盾构下穿铁路路基及火车站站房地表沉降分析

段恒冲

（内蒙古铁道勘察设计院有限公司，呼和浩特 010000）

1 引言

随着时间的推移，城市轨道交通建设开始逐渐被重视，并且涵盖的范围越来越广。但根据调查研究显示，我国地铁区间隧道与铁路路基以及桥梁开始出现交叉的现象，且出现这种现象的概率在逐年上涨。铁路是国家最主要的线路之一，同时又是社会公共安全的重点领域。因此，为了保证铁路的正常运行，国家已经颁布了相关的文件，必须要对地铁盾构隧道下穿铁路采取相应的安全措施。基于这种现象，许多学者以及技术人员开始就这一问题展开了深入研究。

2 重要性

据调查研究显示，在进行城市轨道交通线网建设时，存在很多地铁线路下穿运营铁路线路的情况。并且在使用盾构法进行地铁施工时，势必会对铁路线路的正常运行造成影响。因为在使用盾构法对地铁进行施工时，难免会对原有的底层产生扰动，并且最主要的是还会破坏其原有的力学平衡而造成沉降变形。所以，在进行相应的施工时，要严格控制盾构隧道地表和上方原有建筑物的沉降量。在1969 年，Peck 就已经提出了底层损失这个概念，同时还定义了估算隧道开挖地表变形的经验公式。这个公式在经过实际应用后发现可以运用于计算这类问题，但还存在很多的不足和问题。所以这个公式在得到证实以后还被进行了完善及修正。但在后续使用时发现，在将这个公式运用于盾构施工穿越不同敏感建(构)筑物时，还是会存在误差，并且误差比较大，这就说明，这个公式不适用于所有建筑物。针对这一现象，大多数的研究人员开始使用数值模拟方法。

3 盾构隧道下穿既有火车站站房、铁路路基优化

3.1 纵向变形分析

已有研究认为，盾构法隧道施工引起地表变形的影响因素主要有以下几点：

1）土仓压力。盾构隧道掘进过程中，开挖面很难达到理想的土压平衡状态，因为在挖进的过程中会造成土地下沉或是隆起的现象。产生这种现象的原因是在挖进的过程中会产生2种力：支护压力及原始侧向应力，当这2 种力不平衡时就会产生上述现象。当支护力小于原始侧向应力时，就会造成土体下沉的现象；反之，当支护力大于原始侧向应力时，则会造成土体隆起的现象。

2）同步注浆。由于盾构钢环的外径较大，且刀盘存在一定的超挖，在管棚脱离盾尾时，隧道开挖壁面与管片间形成空隙，需要进行同步注浆。若注浆未及时跟上或注浆效果差、未能按期达到设计强度，土体将向管片产生位移，从而引起地面沉降；相反，注浆量过大时可能导致地层少量隆起变形。

3）盾构出土量。在进行施工时，出入量与实际开挖量应该是相等的，如果不相等，同样会造成土地下沉或隆起的现象。当出土量大于实际开挖量时，就会造成土体下沉的现象；当出土量小于实际开挖量时，就会造成土地隆起的现象。

4）土体与管片之间相互作用。在进行施工的时候，周围的土也会对管片造成影响。当周围土的压力传输到管片上时，就会导致盾构管片的形变，并且衬砌对周围地层还会产生反向抗力。

5）盾构机控制。在使用盾构机进行挖进时，同样会对土层造成不同程度的影响，尤其是在弯道、水平纠偏或是垂直纠偏等工作环境比较复杂的地方，对土层造成的影响会更大，进而造成表面土地变形的概率也就越大。

6）主固结沉降与次固结沉降。在施工过程中主要会产生2种沉降现象：主固结沉降及次固结沉降。主固结沉降是因为扰动土因超静孔隙水压力的消散而产生的地面沉降；次固结沉降则是土体骨架发生持续长时间的压缩变形，在土体蠕变过程中产生的地面沉降。

综上所述，盾构施工过程中影响地层位移及结构内力的因素很多，最主要的就是地层性质、地下水条件以及隧道直径等施工条件。所以，在进行盾构施工对周围环境的影响研究与分析时，不能只考虑个别几个方面的因素，要将所有的影响因素都考虑在内。这样，才能得到比较科学合理的结果。

