雙線盾構隧道下穿鐵路股道群影響分析

杜棣賓

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司,廣東 廣州 510010）

0 引言

近年來，我國城市地鐵工程建設迅猛發展，同時也存在著大量區間隧道穿越鐵路線路的現象。地鐵區間隧道施工引起地層的變形及應力釋放，會造成地表沉降以及對鐵路路基的擾動。該文結合工程案例，對地鐵盾構隧道下穿鐵路路基情況進行分析。

1 工程概況

該工程地鐵盾構隧道穿越鐵路股道群路基段、碎石道床、鋼筋混凝土軌枕，鐵路列車運行速度45~110 km/h。地鐵盾構隧道外徑6 m，管片采用通用環，管片環寬1.5 m。

地鐵與鐵路線路平面交角最小約67°，地鐵隧頂距鐵路股道群豎向距離約14 m。二者平、剖面相對位置關系如圖1~2 所示。

圖1 地鐵隧道與鐵路平面相對位置關系

圖2 地鐵隧道與鐵路剖面相對位置關系

該工程所處地層主要為黏土層，隧底以下為泥質砂巖（全風化）。地層力學參數如表1 所示。

表1 地層參數表

該工程地下水類型為上層滯水和基巖裂隙水。地層的透水性、富水性較弱，水量微弱。

2 盾構隧道掘進地面沉降機理

大量經驗數據表明，盾構隧道施工引起的地面沉降經歷先行沉降、開挖面隆沉、盾構通過時沉降、盾尾沉降、后期沉降等五個階段[1-2]。各階段產生變形的主要原因如表2 所示。

表2 盾構隧道掘進地表沉降階段及主要原因

根據《鐵路線路修理規則》，并結合當地類似工程經驗，鐵路股道群路基隆沉按照≤10 mm 控制。

3 盾構隧道下穿股道群安全性分析

3.1 基于Peck 經驗公式計算

Peck 基于大量現場監測資料，提出預測地層損失及地表沉降的估算方法。隧道施工造成的地面沉降槽體積應和地層損失體積保持一致，隧道施工造成的橫向地面沉降分布數據，可近似擬合為正態分布曲線[4]。

式中，Sx——地表沉降值（橫向）；Vl——每延米地層損失值；x——隧道中心線與地表點水平距離；Smax——隧道中心線位置地表最大沉降值；i——沉降槽寬度系數（隧道中心線與沉降反彎點距離）；φ——地層內摩擦角；Z——隧道中心線位置的隧道埋深[5]。

針對不同的地層損失率，分別計算兩條地鐵盾構隧道下穿鐵路股道群后地表沉降曲線，計算結果如圖3所示。

圖3 地面沉降曲線（Peck 經驗公式估算）

計算結果顯示，不同地層損失率下，雙線盾構隧道分別穿越鐵路股道群路基后，地面最大沉降值如表3所示。由此可見，地層損失率控制在0.7%以內，地面沉降滿足10 mm 的變形控制要求。

表3 不同地層損失率下隧道穿越后地表最大沉降值

結合當地地層的盾構施工經驗，地層損失率控制在0.5%以內，可滿足鐵路股道群路基的變形控制要求。

3.2 有限元模擬計算

根據工程實際情況，建立有限元模型，對地鐵盾構隧道下穿股道群進行模擬，在地層損失率為0.5%的前提下進行有限元分析，模型如圖4 所示。

圖4 盾構隧道穿越鐵路股道群有限元模型

分析計算結果如圖5 所示，第一條地鐵盾構隧道掘進引起鐵路路基最大沉降值為3.4 mm，最大沉降位于第一條盾構隧道中心線處上方。第二條地鐵盾構隧道掘進完成時，鐵路路基最大沉降位于第一條盾構隧道與第二條盾構隧道中間，鐵路路基最大沉降值為4.6 mm。

圖5 有限元分析鐵路股道群路基沉降云圖

3.3 計算結果分析

根據Peck 經驗公式、有限元模擬計算結果，鐵路股道群路基沉降計算值如表4 所示，均可滿足鐵路路基變形控制指標的要求。

表4 鐵路股道群路基沉降計算值 /mm

4 盾構隧道下穿鐵路股道群施工控制措施

（1）加強盾構掘進參數控制，包括：土倉壓力控制、掘進速度控制、出土量控制、糾偏控制、管片拼裝質量控制、壁后注漿環箍注漿控制、地層損失量控制[6]、加強監控量測、信息化施工等。

（2）穿越前100 m 設置試驗段[7]，根據試驗段參數指導后續施工。

（3）下穿段采用配筋加強型、增設注漿孔管片[8]。

（4）行車限速，充分了解鐵路行車計劃，并利用好鐵路列車行車間隔，做好施工組織方案。

（5）盾構機通過后，根據監測結果排查軌道狀態，必要時采取起道調砟的方式確保軌道平順，滿足鐵路安全運營的要求。

5 現場監測情況

目前該地鐵盾構隧道已掘進完成，根據現場監測所反饋的數據，單條地鐵盾構隧道掘進完成后路基最大沉降值3.1 mm，雙條地鐵盾構隧道施工完成后路基最大沉降值4.5 mm，與計算分析結果基本一致，滿足變形控制指標要求。

6 結語

該文依托工程案例，對雙線盾構隧道穿越鐵路股道群路基情況進行研究分析，提出相應的施工控制措施，并結合現場監測數據，驗證計算分析的合理性。

（1）基于Peck 經驗公式，分別對雙線盾構隧道穿越引起的鐵路路基沉降進行預測，基于0.5%的地層損失率，單條地鐵隧道下穿引起地面沉降約4.1 mm，雙條地鐵隧道下穿引起地面沉降約5.6 mm。

（2）建立有限元模型，對雙線盾構隧道下穿鐵路股道群進行模擬，根據計算結果，單條地鐵隧道下穿引起地面沉降約3.4 mm，雙條地鐵隧道下穿引起地面沉降約4.6 mm。與Peck 經驗公式預測結果基本一致。

（3）提出針對盾構隧道下穿鐵路路基的針對性措施。

（4）現場監測結果揭示，單條盾構隧道掘進完成后路基最大沉降值3.1 mm，雙條盾構隧道掘進完成后路基最大沉降值4.5 mm，滿足變形控制要求。