无锡地铁3号线下穿国铁影响分析及保护措施

蔡兴瑞

摘 要：在城市轨道交通设计与施工中，由于国铁自身的重要性和严格的安全保护标准，地铁盾构隧道下穿国铁为众多项目的关键性难点，尤其是国铁道岔的保护标准更为严苛。本文对无锡地铁3号线下穿京沪普速铁及沪宁城际铁路安全性进行分析，同时对盾构施工下穿铁路保护措施进行论述。

关键词：铁路;盾构隧道;沉降;措施

1 工程概况

无锡地铁3号线一期工程三院站～无锡火车站盾构区间从国铁无锡火车站西侧穿越沪宁城际铁路与京沪普速铁路。穿越区间的总长度为170 m，采用土压平衡盾构施工。区间穿越沪宁城际铁路7股轨道（2股正线、5股到发线），线路与城际铁路夹角约40°，穿越京沪普速铁2股正线、2股到发线、1股牵出线和1股整机待备线。区间下穿25#道岔水平距离约10 m，交角约60°，如图1所示。

地铁区间线间距为13 m～16 m，线路纵坡为27.252‰～28.755‰。盾构隧道位于③2粉质粘土、④2砂质粉土、⑥1粘土层中，区间穿越京沪普铁段隧道顶埋深约15.5 m，穿越沪宁城际段隧道顶埋深约12.9 m。

2 工程重难点分析

根据《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）及《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》（TG/GW 115-2012），无砟轨道对沉降变形要求高，尤其对不均匀沉降的要求很严格。考虑到沪宁城际铁路已运营，路基已发生部分沉降，本区间盾构施工期需严格控制铁路路基沉降。根据以往邻近铁路工程的经验，地铁施工期间对沪宁城际正线铁路影响按轨道路基沉降变形量不大于1 mm考虑。沪宁城际铁路到发线采用宽轨枕轨道结构，轨道路基最大沉降按不大于8 mm考虑。京沪普速铁路为有碴轨道，最大沉降不大于10 mm[1，2]。铁路正线轨道几何静态不平顺采用υmax>160 km/h经常保养的标准，即10 m弦长范围内轨道高差不大于5 mm。到发线铁路轨道不平顺采用υmax≤120 km/h经常保养的标准，即10 m弦长范围内轨道高差不大于6 mm[3，4]。道岔一旦沉降和变形过大易影响行车安全，道岔尖轨对沉降和变形要求非常高，本次设计地铁施工期间对道岔尖轨的沉降变形控制按不超过1 mm考虑[5]。

同时区间部分穿越砂层，地质条件较差，城际铁路部分股道位于加固范围外，沉降控制难度较大。铁路站场内股道密集，加固施工条件差，需合理确定施工方案。

3 地铁施工对铁路安全影响分析与评价

3.1 盾构隧道穿越沪宁城际铁路影响分析

沪宁城际铁路建设时已对道床下方采取钻孔灌注桩与钢筋混凝土板进行加固，以预留地铁3号线区间穿越通道。

采用有限元计算软件Midas-GTS建立三维模型，单线隧道开挖分为6 m一段，分8个工况施工完成，开挖下一阶段土体时在前一阶段施加盾构管片，开挖掉的土体应力分三级进行释放，见图2。

计算结果显示，左线隧道顶最大沉降5.460 mm，隧道底最大隆起为9.408 mm;右线隧道最大沉降5.073 mm，隧道底最大隆起为8.989 mm。混凝土钢筋混凝土板最大沉降约0.83 mm，混凝土钢筋混凝土板外侧到发线7道附近地面最大沉降约4 mm，均可满足保护要求。

3.2 盾构隧道穿越京沪普速铁路影响分析

模型总体设置时，模型东西长72 m，南北长78 m，向下延伸23 m，管片采用shell单元模拟，每个开挖循环设置为6 m，左右隧道各分13步开挖完成，见图3。

通过以上模型分析可以得出，在地层损失率为0.5%的条件下，单向盾构掘进后轨道沉降最大值为5.2 mm，左右线盾构掘进后地表沉降最大值为6.3 mm，符合现行铁路保护标准。10 m弦长最大高低偏差为3 mm，可满足经常保养目标值。

