地铁盾构区间穿越既有铁路技术措施研究

2013-09-04张舵

铁道标准设计 2013年2期

张舵

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

随着城市地铁的建设，所遇环境条件变化较多，需穿越障碍物种类繁杂，包括桥梁、房屋、河流、道路等等。其中运营期间的铁路线路，对沉降要求较高，对处理措施要求较严。目前国内上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此类情况，多采用盾构穿越。以某城市地铁区间穿越铁路为例进行分析，介绍下穿既有铁路的技术措施。

1 工程概况

该盾构区间隧道横穿铁路，共计8股道，位于铁路站场内，行车密度大，施工期间需保证列车的正常运营。土层从上到下分别为:素填土、砾砂、粉质黏土、全风化角岩、强风化角岩。地下水位约在地面以下3.5 m，隧道拱顶覆土厚度约14 m。区间与铁路路基的关系见图1、图2。

图1 区间穿越铁路平面

图2 区间穿越铁路剖面

各土层物理力学性质指标见表1。

表1 物理力学性质指标

2 路基沉降和轨道变形要求

盾构施工对铁路的影响主要包括路基沉降和轨道变形，其中轨道变形是控制铁路行车安全的主要因素。

对于有砟轨道的路基沉降，可以通过回填道砟、补充注浆等方式予以补充，所以普通铁路路基沉降要求不高。《铁路路基设计规范》(TB10001—2005)［1］中7.6.2条规定，一级铁路路基沉降量≤20 cm、沉降速率均≤5 cm/年。《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)［2］中规定:对于有砟轨道，设计速度为250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm、沉降速率均≤3 cm/年;设计速度为300、350 km/h，一般地段工后沉降≤5 cm、沉降速率均≤2 cm/年;

对于无砟轨道的路基应遵循无砟轨道完工后的工后总沉降ΔS，不允许危害铁路运营安全或产生损坏线路可使用性的轨道变位，也不能超过系统扣件竖向高度调整量的某一比例。《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)［2］中规定，无砟轨道路基工后沉降不宜超过15 mm;沉降比较均匀并且调整轨面高程后的竖曲线半径满足(Rsh≥0.4V2sj)的要求时，允许的工后沉降为30 mm。

在施工中以轨道沉降变形为实际控制标准，根据2006年铁道部发布的《铁路线路修理规则》(铁运［2006］146 号)［3］，适用于1 435 mm 标准轨距和线路允许速度为200 km/h及以下的线路。规则第6.2.1条规定了线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值。

高速铁路还应遵守《高速铁路设计规范》的相关要求，同时应以铁路运营单位的实际轨道平顺性管理数据为准。如北京铁路局京铁工［2008］238号文件《京津城际铁路无砟轨道线桥设备维修规则(试行)》［4］第 7.1.1 条之规定。

3 计算分析

3.1 沉降分析计算

盾构隧道施工不可避免地导致隧道上方一定范围内地面出现沉降。在软弱地层中施工盾构隧道，引起地面沉降的主要原因是盾构施工引起隧道周围土体的损失和地下水位下降引起的土体固结沉降。应通过预先计算预测沉降量并在施工过程中控制地面沉降值等措施保证隧道上方铁路的安全。分自然状态和隧道顶部预加固两种情况进行分析。

3.1.1 计算模式

采用平面有限元法，考虑地层与衬砌共同作用。

为分析注浆与不注浆两种施工方案对盾构隧道施工引起地表变形的影响，数值计算中采用平面应变的二维有限元地层结构模型。为便于对比，两种方案均采用相同尺寸、地层参数以及相同边界约束条件的有限元模型，而区别在于注浆方案将通过提高注浆范围土体模量进行模拟。有限元模型如图3所示，模型水平宽度为60 m，高度为40 m。上、下行线隧道水平间距为18.4 m，其几何尺寸基本相同，外径为6.0 m，管片厚度为300 mm。隧道上方覆土厚度为14.4 m，对隧道顶部9.0 m、中心线每侧6.0 m范围围岩进行加固。

