地铁隧道下穿铁路群影响及加固优化研究★

于 廷 新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

随着地铁建设和铁路建设的迅速发展，地铁隧道下穿运营铁路的工程急剧增加，盾构隧道的穿越施工影响机理复杂，会导致地表沉降及铁路股道变形[1，2]。而运营铁路对位移和沉降要求极为严格[3]，由于铁路不间断运营的特殊性，极易引发安全事故[4]，故研究盾构隧道造成铁路变形规律非常重要，必须采取可靠的工程措施，严格控制盾构隧道施工造成铁路的变形，确保铁路安全运营[5,6]。

依托南昌地铁隧道下穿南昌火车站运营铁路群的工程实例，铁路变形要求极为严格，南昌砂砾层厚度大，地下水丰富，采用莫尔库仑模型、PLAXIS 3D进行三维数值分析，得出盾构隧道施工对土体及铁路变形的影响规律，提出铁路加固优化对策。

1 工程概况

南昌轨道交通二号线丁公路站—火车站区间全长838 m，盾构下穿南昌火车站站场段长度175 m，盾构覆土厚度约12 m，穿越处对应京九线里程K1444+422 m～K1444+447 m。南昌站8股～13股道正在运营，其中10股道为京九下行线。隧道上方存在3.6 m宽、3.6 m深的排水渠，地铁隧道下穿铁路群剖面图如图1所示，隧道周边方框内进行加固。

南昌火车站铁路行车密度高，变形要求极为严格，地铁隧道施工必须确保铁路的安全运营。根据《普通铁路线路修理规则》中“轨道静态几何不平顺容许偏差管理值”的规定，铁路沉降控制标准为11 mm，如表1所示。

表1 轨道静态几何尺寸容许偏差管理值 mm

隧道设计方案中要求盾构施工前对南昌站内的6条股道的路基进行注浆加固，拟对10道进行便梁加固，拟对8,9,11,12,13道采用轨束梁加固。但线路加固非常困难，加固造价高，工期长，对铁路运营影响大，拟通过三维数值分析对铁路加固设计方案进行优化。

2 工程地质与水文地质条件

场地地下水的类型主要为上层滞水、孔隙潜水和基岩裂隙水。初见潜水水位标高10.0 m～13.0 m，稳定水位标高为10.5 m～13.0 m，变化幅度2 m～3 m。

3 三维数值分析

3.1 本构模型及计算参数

采用摩尔库仑模型，模型的计算参数通过勘察报告确定，如表2所示。

表2 模型计算参数

3.2 模型建立及工况

采用PLAXIS 3D岩土专用有限元分析软件，按盾构隧道与穿越铁路、排水渠的相对关系，建立三维有限元模型，对盾构隧道对铁路群的影响进行有限元分析。

管片采用板单元模拟，考虑地层损失0.5%。模型边界条件为边界左右侧设置X向位移约束，前后面设置Y方向约束，模型底边设置X,Y,Z三向约束。有限元网格剖分图如图2所示，股道号沿Y正向依次为8,9,10,11,12,13。

该模型按照施工先后顺序，即分为如下五个工况：

工况一：初始地基模型，激活所在位置原始土层信息。

工况二：激活铁路路基填料、铁路荷载、排水渠。

工况三：模拟盾构周围土体加固。

工况四：模拟左侧盾构隧道开挖、安装管片，考虑地层损失0.5%。

工况五：模拟右侧盾构隧道开挖、安装管片，考虑地层损失0.5%。

3.3 结果分析

通过三维有限元计算，得出工况四左侧盾构隧道施工对土体及铁路造成的沉降、沿铁路方向、垂直铁路方向变形情况，沉降云图如图3所示(沉降为负)。

提取各铁路股道位移，计算结果见表3。

表3 左侧盾构隧道完成后铁路位移表 mm

由表3可知，8号～13号股道变形以沉降为主，沿铁路方向水平位移次之，垂直铁路方向水平位移最小。各股道最大沉降为-4.9 mm～-5.5 mm，其中10号股道沉降较大。选取沉降较大的10号股道，沿铁路方向绘制剖面，得到铁路沉降曲线，见图4。