3.3 盾构隧道穿越京沪普速铁路道岔影响分析

地铁三号线盾构穿越京沪普速场南京端21#、25#道岔尖轨（道岔类型60 kg12号SC330道岔）。21#道岔在7道处，25#道岔直向连通机车整备（机待）线，侧向连通上行方向唯一的到发线4道。

3.3.1 盾构施工对道岔影响分析

依据peck公式在5‰地层损失率的条件下进行计算，沉降槽宽度系数为10.25 m，沉降最大值为9.3 mm，沉降曲线如下图所示，隧道结构外侧10 m处地面沉降约3 mm，20 m处地面沉降小于1 mm。

Peck公式计算显示，地面沉降主要影响区在隧道外侧10 m范围内，外侧10 m～20 m范围为次要影响区，外侧20 m以外地面沉降较小。结合穿越铁路三维有限元计算分析结果显示，隧道结构外30 m左右地面沉降小于1 mm。

结合数值计算结果，盾构掘进地层损失率需控制在0.5%以内。本工程隧道上方分布较厚的砂层，且隧道顶以上的粘性土层很薄，在此地质条件下，根据工程经验，仅靠加强盾构施工控制很难满足对地层损失率的控制要求，因此需对穿越京沪普速铁路段隧道上方的砂层采取加固措施。

3.4 铁路保护措施

3.4.1 铁路保护地基加固

根据现场施工作业条件情况，对穿越京沪普速铁路段隧道上方的砂层采取斜向加固措施，京沪普速铁路北侧邻近沪宁城际铁路段区间隧道穿越砂层，需对该段的砂层进行地面垂直注浆加固。加固竖向加固范围：对隧道上方粉土层进行注浆加固，从轨面以下5 m开始进行注浆加固，注浆加固穿透粉土进入其下方硬塑粉质粘土1 m。

3.4.2 道岔改移

通过三维有限元计算分析结果显示，隧道结构外30 m左右地面沉降小于1 mm。道岔对沉降变形要求非常高，需对地铁区间穿越道岔进行钉闭或改移。若对道岔进行改移，原则上应将道岔尖轨改移至区间隧道结构外20 m～30 m以外。结合无锡站普速站场改造工程，道岔改移方案采用机待线8道临时停用、25#道岔拆除改成曲线连接方案。

4 铁路保护盾构施工措施与要求

根据类似工程经验，通过加强施工控制，盾构区间穿越铁路段地层损失率需控制在0.35%以内，以有效控制轨道交通施工对铁路的影响。穿越沪宁城际铁路、京沪普速铁路及工区用房段管片增设注浆孔，及时进行二次补充注浆。加强监测，及时反馈监测数据，根据监测情况必要时可通过预留注浆孔对周边土体进行注浆加固。

穿越京沪普速铁路及两侧20 m范围内的管片配筋应考虑铁路列车荷载影响进行适当加强。施工单位做好专项方案向管理部门审批，穿越期间主动与铁路运营管理部门沟通，提前明确时间安排，运营管理部门按计划在穿越铁路期间限速，铁路管理部门加强监测和强现场巡检，加强线路养护。

5 盾构下穿铁路实施情况

盾构下穿铁路前对除沪宁城际钢筋混凝土板以外铁轨下方土体采用斜向和垂直注浆加固，地基加固采取地面袖阀管注浆和钻杆后退式注浆工艺，盾构掘进于2018年4月2日进入铁路影响范围，4月5日开始进入京沪普铁轨道下方区域进行施工，于2018年4月27日掘進出高铁影响区域范围。穿越过程中及穿越后，地表监测情况稳定，根据监测数据显示，累计最大变化量分别为-2.5 mm和-3.2 mm，均小于数值分析所得值，盾构施工控制和地层加固有效的控制盾构施工对铁路股道的沉降影响。

6 结语

本工程通过对国铁进行有针对性的保护方案设计和加强施工控制，较好的确保了盾构施工期间铁路运营安全。

参考文献：

[1]《铁路安全管理条例》中华人民共和国国务院令第639号公布，2013年7月.

[2]铁路线路维修规则[S].铁运〔2006〕146号.

[3]高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）[S].铁运[2012]83号.

[4]上海铁路局地方涉铁工程建设管理办法[S].上铁师发[2010]440号.

[5]上海铁路局营业线施工安全管理实施细则[S].上铁运发[2012]586号.