3.2 盾构施工模拟

盾构隧道施工工作步骤是非常烦琐的，且涉及的工作种类也很多，比如，开挖土体、管片衬砌、同步注浆以及开挖效应，等等。所以，在进行盾构施工模拟的时候，要将各个工作步骤与工作种类都一一进行模拟。模型采用MIDAS-GTS NX 有限元计算软件，为使模拟结果更接近实际情况，建模范围取垂直于线路方向结构外缘两侧各约5D（D 为隧道结构外径），线路方向模型总长220m，竖直方向结构覆土根据实际情况取值，结构底部以下大于5D，地应力场按自重应力场分析。考虑同步注浆浆液形态对地表沉降的影响，所以在注浆以后，最开始浆液参数选取的是液态参数，然后慢慢等待它凝固，在它完成初凝以后，再选取固态注浆层参数。在实际进行施工的时候，天然土层就已经完成了固结沉降，因为在自然条件下，土体有自重并且周围的建筑物还有荷载，这些因素都会对土层造成天然压力。所以，在施工的时候，要将固结沉降以后的土层作为后续开挖步的初始状态。在利用有限元模拟基坑开挖过程时，最主要的就是要平衡初始地应力，这样，才能使土体模型中只有初始应力场，不存在初始位移。模型中第一阶段土体为开挖的初始阶段，并且还要计算出土体在自重作用下的位移场以及应力场，然后，还要通过MIDAS-GTS 的位移清零功能消除已经完成的沉降位移，最后构造初始应力场。计算模型及网格划分如图1 所示。

图1 隧道与站场内建（构）筑物相对位置关系

3.3 计算结果及分析

根据数值模拟结果，在保证各项施工措施的前提下，区间下穿呼和浩特火车站站场各项设施的变形如表1 所示。

表1 地铁区间隧道施工引起站场建（构）筑物变形统计表mm

3.4 盾构区间穿越火车站站房、铁路路基控制标准及保护措施

根据《铁路线路修理规则》（铁运〔2006〕146 号）、GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》【1】及GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》【2】相关文件表明，对于铁路轨道、建（构）筑物变形标准都有明确的规定，具体规定如下：轨面沉降值不能超过6mm；相邻两股钢轨水平高差不得超过6mm；建（构）筑物沉降不超过10mm。盾构区间穿越呼和浩特火车站范围内以中砂、粉砂、粉质黏土为主。盾构区间下穿的火车站主站房为筏板基础，盾构顶距筏板底最小净距12.79m；接建门厅采用桩基础，桩长7.3m，盾构外皮顶距桩基基底最小净距9.64m。区间盾构穿越过程中，施作二次深孔加强注浆，采用双液浆。区间隧道下穿火车站高架候车厅桩基，桩长12m，与区间结构最小净距3.65m，在盾构通过前，于桩基承台周围预埋可多次注浆的注浆管进行地面预注浆加固。盾构区间穿越火车站站场铁路正线路基段采用“3-7-3”扣轨加固，到发线采用地面预注浆加固。

盾构推进需做好以下推进控制：

1）严格控制盾构正面土压力。在施工过程中，土压力与开挖量紧密联系在一起，及时总结出最合理的土压力和开挖量，最大限度地减小对土的扰动。根据埋深和土层情况，将土仓压力按盾构中心处水土侧压力值提高0.01～0.02MPa。严禁风箱式土压力波动，以减小对土的扰动。

2）推进速度控制。前进速度控制在15～30mm/min。

3）控制开挖量。保证盾构切口上方的土体有轻微隆起，以抵消盾构尾部的沉降，控制铁路沉降在最小范围内，保证线路安全。

4 结语

随着隧道深度的增加，在进行隧道施工的时候，对周围造成的影响势必会越来越大，但根据调查显示，地表的最大沉降却在慢慢降低。产生沉降幅度比较大的地方一般是先行隧道中心线的正上方，并且先行盾构隧道对地表沉降的影响要比后行线盾构隧道大，能达到60%以上。在以后的发展中，盾构法施工会被越来越广泛地应用到隧道施工中，所以，希望本文对盾构法施工的发展会有所帮助。