盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營鐵路影響性分析及控制技術(shù)研究

摘要：盾構(gòu)隧道下穿施工對既有運(yùn)營鐵路的影響較大。依托徐州某涉鐵工程實(shí)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(tài)變化過程，分析了鐵路鋼軌的高低和水平不平順情況。結(jié)果表明：盾構(gòu)隧道穿越過程中鐵路路基沉降值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；隧道施工引起的鐵路路基沉降分布曲線可近似為正態(tài)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(guī)范要求。盾構(gòu)隧道下穿京滬鐵路設(shè)計方案可行，為進(jìn)一步保證下穿施工的安全提出了涉鐵施工一系列保護(hù)措施，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)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(xiàn)標(biāo)志碼：A隨著城市地鐵建設(shè)的發(fā)展，地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)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(dǎo)致列車脫軌及人員傷亡，對鐵路運(yùn)營產(chǎn)生較大影響。

諸多學(xué)者針對盾構(gòu)隧道涉鐵工程進(jìn)行了一系列研究。PECK［1］最早提出了預(yù)測隧道施工引起地表沉降的公式。周順華［2］系統(tǒng)總結(jié)了盾構(gòu)隧道下穿各類風(fēng)險源的控制指標(biāo)、控制方法及工程案例。趙旭偉［3］采用現(xiàn)場實(shí)測與有限元模擬相結(jié)合的方法，探討了盾構(gòu)下穿大型鐵路樞紐過程中鐵路變形規(guī)律及安全控制措施。彭華等［4］通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測分析了盾構(gòu)下穿施工中道床沉降的時程變化規(guī)律及沉降槽發(fā)展趨勢，探究了沉降規(guī)律與盾構(gòu)施工參數(shù)的關(guān)系。肖立等［5］采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對比分析盾構(gòu)穿越施工時鐵路路基沉降的規(guī)律。屈克軍［6］采用數(shù)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(guān)鍵施工過程中盾構(gòu)掘進(jìn)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(yuǎn)明等［7］通過數(shù)值模擬分析鐵路路基沉降特點(diǎn)，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(guī)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(tài)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(gòu)隧道下穿施工對既有運(yùn)營鐵路的影響，并研究施工過程中鐵路沉降的動態(tài)變化規(guī)律和鋼軌的不平順情況，同時提出相應(yīng)的施工保護(hù)措施，為類似工程設(shè)計和施工提供參考。

1工程概況

徐州某涉鐵區(qū)間自東向西下穿京滬普速鐵路，同時側(cè)穿鐵路橋（圖1、圖2）。該盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，管片厚度0.35 m，環(huán)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(qū)域共三股道（京滬客運(yùn)上行線120 km/h、京三線（貨運(yùn)）80 km/h、京滬客運(yùn)下行線120 km/h，行車對數(shù)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(cè)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(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約6 m。

區(qū)間隧道與京滬鐵路最小平面夾角約69°，覆土埋深（盾構(gòu)頂面與鐵路路基底面的豎向距離）約20.5 m，區(qū)間隧道距離北側(cè)鐵路橋橋臺最小水平距離約9.12 m，區(qū)間隧道距離南側(cè)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(fēng)化灰?guī)r。

2模型建立及工況模擬

2.1有限元模型

根據(jù)區(qū)間隧道與鐵路路基段、鐵路橋的位置關(guān)系，本工程運(yùn)用Midas GTS NX軟件進(jìn)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(cè)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(yīng)的影響。土體采用莫爾-庫倫本構(gòu)，并對土體進(jìn)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(gòu)管片，根據(jù)盾構(gòu)隧道的實(shí)際工序來模擬隧道開挖（圖4）。

2.2土層參數(shù)

本工程分析所采用的地層參數(shù)如表1所示。

2.3施工掘進(jìn)模擬

根據(jù)實(shí)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(gòu)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(gòu)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(gòu)通過時沉降；④盾尾沉降；⑤后期沉降。由圖5可知：盾構(gòu)穿越過程中鐵路路基沉降值逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；盾構(gòu)施工引起的鐵路路基沉降分布曲線可近似為正態(tài)分布［1］，且下穿位置正上方路基沉降值最大。

盾構(gòu)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(biāo)為70”處，對應(yīng)最大沉降為0.500 mm，未超過1 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)［10］。

3.2路基沉降速率

根據(jù)軌道交通施工經(jīng)驗，盾構(gòu)隧道施工速度一般為6 環(huán)/d，本工程管片環(huán)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(gòu)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(jié)合相應(yīng)工況下行線股道路基頂面的沉降量和掘進(jìn)間隔時間，計算得到該股道在各工況施工時間內(nèi)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(gòu)掘進(jìn)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(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》（TB 10314—2021）中路基沉降速率2 mm/d的控制標(biāo)準(zhǔn)［9］。

3.3軌道幾何狀態(tài)