图3 区间隧道计算断面

3.1.2 材料本构方程

对于岩土体材料，其变形是极其复杂的，这不仅与岩土体的成分、成因、结构等因素有关，还与岩土体的历史、受荷状况等有关。岩石能够很好地承受压应力，但是只能承受很小的拉应力。岩石的应力—应变关系中几乎不存在弹性极限，因为岩石甚至在很小的荷载作用下，就出现显著的不可逆的塑性变形。所以，计算过程中采用 Drucke-Prager弹塑性的非线性本构模型［5］。

D-P模型是在考虑了静水压力影响的广义Mises屈服准则基础上建立起来的，表达式为

c——岩土类材料的黏聚力，MPa;

φ——岩土类材料的内摩擦角，(°)。

D-P模型的优点是采用了简单的方法考虑了静水压力对屈服和强度的影响，参数少，计算简单，同时也考虑了岩土类的剪胀。

3.1.3 计算结果

经有限元计算分析，得到盾构隧道施工过程中，注浆和不注浆两种工况下地表沉降规律。当不注浆时，两盾构隧道下穿铁路，引起的地表沉降曲线如图4所示，由图4可知，隧道施工完成后地面最大沉降计算值自然状态下为-9.80 mm，沉降槽较深。注浆加固后，地表沉降曲线如图5所示。由图5可知，地表沉降最大值为-4.92 mm，沉降槽较浅，影响范围较小。注浆加固较不注浆地表沉降减小50%。

式中 I1——应力第一不变量，I1=σ1+σ2+σ3;

J2——第二偏应力张量不变量，其表达式为

图4 无地层加固地表沉降曲线

图5 有地层加固地表沉降曲线

计算结果显示加固后铁路路基沉降量较小，同时沉降槽较平缓，对铁路运营有利。故建议对铁路下方路基进行加固，要保证注浆浆液质量，控制浆液范围，尽量均匀密实，减小地层损失，切实保证注浆效果。且盾构下穿铁路施工时需要对地面加强监测，严格控制盾构推进速度并实施同步注浆，避免施工对铁路安全运营带来不利影响［6］。

3.2 结构配筋计算

根据计算分析，同样轴重的情况下，列车速度越高，在盾构顶产生的动荷载越大，同时考虑盾构施工造成的铁路路基不平顺，并参考类似工程经验，列车荷载可按75 kN/m条状荷载考虑。经过地层加固后，土体模量约提高3倍，按经验其静力触探锥尖阻力提高为原来的2～3倍，土体水平向抗力系数提高2～3 MPa［7］。

经计算，盾构配筋以裂缝宽度0.2 mm控制，主筋采用10φ20 mm。对铁路路基加固后，也可减少运营期间列车动荷载对区间隧道的影响，同时通过加强区间管片配筋、在管片中掺入钢纤维以增加其抗裂性能等措施，确保运营期间区间隧道的安全。

4 采取措施

4.1 加固措施

为保证铁路的正常安全运行及盾构顺利推进，采取预加固措施，如图6所示。

图6 加固布置纵剖面

首先进行铁路两侧的旋喷桩施工，加固过程中应控制施工速度，以减小施工对铁路的影响，旋喷桩施工期间必须对铁路进行监护和监测，根据监测结果调整施工参数，并通知铁路部门对线路进行及时养护;其次对主加固区(A)、次加固区(C)等进行加固。

施工主加固区(A)时对铁路线路应采取以下保护措施:采用分层注浆加固，预加固范围为主加固区(A)的70%左右，并采用复合浆液，缩短胶凝时间，以控制注浆压力和扩散范围，注浆压力和注浆速度根据线路轨道变形的监测数据进行调整，减小注浆对基床的影响，同时为下一阶段跟踪注浆预留注浆孔。次加固区(C)采用竖直施作注浆孔，复合浆液，一次性加固完成［8］。