地铁盾构双线穿越大型铁路站场引起的既有线路变形分析

曾铁梅 左 敏 陈 磊

(1．武汉地铁集团有限公司，武汉 430030;2．华中科技大学土木学院工程管理研究所，武汉 430074)

1 引言

随着城市建设的发展，地铁下穿铁路站场的工程越来越多，而在施工中的地表沉降控制难度较大，会造成铁路轨道的纵横向不平顺，影响列车的运营安全。盾构隧道穿越铁路路基工程属于高风险工程，轨道变形属特级风险源［1］，因此盾构下穿大型国铁站场施工成为地铁建设的关键性工程。尤其当盾构下穿对沉降变形控制要求严格的铁路站场线时，常成为施工过程中的重点与难点［2］。在不做任何加固处理的情况下，将不可避免地扰动周围土体，引起周围地层损失及路基沉降。为防止盾构在推进过程中造成既有铁路区段内土体下沉，危及行车安全，同时确保隧道在列车运行荷载作用下的结构稳定，在盾构推进时实行信息化反馈施工并进行信息分析，及时调整盾构掘进施工参数，确保工程和铁路行车安全显得尤为重要。

关于盾构隧道下穿既有铁路的地表沉降分析研究已有报道。如季大雪分析了武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降的影响［3］;张印涛等以北京某地铁线路盾构隧道施工为例，对地表沉降纵、横向沉降规律进行了研究［4］;陶连金等以北京地铁十号线三元桥－亮马河站区间盾构隧道近接施工为例，针对新建盾构隧道施工过程中对已建盾构隧道纵向和横向变位影响等方面进行了研究［5］。广州、南京、苏州等地铁在类似工程设计与施工中也取得了一定的经验和研究成果［6］。以上研究成果主要针对地铁区间盾构隧道施工引起的地层沉降规律，而对城市地铁下穿大型国有铁路站场多股铁路引起的地表变形规律研究较少，同时缺乏对地表沉降的预评估和数据监控。因此有必要对盾构下穿铁路站场施工引起的地表沉降的规律以及沉降的评估和监测进行进一步研究。

本文以武汉地铁四号线一期武昌火车站站－梅苑小区站区间盾构隧道下穿武昌火车站国铁站场为工程实例，对隧道穿越前进行沉降估算，同时进行施工控制及变形分析，分析沉降产生的原因，总结地表变形规律，为类似工程积累经验，也为后续工程提供参考。

2 工程概况

2．1 过站区隧道结构型式

地铁区间穿越站场里程范围是右DK14+472．3 ～右DK14+621．6(左 DK14+473．7 ～ 左 DK14+621．6)，跨越长度约为149．3m，该段地铁隧道结构顶埋深约为12．6～14．7m，隧道左线、右线中心线间距约为14．1～15．3m。隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，外径为 6m，内径为 5．4m，管片厚度为300mm，宽度为1．5m。区间隧道洞身主要穿越地层分别为粉质粘土层、粉砂层，部分地段穿越淤泥质粉质粘土。地下水属承压水，埋深为12．1～18．7m。盾构选用Φ6250德国海瑞克土压平衡式盾构机。

2．2 铁路站场既有线路情况

武昌火车站地处京广线的中段，位于京广线、武九线和汉丹线的交汇处，是一个以客运为主，客货运兼营的综合性特等车站，每天接发列车241列，其中始发45列，终道45列，直通151列。站场内共12股铁道，均为P60无缝线路，股道自西向东依次为:基本站台→10道、8道←二站台→6道、4道、2道、1道、3道←三站台→5道、7道←四站台→9道、11 道←五站台→13 道。轨道编号 3、4、5、6、7、8、9、10、13十股道为到发线，1、2两股道为正线。其中1、2、4道采用钢筋混凝土轨枕、碎石道床，其余股道采用钢筋混凝土宽枕。武昌站在2007年进行改造完成，目前道床饱满，线路状态良好。区间隧道与12股道的平面位置关系如图1所示。

图1 区间隧道与12股道的平面位置关系图

3 隧道穿越前沉降估算

国内外研究表明，盾构隧道施工引起的地层变形主要原因是施工中的地层损失和隧道周围土体受扰动产生再固结［7］，引起地层损失的原因主要有以下几条:

(1)开挖面土体的移动;

(2)土体挤入盾尾空隙;

(3)土体与管片衬砌的相互作用;

(4)盾构推进方向改变，超挖等［2］。

根据区间盾构穿越武昌火车站铁路股道实际情况，为更好指导盾构推进施工，确保盾构穿越不会对地面及铁路线路造成较大变形，采用大地有限元PLAXIS对盾构穿越施工造成的影响进行计算，以便更好控制掘进施工过程中变化以及提前制定相应保护措施。