由图4可知，铁路最大沉降位置为左侧盾构隧道正上方。

同理，得出工况五两侧盾构隧道施工对土体及铁路造成的沉降、沿铁路方向、垂直铁路方向变形情况，沉降云图如图5所示。

提取各铁路股道位移，计算结果见表4。

表4 两侧盾构隧道完成后铁路位移计算结果表 mm

由表4可知，右侧盾构隧道完成后，与左侧盾构隧道影响叠加，铁路沉降变大，8号股道～13号股道最大沉降为-6.5 mm～-7.2 mm，其中10号股道沉降较大。选取沉降较大的10号股道，沿铁路方向绘制剖面，得到沉降曲线，如图6所示。

由图6可知，铁路最大沉降位置为两盾构隧道中间正上方。根据规则中线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值，高低要求小于10 mm，故基本满足规则要求。

4 经典理论计算

1969年Peck在分析大量地表沉降数据的基础上，提出了地表沉降槽符合正态分布曲线的概念。他认为地层变形由地层损失引起，施工引起的地面沉降是在不排水的条件下发生的，从而假定地表沉降槽体积等于地层损失体积。该方法可以较好的模拟盾构隧道完成后，盾构与管片之间空隙造成的地层损失，并进而估算地表沉降，适用于盾构隧道完成后的沉降。

根据Peck经典理论法，两侧盾构隧道施工造成铁路沉降叠加，考虑地层损失为0.5%，做出铁路沿线方向沉降曲线，如图7所示。

由图7可知，最大沉降为-9.0 mm，同样位于两盾构隧道中间正上方。

5 优化加固措施

将经典理论计算结果与有限元计算结果进行对比，可见两者基本一致。根据经典理论与三维数值分析，提出取消8,9,11,12,13道的线路轨束梁加固措施，并将10道的便梁加固方式改为吊轨梁加固，大大节约加固造价和施工工期，保证了铁路安全运营。

同时采取以下措施减小铁路变形，确保铁路安全运营：

1)盾构隧道施工过程中，严格控制推进速度，均匀推进；严格控制盾构纠偏量，减少地层扰动；严格控制同步注浆量和浆液质量，及时填充孔隙。做好护壁，确保洞壁稳定。

2)盾构通过铁路股道下方时对列车进行限速。

3)选择相同工程地质条件的地段，结合地面沉降监测，进行施工工艺试验，以确定合理的施工工艺及保护加固措施，为盾构安全通过铁路下方提供技术支持。

4)盾构下穿铁路时，加强路基、轨道、接触网等设施的监控量测，通过监控量测反馈指导施工以确保铁路的安全。

经现场实际监测，10号股道最大沉降为7.5 mm，位于两隧道中间，实际监测沉降曲线呈抛物线型，与数值分析基本一致。

6 结论

1)通过三维数值及经典理论分析，得到盾构隧道造成8号～13号股道变形以沉降为主，沿铁路方向水平位移、垂直铁路方向水平位移均小于1 mm，影响较小。

2)两侧隧道施工时比单侧隧道盾构施工时引起股道沉降大，最大沉降为-6.5 mm～-7.2 mm，其中10号股道沉降较大，为-7.2 mm，最大值位于两盾构隧道中间正上方，变形基本满足规则要求。经监测，数值分析结果与实际监测基本一致。

3)根据三维数值及经典理论分析，提出取消8，9，11，12，13道的线路轨束梁加固措施，并将10道的便梁加固方式改为吊轨梁加固，大大节约加固造价和施工工期，保证了铁路安全运营。

4)同时，严控盾构推进速度、纠偏量、同步注浆、护壁；对列车进行限速；通过施工工艺试验及监测确定保护加固措施；加强路基、轨道、接触网等监控量测。