地鐵隧道下穿鐵路群影響及加固優化研究★

于 廷 新

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著地鐵建設和鐵路建設的迅速發展，地鐵隧道下穿運營鐵路的工程急劇增加，盾構隧道的穿越施工影響機理復雜，會導致地表沉降及鐵路股道變形[1，2]。而運營鐵路對位移和沉降要求極為嚴格[3]，由于鐵路不間斷運營的特殊性，極易引發安全事故[4]，故研究盾構隧道造成鐵路變形規律非常重要，必須采取可靠的工程措施，嚴格控制盾構隧道施工造成鐵路的變形，確保鐵路安全運營[5,6]。

依托南昌地鐵隧道下穿南昌火車站運營鐵路群的工程實例，鐵路變形要求極為嚴格，南昌砂礫層厚度大，地下水豐富，采用莫爾庫侖模型、PLAXIS 3D進行三維數值分析，得出盾構隧道施工對土體及鐵路變形的影響規律，提出鐵路加固優化對策。

1 工程概況

南昌軌道交通二號線丁公路站—火車站區間全長838 m，盾構下穿南昌火車站站場段長度175 m，盾構覆土厚度約12 m，穿越處對應京九線里程K1444+422 m～K1444+447 m。南昌站8股～13股道正在運營，其中10股道為京九下行線。隧道上方存在3.6 m寬、3.6 m深的排水渠，地鐵隧道下穿鐵路群剖面圖如圖1所示，隧道周邊方框內進行加固。

南昌火車站鐵路行車密度高，變形要求極為嚴格，地鐵隧道施工必須確保鐵路的安全運營。根據《普通鐵路線路修理規則》中“軌道靜態幾何不平順容許偏差管理值”的規定，鐵路沉降控制標準為11 mm，如表1所示。

表1 軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值 mm

隧道設計方案中要求盾構施工前對南昌站內的6條股道的路基進行注漿加固，擬對10道進行便梁加固，擬對8,9,11,12,13道采用軌束梁加固。但線路加固非常困難，加固造價高，工期長，對鐵路運營影響大，擬通過三維數值分析對鐵路加固設計方案進行優化。

2 工程地質與水文地質條件

場地地下水的類型主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水。初見潛水水位標高10.0 m～13.0 m，穩定水位標高為10.5 m～13.0 m，變化幅度2 m～3 m。

3 三維數值分析

3.1 本構模型及計算參數

采用摩爾庫侖模型，模型的計算參數通過勘察報告確定，如表2所示。

表2 模型計算參數

3.2 模型建立及工況

采用PLAXIS 3D巖土專用有限元分析軟件，按盾構隧道與穿越鐵路、排水渠的相對關系，建立三維有限元模型，對盾構隧道對鐵路群的影響進行有限元分析。

管片采用板單元模擬，考慮地層損失0.5%。模型邊界條件為邊界左右側設置X向位移約束，前后面設置Y方向約束，模型底邊設置X,Y,Z三向約束。有限元網格剖分圖如圖2所示，股道號沿Y正向依次為8,9,10,11,12,13。

該模型按照施工先后順序，即分為如下五個工況：

工況一：初始地基模型，激活所在位置原始土層信息。

工況二：激活鐵路路基填料、鐵路荷載、排水渠。

工況三：模擬盾構周圍土體加固。

工況四：模擬左側盾構隧道開挖、安裝管片，考慮地層損失0.5%。

工況五：模擬右側盾構隧道開挖、安裝管片，考慮地層損失0.5%。

3.3 結果分析

通過三維有限元計算，得出工況四左側盾構隧道施工對土體及鐵路造成的沉降、沿鐵路方向、垂直鐵路方向變形情況，沉降云圖如圖3所示(沉降為負)。

提取各鐵路股道位移，計算結果見表3。

表3 左側盾構隧道完成后鐵路位移表 mm

由表3可知，8號～13號股道變形以沉降為主，沿鐵路方向水平位移次之，垂直鐵路方向水平位移最小。各股道最大沉降為-4.9 mm～-5.5 mm，其中10號股道沉降較大。選取沉降較大的10號股道，沿鐵路方向繪制剖面，得到鐵路沉降曲線，見圖4。

