盾构隧道下穿既有运营铁路施工技术现状及展望

文冲 沈卫平 苟明中 晏启祥 周上进 张天

【摘要】文章详细梳理和总结了盾构隧道下穿既有铁路的六种情况，并将目前的相关研究归纳为三个主要研究方向：地表和结构物沉降问题、主动加固方案效果评价、微扰动盾构掘进参数优化。基于目前的研究现状分析，对盾构下穿既有运营铁路问题提出了若干建议与展望。

【关键词】盾构隧道; 下穿; 运营铁路

【中国分类号】U455.43【文献标志码】A

铁路与公路

经过几十年的大规模基础设施建设，我国运营铁路的规模堪称世界之最。根据2019年铁路总公司的最新数据，我国铁路运营总里程超过13.9×104 km，铁路路网密度达145.5 km/104 km2。与此同时，，盾构法因其安全系数高、不影响地面交通、快速高效等优势，在地铁隧道修建中得到了广泛的应用[1]。

目前我国已有40个城市开展了轨道交通建设，运营线路共计208条，运营总里程达6 736.2 km，地铁运营线路5 180.6 km，占比76.9 %，其中，2019年当年新增运营线路长度974.8 km，地铁建设规模继续保持高增长势头[2]。由于我国高速铁路网的高密度与近几年的大规模建设，地铁区间盾构隧道下穿既有运营铁路情形越来越多，仅在川渝地区，就有近20余个区间隧道下穿既有铁路的工程案例。表1列举了其中5个实例。

当地铁线路与既有运营高速铁路产生交集时，地铁建设即盾构隧道施工不可避免地会对上部铁路结构产生扰动。这种扰动究竟会对既有铁路产生怎样的影响，是一个颇具工程意义的科学问题。有鉴于此，本文拟对盾构隧道下穿各种既有运营铁路的情况进行归纳，并对目前学界关于盾构下穿铁路问题的研究现状作主要阐释，最后对盾构下穿既有铁路未来技术发展做出展望。

1 盾构隧道下穿既有运营铁路的问题情况

目前针对盾构隧道穿越既有运营铁路的案例已有大量文献报道。受隧道施工影响而发生沉降变形的铁路结构物，主要包括以下六种情况：

（1）盾构隧道下穿既有铁路路基，隧道开挖导致轨道路基沉降。

（2）盾构隧道下穿铁路桥，导致桥墩发生水平位移和竖向位移变形。

（3）盾构隧道下穿既有铁路车站，导致车站站台产生局部沉降，例如天津地铁解放路北站～天津站区间段穿越天津站铁路下方，天津站站台产生一定沉降变形[3]。

（4）盾构隧道下穿铁路箱涵，隧道穿越铁路时引起箱涵产生水平位移、竖向沉降，进而发生倾斜[4]。

（5）盾构隧道下穿既有铁路隧道，造成隧道结构和铁路轨道发生竖向沉降[5]。

（6）盾构隧道下穿既有铁路桥群桩基础，导致桩基础发生竖向沉降和侧向变形，例如成都地铁4号线某区间盾构隧道下穿铁路群，铁路群包括成绵乐客专、东环线、达成线共10股铁路线[6]。

本文将盾构隧道下穿这六种铁路结构物的研究内容总结为三个方面：

（1）地表和结构物沉降问题研究。

（2）主动加固方案效果评价。

（3）微扰动盾构掘进参数优化。

1.1 地表和结构物沉降问题研究

盾构隧道施工势必会对周围岩土体产生一定的扰动，造成地表沉降或隆起。目前学术界通常采用數值模拟和现场监测数据相结合的方法，对地表沉降量的大小和施工对地表沉降的横向影响范围进行研究。

房师涛[6]以成都地铁4号线区间下穿铁路群为工程背景，运用有限差分软件计算盾构开挖过程对上部铁路桥桩基的影响，计算得到呈“U型槽”状的地表横向沉降曲线，以及铁路桥群桩的水平位移、竖向位移值。

杜明芳[4]等基于Origin内嵌积分程序对地表沉降槽面积进行积分，计算出隧道开挖引起的相对较小的土层体积损失率，推测出隧道开挖对铁路影响较小的结论。

郑余朝[7]等利用FLAC有限差分软件建立了轨道、路基、围岩和隧道的耦合模型，研究了铁轨高低差与路基沉降之间的相互作用关系。

1.2 主动加固方案效果评价

针对盾构隧道下穿的各种类型的铁路结构物，学者和技术人员根据具体工程情况，采用了具有针对性的加固方案，详情见表2。

目前主要采用数值仿真计算和现场监测相结合的方法，对加固方案的效果进行评价：王志超[8]等采用深孔注浆的方式对隧道上方土层进行加固，并计算得到盾构穿越过程中有无注浆时钢轨的水平与竖直变形。结果表明经深孔注浆加固后沉降值减少约76 %，加固效果显著。贾大鹏[9]等在北京地铁10号线某区间隧道下穿京沪高铁高架桥工程项目中，将隔离结构（隔离墙和隔离桩）设置在桥梁基础与隧道之间，并用有限元软件建模分析隧道施工时隔离保护措施的加固效果。

