盾構隧道下穿既有運營鐵路施工技術現狀及展望

文沖 沈衛平 茍明中 晏啟祥 周上進 張天

【摘要】文章詳細梳理和總結了盾構隧道下穿既有鐵路的六種情況，并將目前的相關研究歸納為三個主要研究方向：地表和結構物沉降問題、主動加固方案效果評價、微擾動盾構掘進參數優化。基于目前的研究現狀分析，對盾構下穿既有運營鐵路問題提出了若干建議與展望。

【關鍵詞】盾構隧道; 下穿; 運營鐵路

【中國分類號】U455.43【文獻標志碼】A

鐵路與公路

經過幾十年的大規模基礎設施建設，我國運營鐵路的規模堪稱世界之最。根據2019年鐵路總公司的最新數據，我國鐵路運營總里程超過13.9×104 km，鐵路路網密度達145.5 km/104 km2。與此同時，，盾構法因其安全系數高、不影響地面交通、快速高效等優勢，在地鐵隧道修建中得到了廣泛的應用[1]。

目前我國已有40個城市開展了軌道交通建設，運營線路共計208條，運營總里程達6 736.2 km，地鐵運營線路5 180.6 km，占比76.9 %，其中，2019年當年新增運營線路長度974.8 km，地鐵建設規模繼續保持高增長勢頭[2]。由于我國高速鐵路網的高密度與近幾年的大規模建設，地鐵區間盾構隧道下穿既有運營鐵路情形越來越多，僅在川渝地區，就有近20余個區間隧道下穿既有鐵路的工程案例。表1列舉了其中5個實例。

當地鐵線路與既有運營高速鐵路產生交集時，地鐵建設即盾構隧道施工不可避免地會對上部鐵路結構產生擾動。這種擾動究竟會對既有鐵路產生怎樣的影響，是一個頗具工程意義的科學問題。有鑒于此，本文擬對盾構隧道下穿各種既有運營鐵路的情況進行歸納，并對目前學界關于盾構下穿鐵路問題的研究現狀作主要闡釋，最后對盾構下穿既有鐵路未來技術發展做出展望。

1 盾構隧道下穿既有運營鐵路的問題情況

目前針對盾構隧道穿越既有運營鐵路的案例已有大量文獻報道。受隧道施工影響而發生沉降變形的鐵路結構物，主要包括以下六種情況：

（1）盾構隧道下穿既有鐵路路基，隧道開挖導致軌道路基沉降。

（2）盾構隧道下穿鐵路橋，導致橋墩發生水平位移和豎向位移變形。

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

（4）盾構隧道下穿鐵路箱涵，隧道穿越鐵路時引起箱涵產生水平位移、豎向沉降，進而發生傾斜[4]。

（5）盾構隧道下穿既有鐵路隧道，造成隧道結構和鐵路軌道發生豎向沉降[5]。

（6）盾構隧道下穿既有鐵路橋群樁基礎，導致樁基礎發生豎向沉降和側向變形，例如成都地鐵4號線某區間盾構隧道下穿鐵路群，鐵路群包括成綿樂客專、東環線、達成線共10股鐵路線[6]。

本文將盾構隧道下穿這六種鐵路結構物的研究內容總結為三個方面：

（1）地表和結構物沉降問題研究。

（2）主動加固方案效果評價。

（3）微擾動盾構掘進參數優化。

1.1 地表和結構物沉降問題研究

盾構隧道施工勢必會對周圍巖土體產生一定的擾動，造成地表沉降或隆起。目前學術界通常采用數值模擬和現場監測數據相結合的方法，對地表沉降量的大小和施工對地表沉降的橫向影響范圍進行研究。

房師濤[6]以成都地鐵4號線區間下穿鐵路群為工程背景，運用有限差分軟件計算盾構開挖過程對上部鐵路橋樁基的影響，計算得到呈“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內嵌積分程序對地表沉降槽面積進行積分，計算出隧道開挖引起的相對較小的土層體積損失率，推測出隧道開挖對鐵路影響較小的結論。