3.3.1鋼軌高低不平順

根據(jù)各工況下各股道左、右軌的豎向變形結(jié)果，按照10 m弦長計算鋼軌高低不平順情況，結(jié)果匯總?cè)鐖D6所示。

由圖6可知：盾構(gòu)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(guī)則》（TG/GW 102—2019）中計劃維修狀態(tài)下6 mm的高低不平順控制指標(biāo)［10］。

3.3.2鋼軌水平不平順

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

由圖7可知：盾構(gòu)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(guī)則》（TG/GW 102—2019）中計劃維修狀態(tài)下6 mm的水平不平順控制指標(biāo)［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(cè)穿鐵路橋，右線隧道側(cè)穿后鐵路橋最大沉降為0.800 mm，左線隧道側(cè)穿后鐵路橋最大沉降為0.890 mm。右線隧道側(cè)穿后鐵路橋最大X方向水平位移為-0.026 mm，左線隧道側(cè)穿后鐵路橋最大X方向水平位移為-0.017 mm。右線隧道側(cè)穿后鐵路橋最大Y方向水平位移為-0.560 mm，左線隧道側(cè)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(shù)

1）施工籌劃：本隧道采用2臺盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，左、右線分開下穿，減小相互影響；右線盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后左線盾構(gòu)再進(jìn)行掘進(jìn)，兩線盾構(gòu)機(jī)應(yīng)錯開1個月掘進(jìn)，保持安全距離。

2）設(shè)置試驗段：設(shè)置不少于100 m盾構(gòu)推進(jìn)試驗段，在事先設(shè)定的推進(jìn)速度、注漿參數(shù)等基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測反饋結(jié)果實(shí)時調(diào)整，摸索出最優(yōu)的施工參數(shù)匹配方案，減少對鐵路設(shè)施的干擾。

3）下穿前盾構(gòu)機(jī)檢查：為了保證下穿處施工質(zhì)量和減少對鐵路的影響，在下穿前先做好姿態(tài)調(diào)整從而避免下穿處因意外等造成大的偏離及相應(yīng)的糾偏，也可以保證此處管片拼裝質(zhì)量，避免運(yùn)營期可能出現(xiàn)的地下水滲漏。同時做好機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)，及時檢查刀具磨損量，有磨損應(yīng)立即更換。避免長時間停機(jī)、換刀、開倉，機(jī)械設(shè)備維修，消耗品停機(jī)更換，做到穩(wěn)步掘進(jìn)，順利穿越。

4）預(yù)埋注漿管：在鐵路路基和橋臺基礎(chǔ)中預(yù)埋注漿管，變形監(jiān)測出現(xiàn)預(yù)警時，及時進(jìn)行注漿，限制變形的進(jìn)一步發(fā)展。

5）鐵路防護(hù)措施：采用鐵路防護(hù)常用的扣軌加固措施，對區(qū)間下穿影響范圍內(nèi)的軌道進(jìn)行加固，提高軌道自身抗變形能力；同時，對道岔提前進(jìn)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(gòu)掘進(jìn)施工控制［11］：①掘進(jìn)參數(shù)控制。盾構(gòu)推進(jìn)主要依靠液壓缸推力，盾構(gòu)推力應(yīng)滿足正面土體主動土壓力+水壓+總摩擦力＜盾構(gòu)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(dǎo)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(yè)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(shè)定掘進(jìn)速度、調(diào)整排土量實(shí)現(xiàn)。③控制出渣量，控制地層損失。應(yīng)保持開挖量和排土量平衡，若沒有控制好出土量，出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，會導(dǎo)致正面土體失穩(wěn)、坍塌，導(dǎo)致橋梁變形。④推進(jìn)速度及糾偏。推進(jìn)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(gòu)周邊土體的擾動，增大沉降。應(yīng)保證盾構(gòu)勻速推進(jìn)、連續(xù)施工，杜絕出現(xiàn)盾構(gòu)停滯甚至后退現(xiàn)象，以減少盾構(gòu)對土體的擾動。⑤管片拼裝應(yīng)及時，縮短盾構(gòu)停推時間。⑥加強(qiáng)同步注漿、二次注漿。

7）隧道穿越影響段采用預(yù)留注漿孔且鋼筋加強(qiáng)型管片。

8）盾構(gòu)下穿施工過程中，鐵路線路應(yīng)進(jìn)行限速，同時做好沉降變形和沉降速率的監(jiān)測工作，采用信息化施工，根據(jù)監(jiān)測情況適當(dāng)調(diào)整限速時間和限速值。

9）盾構(gòu)穿越完成并沉降穩(wěn)定后，及時對道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)等鐵路設(shè)備進(jìn)行測量、檢查，進(jìn)行必要的抬道補(bǔ)碴等修復(fù)工作。

10）在施工中做好監(jiān)測工作，并及時反饋測量成果到掘進(jìn)作業(yè)班組，實(shí)時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、土倉壓力、推進(jìn)速度、出土速度、注漿速度及注漿量等盾構(gòu)施工參數(shù)，做到合理化施工。

5結(jié)論

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

2）根據(jù)分析計算，盾構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。

3）根據(jù)分析計算，盾構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)。

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

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（責(zé)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