盾構穿越鐵路營業線的變形控制施工技術

余 剛

中鐵二十四局集團有限公司 上海 200071

截至2020年底，我國內地累計有45個城市開通城市軌道交通線路，運營里程近8 000 km。已運行城市軌道交通線路中多數為地下線，而在地下線中近80%的為區間隧道，同時我國區間隧道多數采用盾構法施工，據不完全統計，我國目前在役的盾構機有4 000多臺，居世界首位。在上軟下硬地層中采用盾構法進行地鐵隧道施工時，盾構機向前掘進非常困難，且易發生軟土地層大面積塌陷、盾構機掘進角度偏離預定值等情況，甚至導致地表大幅度沉降，給地鐵隧道及周圍建（構）筑物帶來極大的安全隱患。因此，研究上軟下硬復合地層盾構施工對周圍環境的影響具有重要意義[1-2]。

徐州城市軌道交通2號線（下稱“軌交2號線”）一期工程周七區間隧道盾構始發穿越京滬鐵路客線，在盾構施工過程中需保證既有鐵路營業線正常運營不受影響或少受影響，為此需采用針對性的研究工作。

1 項目概況

徐州軌交2號線一期工程周莊站—七里溝站（周七）區間出周莊站后，依次下穿京滬鐵路客線（路基）、奎河、京滬鐵路貨線（路基）后，向南拐入梨園路，最后到達七里溝站。區間左線隧道全長1 168.823 m，右線隧道全長1 160.541 m，區間最大坡度2.6%，區間最小坡度0.5%，隧道頂部埋深10～17 m，區間采用盾構法施工。區間隧道在長約47 m范圍內下穿京滬鐵路客線上行及下行線路基段，隧道拱頂距路基頂面13.38～14.88 m，隧道穿越可塑黏土-硬塑黏土層。

周莊站位于京滬客線西側地塊內，距離京滬鐵路客線上行線路基坡腳約19 m，京滬鐵路客線為普速有碴軌道，區間隧道穿越京滬鐵路客線上行線處夾角為92°，穿越京滬鐵路客線下行線處夾角為96°，如圖1所示。車站及盾構施工范圍內土層從上至下依次為：①1雜填土、②5-3黏質粉土、②3-2軟塑黏土、②3-3可塑黏土、⑤3-4硬塑黏土、2-3中風化灰巖。

圖1 周莊站與鐵路剖面關系

2 盾構隧道始發下穿鐵路營業線技術標準和要求

2.1 技術標準

2.1.1 鐵路技術標準

京滬鐵路客線為有碴軌道，等級為國鐵Ⅰ級鐵路，設計行車速度≤160 km/h；鐵路荷載采用中-活載。

2.1.2 盾構隧道管片結構設計

采用復合式土壓平衡盾構機，管片內徑5 500 mm、厚350 mm、環寬1.2 m，拼裝形式為錯縫拼裝。盾構隧道的結構形式采用平板型單層預制鋼筋混凝土管片襯砌。

2.2 技術要求

2.2.1 鐵路線路沉降變形經驗控制指標

通常情況下鐵路路基沉降變形是導致上方線路不平順的主要原因，根據以往鄰近鐵路工程的經驗，普速鐵路非道岔區的路基沉降變形量控制在10 mm內。

2.2.2 鐵路線路幾何尺寸偏差管理標準值

軌道幾何形位要素有：軌距、水平、高低、方向和軌底坡，各種軌道幾何形位都存在一定的偏差，但不得超過容許值，不同鐵路等級，容許的大小也不一樣。

根據《鐵路線路修理規則》（鐵運〔2006〕146號），我國普速鐵路線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值見表1。當設計行車速度vmax≤120 km/h但不位于道岔區時，根據臨時補修標準，要求高低不平順、水平不平順和軌向均控制在10 mm以內；當vmax＞160 km/h但不位于道岔區時，根據臨時補修標準，要求高低不平順和水平不平順均控制在8 mm以內，軌向偏差控制在7 mm以內。

表1 裂縫寬度及長度變化監測

表1 線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值

3 盾構始發穿越京滬鐵路客線的影響分析

3.1 下穿鐵路地基加固

為減小盾構施工對鐵路的影響，及時控制因盾構開挖引起的地面沉降，需對路基及道床下方進行注漿加固。

周莊站距京滬鐵路客線路基19 m，為減小車站基坑對路基的影響，車站基坑圍護結構施工前，在車站與路基之間打設旋噴樁進行隔離，旋噴樁加固兼作盾構接收端頭地基加固使用。