1.3 微扰动盾构掘进参数优化

盾构向前掘进的过程中，刀盘对前方土体和上方结构物产生的较大扰动以及盾构掘进造成的地层损失，是盾构开挖造成地层沉降或隆起的主要原因。因而确定合适的盾构掘进参数对控制地表和隧道上方结构物沉降至关重要。为了得到合理的盾构掘进参数，通常有设置参数优化试验段和室内模型实验两种方案，其中通过试验段选取合理的盾构微扰动参数是控制路基等结构物沉降的关键[10]。

（1）设置参数优化试验段：在深圳地铁7号线某区间隧道下穿铁路桥项目中，王体广[16]将盾构始发端距离铁路桥250 m这一段设为参数优化试验段，施工时结合周边环境优化掘进参数，减少盾构隧道地层体积损失率，使盾构匀速、慢速通过铁路段。冯超[17]等将盾构下穿宁启铁路的前后90 m作为控制性区域，施工时严格遵循设定的掘进参数。彭华[18]等将现场监测数据与盾构掘进时出土量、扭矩、土仓压力等参数进行比对，总结出盾构下穿京广线过程中铁路道床沉降量与掘进参数的内在关系，以便应用于掘进参数的调整与把控。

（2）室内模型实验：郭玉海[15]等从土体改良和同步注浆措施入手，对不同种类的改良土体和注浆浆液开展室内材料实验，得出了适用于大直径盾构的添加剂参数。

2 盾构隧道下穿高速铁路技术展望

目前学界对于盾构下穿高速铁路问题的研究，方法上主要有经验公式、理论公式及数值仿真与现场试验监测。

经验公式中最为经典和重要的是Peck公式[19]。Peck法在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，认为盾构推进后地面横线沉降基本为近似正态曲线。具体计算式如下：

式中：Sx为隧道轴的中心在地面沉降所造成的损失值;i为地表沉降槽的宽度系数（m），即隧道沉降曲线拐点到中心的距离;Smax为隧道中心线地面沉降的最大值。

刘建航[20]、侯学渊[21]等学者专家依据工程经验及现场测试对Peck公式进行了有益的修正和补充。王体广[16]将Peck公式计算得到的地表沉降值與现场监测值对比研究，根据实测值反算，优化了公式中地层损失率的取值。

理论公式中较为成熟的为Sagaseta提出的地表沉降的三维计算公式。

式中：δz（x）为与隧道轴线正交的平面内土层的垂直位移;δz（y）为与隧道轴线平行的平面内土层的垂直位移;Vs为土体体积损失;x、y为距中心线的距离;H为隧道的埋深。

对于盾构下穿高铁的直接相关研究主要集中在数值仿真上。徐干成[22]结合具体的工程案例，利用数值仿真计算盾构下穿影响下轨道的沉降值，这是最普遍的做法。霍军帅[23]、王俊生[24]则考虑了注浆加固对于轨道沉降的影响。罗强[25]、毛利军[26]、李献民[27]结合动力学理论，运用数值仿真研究了高速列车在隧道上方运行时，列车振动对地层及隧道的变形影响。

3 结束语

综上，目前关于盾构下穿高速铁路的研究，在理论经验公式推导上仅局限于地表变形，对于上部铁路结构的影响尚无公式可供计算。数值仿真方面集中于常规的轨道沉降计算，对于盾构开挖后变形如何由地层传递至地表，再传递至铁路路基，最后传递至轨道的机理目前尚没有系统性的研究。此外，从研究方法上讲，关于盾构隧道下穿高铁的模型试验也较少。有鉴于此，对于盾构隧道下穿高铁的未来技术发展提出以下三点建议以供参考：

（1）开展盾构下穿既有铁路现场测试和精细化室内试验，以获取第一手技术数据。

（2）针对盾构下穿高铁的地层-路基-轨道变形机制开展系统讨论，提出变形传导机制。

（3）推导盾构下穿对于上部铁路结构影响的理论经验公式，以广泛适用于工程实践。

参考文献

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