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系。

1.2 主動加固方案效果評價

針對盾構隧道下穿的各種類型的鐵路結構物，學者和技術人員根據具體工程情況，采用了具有針對性的加固方案，詳情見表2。

目前主要采用數值仿真計算和現場監測相結合的方法，對加固方案的效果進行評價：王志超[8]等采用深孔注漿的方式對隧道上方土層進行加固，并計算得到盾構穿越過程中有無注漿時鋼軌的水平與豎直變形。結果表明經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號線某區間隧道下穿京滬高鐵高架橋工程項目中，將隔離結構（隔離墻和隔離樁）設置在橋梁基礎與隧道之間，并用有限元軟件建模分析隧道施工時隔離保護措施的加固效果。

1.3 微擾動盾構掘進參數優化

盾構向前掘進的過程中，刀盤對前方土體和上方結構物產生的較大擾動以及盾構掘進造成的地層損失，是盾構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掘進參數對控制地表和隧道上方結構物沉降至關重要。為了得到合理的盾構掘進參數，通常有設置參數優化試驗段和室內模型實驗兩種方案，其中通過試驗段選取合理的盾構微擾動參數是控制路基等結構物沉降的關鍵[10]。

（1）設置參數優化試驗段：在深圳地鐵7號線某區間隧道下穿鐵路橋項目中，王體廣[16]將盾構始發端距離鐵路橋250 m這一段設為參數優化試驗段，施工時結合周邊環境優化掘進參數，減少盾構隧道地層體積損失率，使盾構勻速、慢速通過鐵路段。馮超[17]等將盾構下穿寧啟鐵路的前后90 m作為控制性區域，施工時嚴格遵循設定的掘進參數。彭華[18]等將現場監測數據與盾構掘進時出土量、扭矩、土倉壓力等參數進行比對，總結出盾構下穿京廣線過程中鐵路道床沉降量與掘進參數的內在關系，以便應用于掘進參數的調整與把控。

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

2 盾構隧道下穿高速鐵路技術展望

目前學界對于盾構下穿高速鐵路問題的研究，方法上主要有經驗公式、理論公式及數值仿真與現場試驗監測。

經驗公式中最為經典和重要的是Peck公式[19]。Peck法在不考慮土體排水固結與蠕變的條件下，認為盾構推進后地面橫線沉降基本為近似正態曲線。具體計算式如下：

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（m），即隧道沉降曲線拐點到中心的距離;Smax為隧道中心線地面沉降的最大值。

劉建航[20]、侯學淵[21]等學者專家依據工程經驗及現場測試對Peck公式進行了有益的修正和補充。王體廣[16]將Peck公式計算得到的地表沉降值與現場監測值對比研究，根據實測值反算，優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算公式。

式中：δz（x）為與隧道軸線正交的平面內土層的垂直位移;δz（y）為與隧道軸線平行的平面內土層的垂直位移;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。

對于盾構下穿高鐵的直接相關研究主要集中在數值仿真上。徐干成[22]結合具體的工程案例，利用數值仿真計算盾構下穿影響下軌道的沉降值，這是最普遍的做法。霍軍帥[23]、王俊生[24]則考慮了注漿加固對于軌道沉降的影響。羅強[25]、毛利軍[26]、李獻民[27]結合動力學理論，運用數值仿真研究了高速列車在隧道上方運行時，列車振動對地層及隧道的變形影響。

3 結束語

綜上，目前關于盾構下穿高速鐵路的研究，在理論經驗公式推導上僅局限于地表變形，對于上部鐵路結構的影響尚無公式可供計算。數值仿真方面集中于常規的軌道沉降計算，對于盾構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理目前尚沒有系統性的研究。此外，從研究方法上講，關于盾構隧道下穿高鐵的模型試驗也較少。有鑒于此，對于盾構隧道下穿高鐵的未來技術發展提出以下三點建議以供參考：

（1）開展盾構下穿既有鐵路現場測試和精細化室內試驗，以獲取第一手技術數據。

（2）針對盾構下穿高鐵的地層-路基-軌道變形機制開展系統討論，提出變形傳導機制。

（3）推導盾構下穿對于上部鐵路結構影響的理論經驗公式，以廣泛適用于工程實踐。

參考文獻

[1] 何川， 封坤， 方勇. 盾構法修建地鐵隧道的技術現狀與展望[J]. 西南交通大學學報， 2015，50（1）：97-109.