3.1.1 路基東側地基加固

主加固區采用3排φ800 mm@600 mm旋噴樁，并緊靠路基。次加固區采用袖閥管注漿，沿隧道縱向長10 m。

3.1.2 路基下方加固

通過路基兩側及兩路基中間區域斜向或豎向打設袖閥管對鐵路路基下方地層進行加固。

3.1.3 路基西側鄰車站側地基加固

路基底至車站旋噴樁加固區之間部分，采用袖閥管加固，緊鄰車站旋噴樁加固區邊緣。

3.1.4 加固深度、寬度

加固豎向范圍從地面或路基底面至硬塑黏土層下1 m；加固橫向范圍為隧道結構邊線外6 m。

京滬鐵路客線加固縱剖面如圖2所示。

圖2 京滬鐵路客線加固縱剖面示意

3.2 模型建立與施工模擬

3.2.1 模型建立

圖3 三維模型

模型中各層土體的本構模型選用彈塑性土體硬化模型（hardening soil model，HS模型）。土層計算參數結合地區地層、地質情況和特點，以及本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值。

3.2.2 施工模擬

在隧道施工模擬過程中，按照實際盾構施工推進方向和順序進行分步開挖，盾構隧道推進方向為周莊站→七里溝站，先施工右線隧道，再施工左線隧道。

根據本工程特點，將施工過程劃分為23個工況模擬：

工況1：周莊站主體結構和附屬結構圍護施作。

工況2：主體結構基坑開挖至30.8 m標高位置并施作標準段、端頭井第1道混凝土支撐。

綜上，近年來對單純AS患者尿液代謝組學的研究較少，多數是對AS相關腎病的研究。故利用代謝組學對尿液全組分進行分析，尋找AS早期尿液標志物具有廣泛研究前景。

工況3：主體結構基坑開挖至24.3 m標高位置并施作標準段、端頭井第2道鋼支撐。

工況4：主體結構基坑開挖至18.8 m標高位置并施作標準段、端頭井第3道鋼支撐。

工況5：主體結構基坑開挖至坑底標高位置并施作端頭井第4道鋼支撐。

工況6：主體結構底板施作。

工況7：拆除主體結構標準段第3道撐和端頭井第3、第4道支撐，并施作下層主體結構側墻、柱和中板。

工況8：拆除主體結構標準段和端頭井第1、第2道支撐，并施作上層主體結構側墻、柱和頂板，回填上覆土。

工況9：右線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線上行線路基邊緣位置。

工況10：右線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線上行線線路中心位置。

工況11：右線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線下行線線路中心位置。

工況12：右線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線下行線路基邊緣位置。

工況13：右線隧道盾構機刀盤遠離京滬鐵路客線下行線。

工況14：左線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線上行線路基邊緣位置。

工況15：左線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線上行線線路中心位置。

工況16：左線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線下行線線路中心位置。

工況17：左線隧道盾構機刀盤到達京滬鐵路客線下行線路基邊緣位置。

工況18：左線隧道盾構機刀盤遠離京滬鐵路客線下行線。

工況19：附屬結構基坑開挖至30.8 m標高位置并施作第1道混凝土支撐。

工況20：附屬結構基坑開挖至25.8 m標高位置并施作第2道鋼支撐。

工況21：附屬結構基坑開挖至坑底標高位置。

工況22：附屬結構底板施作。

工況23：拆除附屬圍護結構支撐，并施作附屬結構，回填上覆土。

3.3 計算結果分析

3.3.1 京滬鐵路客線路基縱向的變形影響分析

1）通過數值模擬，得到各工況下京滬鐵路客線上行線和下行線在基床頂面中心線的累積豎向沉降。

2）通過數值模擬，得到各工況下京滬鐵路客線上行線和下行線在基床頂面中心線的累積水平位移。

3）通過數值模擬，可以得到京滬鐵路客線上行線和下行線在基床頂面中心線的在盾構推進各個工況下的階段豎向沉降最大值，如表2所示。

表2 盾構推進過程中各工況下路基頂面沉降速率

在模擬盾構開挖過程中，工況9～工況13模擬右線隧道開挖；工況14～工況18模擬左線隧道開挖；工況9、工況14盾構機均推進33.3 m；工況10、工況15盾構機均推進10.3 m；工況11、工況16盾構機均推進25.6 m；工況12、工況17盾構機均推進10.8 m；工況13、工況18盾構機均推進18 m。

