小培等[7]通過建立有限元模型，分析了盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路過程中軌道的變形規(guī)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(guī)律。較多研究對該類技術(shù)問題開展了大量理論分析和實(shí)踐研究，對工程建設(shè)起到了極大的促進(jìn)作用，但在深厚軟弱地層中穿越多股既有鐵路的工程實(shí)踐較少。基于此，本文以武漢地鐵8號線區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿12條既有鐵路群為背景，采用有限元數(shù)值模擬方法，研究了深厚軟弱地層條件下盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群的變形和受力情況，并將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對比分析。研究成果可為類似工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程區(qū)間概況

1.1.1 地鐵區(qū)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(shè)，線路長，16.76 km。中一路站-竹葉山站區(qū)間（以下簡稱“中竹區(qū)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(dá)竹葉山站。該區(qū)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(qū)間線路全長為1 355 m。根據(jù)工程籌劃，該區(qū)間安排2臺盾構(gòu)從中一路站始發(fā)，掘進(jìn)至竹葉山站后吊出。

隧道的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為管片內(nèi)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(huán)襯砌結(jié)構(gòu)。

1.1.2 工程地質(zhì)概況

項(xiàng)目周邊地形平坦，位于長江左岸Ⅰ級階地。根據(jù)鉆孔揭露，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，本區(qū)分布有第四系人工堆積層Qml、第四系全新統(tǒng)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(zhì)黏土層、3-5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層，（4-1）粉砂層，（4-2）粉細(xì)砂層，（4-3）中粗砂層，（5）砂礫卵石層，（15）礫巖層。場地內(nèi)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(qiáng)度低、垂直和水平方向滲透性差異大的（3-5）粉質(zhì)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(xù)，無統(tǒng)一的自由水面，水位埋深為0.5～2.5 m。承壓水為該工程區(qū)域內(nèi)主要的地下水類型，主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積（3-5）粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層、（4-1）粉砂層、（4-2）粉細(xì)砂層、（4-3）中粗砂層及（5）砂礫卵石層中，勘察期間實(shí)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(zhì)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(shù)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(lián)絡(luò)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(nèi)無道岔，如圖3所示。鐵路正線的設(shè)計(jì)時速為160～250 km/h。左右線隧道結(jié)構(gòu)外20 m范圍內(nèi)共有接觸網(wǎng)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(chǔ)。

本區(qū)間線路先后穿越京廣上行和下行、京廣漢口聯(lián)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)

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(yán)重時將影響鐵路安全運(yùn)營。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)[9]，以及周邊的3號線興業(yè)路站-二七小路站區(qū)間等類似工程經(jīng)驗(yàn)，確定變形控制標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)立柱兩相鄰懸掛點(diǎn)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(diǎn)分析

工程地處武漢地面沉降重點(diǎn)防控區(qū)，上部鐵路運(yùn)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(shù)要求高。

（1） 線路條件。本區(qū)間在下穿既有鐵路群時，受兩端線路和站點(diǎn)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(cè)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(zhì)條件。因處地面沉降重點(diǎn)防控區(qū)，隧道周邊的軟弱地層物理力學(xué)參數(shù)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(huán)境。隧道上方有12條正在運(yùn)營的鐵路線路，鐵路變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求高，一旦鐵路的路基或軌道變形超過要求，將導(dǎo)致鐵路停運(yùn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)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(yùn)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(gòu)法、頂推法、頂管法。影響工法選擇的主要控制因素有：① 本區(qū)間全長1.3 km，需要結(jié)合整個區(qū)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(qū)間下穿既有鐵路群區(qū)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(shí)現(xiàn)隧道設(shè)計(jì)線型。因此，本區(qū)間隧道施工工法的最優(yōu)選擇為盾構(gòu)法。

3.2 設(shè)計(jì)保護(hù)措施

3.2.1 管片加強(qiáng)設(shè)計(jì)

針對地鐵隧道下穿鐵路區(qū)段的盾構(gòu)隧道，管片采用加強(qiáng)設(shè)計(jì)：①管片采用加強(qiáng)型襯砌管片，通過加強(qiáng)管片配筋以提高管片剛度;②為了減小盾構(gòu)穿越引起軌道的后續(xù)沉降，管片增加10個注漿孔。盾構(gòu)施工過程中，可通過這些注漿孔及時二次注漿，確保盾構(gòu)背后間隙填充密實(shí)。同時還應(yīng)根據(jù)地面軌道沉降監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整，若沉降過大或未穩(wěn)定，則可通過增設(shè)的注漿孔對隧道周邊1～3 m范圍的地層進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)漿速度和持續(xù)時間根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，加固區(qū)的土體應(yīng)具有良好的均勻性和自立性，無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度0.3 MPa，滲透系數(shù)小于1×10-7 cm/s。

（3） 含承壓水區(qū)域注漿時，做好注漿管的止水措施，在管片內(nèi)弧面打設(shè)膨脹螺栓，安裝配套止水鋼套管，插入注漿管，防止出現(xiàn)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(gòu)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)的所有鐵路路基。加固的橫向?qū)挾葹樗淼劳? m的范圍，縱向?qū)挾葹檐壍谰€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(shù)。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(jìn)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(kuò)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(kuò)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(gòu)下穿鐵路前完成地基加固，注漿加固后應(yīng)檢測加固效果，注漿加固體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.3 MPa。

