地铁盾构下穿既有铁路可行性分析及应对措施

桑中顺

在地铁建设过程中，盾构法以其独有的优点，在施工方法中所占的比例越来越大。但盾构施工面临着越来越复杂的周边环境和施工条件，施工过程中穿越障碍物或近距离通过既有建(构)筑物的情况越来越多。下面针对某地铁区间穿越既有铁路股道的可行性进行分析，并给出具体的应对措施，对区间的后续施工具有借鉴意义。

1 工程概况

某地铁盾构区间长895 m，外径6 200 mm，内径5 500 mm，垂直正穿既有铁路，采用土压平衡盾构施工。线路线间距16 m～15 m(下穿铁路段线间距为16 m)，线路采用5.0‰单面坡，轨面标高埋深约21 m，隧道结构顶与铁路站场地面垂直距离约16 m。

既有铁路为Ⅰ级国铁线路，双线正线，有碴轨道，速度目标值为160 km/h～200 km/h(线路开行动车，最高时速200 km)，铁路站场为4台10线，其中到发线7条(含正线兼到发线2条)，基本站台宽12 m。

隧道穿越区域土层自上而下分别为:①1杂填土，③1黏土，③2粉质黏土，③3粉土夹粉质黏土，⑥1-1粉质黏土，⑥1黏土，⑥2-1粉质黏土夹粉土，⑥2粉质黏土。盾构穿越段主要位于⑥1黏土，⑥2-1粉质黏土夹粉土。

2 轨道交通区间盾构施工对既有铁路影响分析

对于盾构隧道施工引起地面沉降预测，派克(Peck，1969年)提出了地层损失的概念和估算方法。此后经过大量工程实践及修正完善，该方法成为最常用的估算盾构正常施工引起地面沉降的方法。该方法认为在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，盾构推进后地面横向沉降基本为似正态曲线，具体地面沉降关系如下:

其中，Sx为地面到盾构中心处埋深为Z的断面上，距离隧道中心线x处的沉降量;Vl为地层损失量;i为沉降槽宽度系数，是土壤条件、隧道半径、隧道中心埋深的函数。

对Peck公式求导可得沉降曲线的最大斜率(发生在 x=i处):

如设定地层的极限剪应变Yp与η相等，则:

其中，[τ]为地层抗剪强度;G为地层剪切模量。

上式即为从隧道施工本身的安全稳定性推求的地面沉降最大容许值。

盾构隧道穿越火车站站场段结构顶覆土厚度约16 m，区间结构外径3.1 m。盾构施工过程中地层损失率取0.5%(按盾构隧道正常施工)，由Peck公式计算得:单孔隧道掘进施工时引起的地面最大沉降为6.7 mm;双孔隧道先后掘进地面最大沉降为9.3 mm，如图1，图 2所示。

3 既有铁路工程对轨道交通区间盾构施工的影响分析

盾构隧道内径采用5 500 mm，管片厚度为350 mm，管片宽度1 200 mm，采用修正惯用计算法进行结构计算。

结构按匀质圆环考虑。由于纵缝接头、螺栓孔的存在，导致整体抗弯刚度降低，计算时取圆环抗弯刚度为η(EI)(η为抗弯刚性的有效率，η≤1，一般取0.6～0.8)，考虑错缝拼装管片接头部弯矩的传递，结构整体补强效果，进行错缝拼装弯矩重分配。计算采用的参数为:刚度有效率 η=0.8;弯矩增大系数 ξ=0.3。

将列车荷载、路面土体荷载施加于原状土上，350 mm厚，1.2 m宽管片最大弯矩为293.2 kN◦m，最大轴力为947.7 kN，最大剪力为153 kN，最大变形为10.57 mm，可看出，既有铁路对后期盾构施工的安全性及盾构施工质量影响较小。计算结果见图3，图4。

4 研究结论

1)结合盾构施工经验，在穿越既有铁路时，列车限速:地面列车减速行驶;2)根据前期盾构掘进参数控制与地层位移关系，确定合理的土压力值、排土率及掘进速度等;3)穿越前应对盾构机械进行检修，避免中间停机、漏浆或注浆系统堵管等情况发生，保证盾构能够连续匀速推进;4)严格控制掘进速度和同步注浆量，避免因盾尾空隙未能及时充填而产生下沉;5)及时进行二次注浆，控制后期沉降;6)在轨道交通施工前对穿越段铁路采取扣轨措施，施工过程中采用调整轨道扣件的办法及时调整轨道高程，以满足铁路线路的标准;7)加强沉降监测，应对轨道进行穿越施工全过程监测，其中对轨道沉降、轨道横向差异沉降、轨距变化和道床纵向沉降等内容应进行24 h的远程实时监测;根据监测结果，及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理。采用高精度的连通管自动监测的方法，对轨道作加密监测，盾构通过期间，定期提供监测数据，并及时反馈。

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