根據軌道交通的建設經驗，盾構隧道的施工速度一般為6環/d，即7.20 m/d。可見工況9、工況14施工時間約4.625 d，工況10、工況15施工時間約1.430 d，工況11、工況16施工時間約3.560 d，工況12、工況17施工時間約1.500 d，工況13、工況18施工時間約2.500 d。

結合工況9～工況18的路基頂面階段豎向沉降最大值和各工況施工時間，可計算得到盾構推進過程中，京滬客線客線上行線和下行線路基頂面的沉降速率，結果見表2。需要注意的是，表中所列各工況下最大豎向階段沉降所發生的位置并不一定在同一處，故對工況9～工況18的最大豎向階段沉降進行累加得到的累積沉降值與工況18和工況9累積最大豎向沉降的差值可能并不相等。

3.3.2 京滬鐵路客線路基橫向的變形影響分析

通過數值模擬，研究了徐州軌交2號線一期工程下穿京滬鐵路客線施工對沿鐵路路基橫向的豎向沉降、圍護結構在基坑開挖過程中的累積水平位移。

3.3.3 對京滬鐵路客線軌道幾何狀態的影響分析

通過數值模擬，研究了徐州軌交2號線一期工程下穿京滬鐵路客線施工對鐵路路基上方軌道水平不平順的影響。

3.4 數據匯總

計算結果顯示，徐州軌交2號線一期工程下穿京滬鐵路客線工程中，施工引起的京滬鐵路客線上行線沿鐵路縱向路基基床頂面中心線累積沉降最大值為7.05 mm，累積水平位移最大值為2.01 mm；施工所引起京滬鐵路客線下行線沿鐵路縱向路基基床頂面中心累積沉降最大值為6.81 mm，累積水平位移最大值為1.05 mm。

盾構推進過程中，左線隧道施工引起京滬鐵路客線上行線路基頂面最大沉降速率為0.907 mm/d，下行線路基頂面最大沉降速率為1.329 mm/d；右線隧道施工引起京滬鐵路客線上行線路基頂面最大沉降速率為0.993 mm/d，下行線路基頂面最大沉降速率為1.308 mm/d。

主體結構開挖引起端頭井靠近鐵路側圍護墻累積最大水平位移7.1 mm，與啟明星計算結果6.8 mm較為接近。

施工引起的京滬鐵路客線上行線路基上方軌道的水平不平順最大值為0.07 mm；下行線路基上方軌道的水平不平順最大值為0.09 mm。

通過采用信息化的監測手段，對本區間隧道下穿既有京滬鐵路客線進行了實時監測，動態掌握盾構穿越施工對其正常使用的影響，并根據監測結果進行實施反饋以指導現場施工。由現場監測結果顯示，盾構始發穿越既有京滬鐵路客線施工引起路基最大沉降量為5.9 mm，小于6 mm的限制要求，電氣化立柱最大沉降量為4.9 mm，小于5 mm的限值要求，對其影響也在可控范圍之內。

盾構穿越京滬鐵路貨線地層主要為中風化灰巖，灰巖層巖溶較發育，但基本為充填型溶洞，填充物為可塑-硬塑黏性土，且此處隧道埋深約21.8 m，盾構掘進施工對京滬鐵路貨線的影響較對客運線的影響要可控些，為此不對線路進行輔助加固，僅需控制盾構掘進施工參數。盾構推進過程中，引起京滬鐵路貨線左線左軌最大沉降速率為0.160 mm/d，左線右軌最大沉降速率為0.183 mm/d；引起京滬鐵路貨線右線左軌最大沉降速率為0.199 mm/d，右線左軌最大沉降速率為0.201 mm/d。

4 結語

徐州軌交2號線周七盾構區間是國內少有的富水上軟下硬復合地層隧道工程，穿越距離長，環境保護等級高。針對上軟下硬復合地層中盾構始發穿越既有鐵路營業線變形控制難題，采用數值模擬和現場監測反饋相結合的方法來開展研究，提出了主動地層加固和被動施工參數控制相結合的變形控制技術，實現了鐵路線的毫米級變形控制。成果可應用于日益增多的城市地鐵隧道工程中，并可在引水、道路等富水復合地層中的隧道工程中推廣應用。