由圖4可知，鐵路最大沉降位置為左側盾構隧道正上方。

同理，得出工況五兩側盾構隧道施工對土體及鐵路造成的沉降、沿鐵路方向、垂直鐵路方向變形情況，沉降云圖如圖5所示。

提取各鐵路股道位移，計算結果見表4。

表4 兩側盾構隧道完成后鐵路位移計算結果表 mm

由表4可知，右側盾構隧道完成后，與左側盾構隧道影響疊加，鐵路沉降變大，8號股道～13號股道最大沉降為-6.5 mm～-7.2 mm，其中10號股道沉降較大。選取沉降較大的10號股道，沿鐵路方向繪制剖面，得到沉降曲線，如圖6所示。

由圖6可知，鐵路最大沉降位置為兩盾構隧道中間正上方。根據規則中線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值，高低要求小于10 mm，故基本滿足規則要求。

4 經典理論計算

1969年Peck在分析大量地表沉降數據的基礎上，提出了地表沉降槽符合正態分布曲線的概念。他認為地層變形由地層損失引起，施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發生的，從而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積。該方法可以較好的模擬盾構隧道完成后，盾構與管片之間空隙造成的地層損失，并進而估算地表沉降，適用于盾構隧道完成后的沉降。

根據Peck經典理論法，兩側盾構隧道施工造成鐵路沉降疊加，考慮地層損失為0.5%，做出鐵路沿線方向沉降曲線，如圖7所示。

由圖7可知，最大沉降為-9.0 mm，同樣位于兩盾構隧道中間正上方。

5 優化加固措施

將經典理論計算結果與有限元計算結果進行對比，可見兩者基本一致。根據經典理論與三維數值分析，提出取消8,9,11,12,13道的線路軌束梁加固措施，并將10道的便梁加固方式改為吊軌梁加固，大大節約加固造價和施工工期，保證了鐵路安全運營。

同時采取以下措施減小鐵路變形，確保鐵路安全運營：

1)盾構隧道施工過程中，嚴格控制推進速度，均勻推進；嚴格控制盾構糾偏量，減少地層擾動；嚴格控制同步注漿量和漿液質量，及時填充孔隙。做好護壁，確保洞壁穩定。

2)盾構通過鐵路股道下方時對列車進行限速。

3)選擇相同工程地質條件的地段，結合地面沉降監測，進行施工工藝試驗，以確定合理的施工工藝及保護加固措施，為盾構安全通過鐵路下方提供技術支持。

4)盾構下穿鐵路時，加強路基、軌道、接觸網等設施的監控量測，通過監控量測反饋指導施工以確保鐵路的安全。

經現場實際監測，10號股道最大沉降為7.5 mm，位于兩隧道中間，實際監測沉降曲線呈拋物線型，與數值分析基本一致。

6 結論

1)通過三維數值及經典理論分析，得到盾構隧道造成8號～13號股道變形以沉降為主，沿鐵路方向水平位移、垂直鐵路方向水平位移均小于1 mm，影響較小。

2)兩側隧道施工時比單側隧道盾構施工時引起股道沉降大，最大沉降為-6.5 mm～-7.2 mm，其中10號股道沉降較大，為-7.2 mm，最大值位于兩盾構隧道中間正上方，變形基本滿足規則要求。經監測，數值分析結果與實際監測基本一致。

3)根據三維數值及經典理論分析，提出取消8，9，11，12，13道的線路軌束梁加固措施，并將10道的便梁加固方式改為吊軌梁加固，大大節約加固造價和施工工期，保證了鐵路安全運營。

4)同時，嚴控盾構推進速度、糾偏量、同步注漿、護壁；對列車進行限速；通過施工工藝試驗及監測確定保護加固措施；加強路基、軌道、接觸網等監控量測。