3．1 盾构穿越铁道正线变形计算参数

武汉地铁4号线一期工程梅苑小区站～武昌火车站站区间隧道在里程DK14+500～DK14+600之间穿越武昌火车站铁路股道，盾构机顶部埋深13m～15m，穿越土层为粉质粘土层和粉砂层。盾构隧道与武昌站股道关系剖面图如图2所示。

图2 盾构隧道与国铁关系剖面图

盾构机顶部埋深约13．0m，上下行线隧道中心间距14．4m，隧道穿越土层为粉质粘土层和粉砂层。图层参数见表1。

表1 计算选用土质参数

3．2 计算软件及计算步骤

采用PLAXIS大地有限元进行变形计算，计算步骤如下:

(1)先计算初始地应力场;

(2)将上一步初始应力场产生的位移置零，激活右线衬砌管片，杀死衬砌内土体，并设置适当的断面收缩率，以模拟右线盾构从铁路正线下穿越;

(3)激活左线衬砌管片，杀死衬砌内土体，并设置适当的断面收缩率，以模拟左线盾构从铁路正线下穿越。

图3 盾构穿越铁路计算模型

图4 右线盾构穿越正线后累计变形示意图(200倍)

图5 左线盾构穿越正线后累计变形示意图(200倍)

3．3 地面变形计算模型及结果

地面变形计算模型图如图3所示，右线盾构穿越正线后累计变形示意图4所示，左线盾构穿越正线后累计变形示意图如图5所示。右线盾构穿越铁路正线后地面沉降示意图如图6所示，左线盾构穿越铁路正线后地面沉降示意图如图7所示。

图6 右线盾构穿越铁路正线后地面沉降示意图

图7 左线盾构穿越铁路正线后地面沉降示意图

3．4 计算结果分析

根据国内盾构下穿国铁实测铁路轨道及地面沉降反分析得出的地层损失比的经验，一般盾构掘进时地层损失可控制在0．5% ～1%［8］。表2为不同地层损失率情况下盾构左右线穿越铁路线路沉降值。

表2 各地层损失下盾构穿越后线路沉降值

根据上面计算结果，本工程地层损失若控制在0．6%以内，盾构穿越武昌站铁路正线累计地面沉降可以控制在6mm以内。

4 施工控制及变形分析

4．1 变形监测点布置

为配合盾构在铁路轨道下推进施工，了解铁路地表受盾构施工产生的变形，掌握盾构在关键施工部位对土体及周围环境影响，对整个区间段实施地表沉降全程监测。根据线路股道和隧道位置关系，每股道布置9个测点，其中在轨枕上设置3个测点。选择第四股道进行标注，监测平面布置详见图8。其中测点编号说明如下:RG430表示右线第430环的穿越的股道沉降测点编号，LD76表示左线第76环的地表沉降测点编号，其他股道依次类推。

图8 第四股道地表监测点平面布置图

4．2 施工控制措施

考虑到盾构下穿铁路股道的难点，为减小施工导致的地表沉降量，拟定了以下安全措施:

(1)施工过程中，严格控制盾构正面平衡压力、盾构推进速度、盾构纠偏量、同步注浆量和浆液质量，同步注浆即在盾构掘进过程中管片脱离盾尾时进行，使之充分填充管片背后的环形间隙，现场为了保证同步注浆质量，加大同步注浆浆液中水泥的含量，同时每一环的同步注浆注浆量不少于7m3，注浆压力不小于 0．25Mpa［9］。

(2)增加监测频率，每2h测一次，发现异常情况及时报告，及时制定调整措施，保证工程的连续施工。

(3)提前对施工人员进行交底，做到精心施工，同时加强值班管理。配备足够的机动设备，一旦发生意外情况，在第一时间投入工作。通过管片预留注浆孔进行二次双液注浆。二次注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆、水玻璃体积比为1∶1，水泥采用P．O．32．5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1∶1，注浆压力不低于0．3Mpa。当建筑物沉降过大或危及到房屋安全时，应立即启动洞内深层注浆，深层注浆管设计采用直径为40mm注浆管，深层注浆浆液采用42．5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0．8∶1，水泥-水玻璃体积比为 1∶(0．5 － 1．0)，注浆压力为0．3－0．7Mpa，在靠近隧道管片时采用小压力注浆，注浆应遵循少量多次的原则［10］。