[2] 中國城市軌道交通2019年度數據統計[J]. 隧道建設：中英文， 2020，40（5）：762-767.

[3] 黃雅娜， 蔣輝， 李竹， 等. 天津站鐵路下方施工盾構隧道引起的沉降分析[J]. 建筑科學， 2012，28（S1）：246-249.

[4] 杜明芳， 趙文才， 蔣敏敏. 盾構隧道下穿鐵路箱涵引起軌道和地表沉降研究[J]. 河南理工大學學報：自然科學版， 2020，39（2）：122-129.

[5] 唐志輝. 地鐵盾構隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優化設計[J]. 2020.

[6] 房師濤. 成都地鐵4號線下穿鐵路橋三維數值模擬分析[J]. 重慶交通大學學報：自然科學版， 2018，37（7）：20-27.

[7] 鄭余朝， 蔡佳良， 袁竹， 等. 地鐵隧道下穿既有鐵路近接影響分區和施工控制研究[J]. 現代隧道技術， 2016，53（6）：202-209.

[8] 王志超， 甘露， 賴金星， 等. 盾構下穿鐵路路基鋼軌變形及路基沉降分析[J]. 深圳大學學報：理工版， 2018，35（4）：389-397.

[9] 賈大鵬， 夏柏如， 張影， 等. 地鐵盾構施工下穿高速鐵路隔離保護技術[J]. 鐵道建筑， 2015（3）：73-75.

[10] 程巧建. 廈門地鐵盾構區間下穿廈深高鐵路基變形分析與控制技術[J]. 中外公路， 2020，40（3）：34-38.

[11] 何志軍. 地鐵區間隧道下穿福廈鐵路風險分析[J]. 鐵道標準設計， 2018，62（8）：105-110.

[12] 馬相峰， 龔倫， 吳金霖， 等. 地鐵盾構下穿多股道鐵路路基變形控制優化研究[J]. 鐵道標準設計， 2019，63（11）：85-90.

[13] 孫連勇. 地鐵盾構隧道下穿既有鐵路變形控制研究_[J]. 現代隧道技術核心， 2018.

[14] 楊國寶， 吳義明， 李強. 盾構下穿滬杭高速鐵路高架橋的施工技術[J]. 城市軌道交通研究， 2013，16（9）：101-106.

[15] 郭玉海， 李興高. 大直徑盾構下穿北京機場快軌高架橋梁的安全控制技術[J]. 北京交通大學學報核心， 2014，38（1）：13-19.

[16] 王體廣. 盾構區間近距離下穿鐵路橋梁影響分析[J]. 城市軌道交通研究， 2016，19（3）：104-108.

[17] 馮超， 高志剛. 地鐵盾構隧道下穿寧啟鐵路的變形影響規律及控制技術[J]. 隧道建設， 2015，35（10）：1015-1021.

[18] 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（z1）：222-228.

[19] Peck R.B， Deep ex cavation and tunneling in soft g round， State of the Art Report [C]//Proc.7th Int .Conf .on Soil Mechanics and Founda tio n Engineering， Mex ico City ， 1969 ：225 -290

[20] 劉建航，等. 盾構法隧道[M]. 中國鐵道出版社， 1991.

[21] 侯學淵， 廖少明. 盾構隧道沉降預估[J]. 地下工程與隧道， 1993（4）：24-32.

[22] 徐干成， 李成學， 王后裕， 等. 地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J]. 巖土力學， 2009，30（S2）：269-272.

[23] 霍軍帥， 王炳龍， 周順華. 地鐵盾構隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J]. 中國鐵道科學， 2011，32（5）：71-77.

[24] 王俊生. 地鐵盾構隧道施工與運營對城際鐵路路基沉降的影響[D]. 北京：北京交通大學， 2010.

[25] 羅強， 蔡英. 高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究[J]. 鐵道標準設計， 2000（Z1）：2-4.

[26] 毛利軍， 雷曉燕， 杜厚智. 提速線路軌道過渡段動力響應分析[J]. 華東交通大學學報， 2001（1）：35-40.

[27] 李獻民. 高速鐵路加筋過渡段靜動力特性數值分析及試驗研究[D]. 長沙：中南大學， 2004.