3.3 施工保護(hù)措施

3.3.1 列車行車限速

在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過鐵路前，充分了解各條鐵路行車計(jì)劃及間隔，做好合理的工程籌劃，并調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)速度。在盾構(gòu)機(jī)通過軌道區(qū)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(qū)間行車封閉作為應(yīng)急措施。

3.3.2 及時回填道砟

本次盾構(gòu)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(shè)一層碎石組成，在減少地面附加應(yīng)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(gòu)機(jī)穿越該區(qū)域的鐵路時，可根據(jù)軌道監(jiān)測情況及時回填鐵路道砟，保證鐵路軌道滿足鐵路運(yùn)營要求。

3.3.3 優(yōu)化盾構(gòu)刀盤

本區(qū)間所掘進(jìn)的地層主要為粉質(zhì)黏土、粉砂層，另有滬蓉上下行線鐵路的復(fù)合地基螺旋樁進(jìn)入隧道開挖范圍2.1 m，因此本區(qū)間刀盤以刮刀、切刀、貝殼刀為主。盾構(gòu)從中一路站始發(fā)，長距離掘進(jìn)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(shù)值分析及實(shí)測結(jié)果對比

為進(jìn)一步分析中竹區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿對鐵路段的影響，采用三維數(shù)值分析手段對下穿鐵路段進(jìn)行定量分析，提出更為合理的施工保護(hù)方案，以保證鐵路線路安全運(yùn)營和盾構(gòu)順利下穿。

4.1 模型建立

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

（1） 土體為各向同性、均質(zhì)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(yīng)力在模型計(jì)算只考慮土體自重應(yīng)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(gòu)造應(yīng)力，使巖土體在自重作用下達(dá)到平衡，而后再進(jìn)行盾構(gòu)施工的開挖;

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

（4） 模型中所選用的地層參數(shù)參照工程地勘報告中所給出的土體參數(shù);

（5） 模型中的隧道襯砌結(jié)構(gòu)按照表2參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

4.2 計(jì)算分析

為了進(jìn)行三維動態(tài)施工情況的模擬及考慮隧道開挖的端部效應(yīng)，模型取盾構(gòu)隧道縱向140 m、鐵路路基縱向120 m進(jìn)行模擬計(jì)算，隧道結(jié)構(gòu)和重點(diǎn)部位附近采用小尺寸單元進(jìn)行加密。整個計(jì)算范圍為140 m×120 m×40 m。整體計(jì)算模型網(wǎng)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(jié)果分析

對盾構(gòu)隧道施工的具體計(jì)算結(jié)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(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)為10 mm），立柱傾斜率為0.02 %（控制標(biāo)準(zhǔn)為0.5 %）。結(jié)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(wǎng)立柱的沉降及測斜等均滿足要求。

4.4 實(shí)測結(jié)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(jiān)測點(diǎn)，每條鐵路軌道上共布置9個監(jiān)測點(diǎn)。每個接觸網(wǎng)立柱上布置3個監(jiān)測點(diǎn)。現(xiàn)場監(jiān)測采用全自動化監(jiān)測手段，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進(jìn)行隧道洞內(nèi)跟蹤注漿，地面變形較大時采取道砟回填。在采取各項(xiàng)防護(hù)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(wǎng)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(yùn)營保護(hù)要求，防護(hù)措施實(shí)施效果良好。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)工程的實(shí)際施工情況，結(jié)合數(shù)值模擬、監(jiān)測數(shù)據(jù)對深厚軟弱地層盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論。

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

（2） 在盾構(gòu)隧道穿越鐵路之前應(yīng)選取100 m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗(yàn)段，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，控制地表變形，減少對鐵路的影響;根據(jù)正面土壓力，緊密結(jié)合地表變形監(jiān)測，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，將施工后地表變形量控制在最小范圍內(nèi);根據(jù)地層情況合理制定施工參數(shù)，如刀盤轉(zhuǎn)速，土倉壓力，注漿壓力以及掘進(jìn)速度等。通過該技術(shù)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(gòu)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(fā)生在地鐵施工后的一段時間，因此對鐵路關(guān)鍵項(xiàng)目的監(jiān)測應(yīng)適當(dāng)延長至地鐵施工完成后3個月，直至監(jiān)測數(shù)據(jù)收斂。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 杜虎. 不良地層盾構(gòu)區(qū)間穿越既有鐵路技術(shù)研究[J]. 鐵道工程學(xué)報，2020，37（4）：63-68.

[3] 呂培林，周順華. 軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析[J]. 中國鐵道科學(xué)，2007（2）：12-16.

[4] 楊林. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路加固方案數(shù)值分析[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2017（3）：78-82.

[5] 齊勇. 盾構(gòu)下穿既有鐵路股道地基沉降控制與加固研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報，2018，14（3）：819-827.

[6] 嚴(yán)濤. 軟土地區(qū)盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路的沉降分析及安全評價[J]. 鐵道建筑技術(shù)，2015（1）：24-27.

[7] 蔡小培，蔡向輝，譚詩宇，等. 盾構(gòu)下穿施工對高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的影響研究[J]. 鐵道工程學(xué)報，2016（7）：11-17.

[8] 唐志輝. 地鐵盾構(gòu)隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優(yōu)化設(shè)計(jì)——以南寧地鐵4號線下穿既有槎路隧道為例[J]. 隧道建設(shè)，2020，40（8）：1185-1191.

[9] TB 10314-2021鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程[S].

[10] 姚曉明，舒波，李波. 新建盾構(gòu)隧道近距離下穿既有地鐵線的安全控制技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（5）：243-250.

（編輯：高小雲(yún)）