(4)提前与武汉铁路局等相关单位进行沟通、协调，在穿越施工期间，盾构穿越股道时对该股道采取锁道和列车降速措施，尽量减少施工对运输和行车的影响;同时通过沉降监测和工务部门对线路监护，共同达到及时控制路基沉降、确保安全的目的。在穿越期间，加强掘进掌子面与地面、轨道间竖直位置关系，确保掘进掌子面不侵入正在运行的轨道正下方。

(5)在施工前，委托铁路局有关安全、运输、工务等相关部门对施工方案进行论证评估。穿越掘进施工时，项目部主要负责人和安全、技术负责人现场全程盯控。右线穿越施工完毕后，及时对施工情况和安全防护情况进行总结，完善施工方案和安全措施，为下步左线穿越施工打好基础。

4．3 盾构掘进与地表沉降分析

双线盾构隧道采用分步施工，右线隧道于2013年1月1日至2013年1月16日完成穿越，左线隧道于2013年3月10日至2013年3月25日完成穿越。监测数据表明:随着隧道掘进断面掘进，与隧道中心距离越近地表沉降量越大。以隧道右线430环(左线76环)拱顶对应的地表第4股道以及右线418环(左线87环)拱顶对应的地表第3股道的测点为例汇出股道横断面地表沉降曲线如图9和图10所示。从图中可以看出，横断面测点连线形成了沉降槽，在右线到达和盾尾脱出时间范围内，与隧道距离较远的地表位置沉降的变化不是很明显。右线盾构施工导致的的最大沉降量在3～4mm之间;左线盾构通过监测断面后的总沉降量(此时右线和左线均通过了监测断面)在6～7mm左右。实测数据与模拟计算所得结果基本一致，说明盾构施工参数是合理的，控制地层损失在0．6%以内。

图9 第4股道横断面沉降曲线

图10 第3股道横断面沉降曲线

5 结论

通过武汉地铁四号线一期武昌火车站站－梅苑小区站区间盾构隧道下穿武昌火车站国铁站场的实践证明:

(1)在盾构的掘进过程中建立适当的土压力，及时、有效、足量的同步注浆，必要的二次注浆，以及合适的注浆压力和严格控制施工精度对于控制地面沉降有着极为重要作用。

(2)在施工过程中，应对盾构掘进进行严格线形控制和盾构机掘进姿态控制，减小轴线偏差和及时纠偏，减小超挖和对土体的扰动，避免在下穿段进行盾构姿态的调整。

(3)由于盾构隧道埋深较深，采取了股道临时封锁及列车降速措施，故列车的动荷载的动力作用经扩散后对地面沉降产生的影响可忽略不计，故在进行盾构隧道掘进对站场股道影响分析时，列车的动荷载可按经覆土厚度扩散后的静荷载考虑。

(4)在施工过程中加强各项施工监测，根据现场监测结果指导施工，以及在施工前对铁路道床进行养护管理及采取铁路限速等措施，做好应急预案对于控制控制风险的发生以及扩大有着极其重要的作用。

(5)国内的一些成功案例以及本工程实践证明采用盾构法施工可有效避免对国铁站场的影响，也进一步证明盾构法施工对于控制地面沉降的突出作用。

［1］贺斯进，蔺云宏．地铁盾构区间穿越铁路站场设计与施工［J］．现代隧道技术，2012，49(3)．

［2］游龙飞，王效文，龚彦峰等．盾构下穿新建铁路站场地基预处理技术研究［J］．铁道工程学报，2012(6):105-108．

［3］季大雪．武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降影响分析［J］．铁道工程学报，2009(10):61-63．

［4］张印涛，陶连金，边金．盾构隧道开挖引起地表沉降数值模拟与实测分析［J］．北京工业大学学报，2006，32(4):332-337．

［5］陶连金，孙斌，李晓霖．超近距离双孔并行盾构施工的相互影响分析［J］．岩石力学与工程学报，2009，28(9):1856-1862．

［6］徐干成，李成学，王后裕等，地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［J］．岩土力学，2009，30(增2):269-273．

［7］党世伟．盾构掘进地层变形原因分析与施工控制［J］．建筑技术，2007，38(7):549-550．

［8］王建秀，付慧仙，朱雁飞．等基于地层损失的盾构隧道地面沉降控制［J］．地下空间与工程学报，2012，8(3):570-576．

［9］王辉．建(构)筑物下盾构掘进施工隆沉控制［J］．铁道工程学报，2011(7):95-98．

［10］陈勇，温超杰，潘孟．盾构穿越既有火车编组站的施工控制要点［J］．建筑施工，2012，34(12):1176-1177．