盾构下穿高铁路基沉降控制标准及控制措施分析

白阳阳

（1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2. 陕西省铁道及地下交通工程重点实验室，西安 710043）

1 研究背景

近年来，城市轨道交通与高铁融合发展已成为交通导向，为实现地铁与高铁无缝衔接，各地区高铁、地铁已陆续形成了战略协作，作为国家名片的高铁，其安全至关重要。咸阳高铁站西侧的盾构下穿徐兰高铁段位于西安地铁1 号线三期秦都站—宝泉路区间，秦都站—宝泉路区间为1 号线三期全线重大、控制性工程。无砟轨道的变形很容易影响到高铁的正常运营，因此该下穿高铁路基段工程难度较大。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[1]中有关说明，该规程仅适用于下穿高铁桥梁段、下穿高速铁路路基和隧道工程，缺乏实践经验及研究成果，需进行专门研究。由于调研隧道下穿高铁路基无砟轨道案例仅有一例[2]；下穿无砟轨道沉降控制标准与控制技术目前还不成熟，施工风险及难度非常大。

本文参考规范、类似工程案例，结合穿越段徐兰高铁现状，确定了高铁路基控制指标(包含总沉降量、沉降速率及轨道几何尺寸偏差管理值)，通过多方案综合比选，确定了可靠的工程方案，并提出了相关施工措施确保高铁安全运营，研究成果可以为今后类似盾构下穿工程提供参考。

2 工程概况

2.1 穿越段地铁区间概况

新建西安地铁1 号线三期工程秦都站—宝泉路区间采用盾构法施工，管片内外径分别为5.4、6 m。区间采用两台加泥式土压平衡盾构机从宝泉路站始发，以87°夹角由南向北依次穿越咸阳西货场、陇海铁路以及徐兰高铁(4 股道无砟轨道)路基段，区间单线长约673 m。徐兰高铁路基与地铁1 号线盾构下穿隧道平面关系如图1 所示。

图1 盾构隧道与高铁路基段平面位置关系 Figure 1 plane position relationship between shield tunnel and high-speed railway foundation section

2.2 穿越段徐兰高铁概况

穿越段徐兰高铁位于咸阳秦都站站房西侧约223 m处，徐兰客运专线与陇海铁路公用咸阳秦都站，高铁站设2 台4 线，站台均采用1.25 m 高旅客站台，站台宽度均为12 m，其中有2 条正线，2 条到发线，4 条线路均采用了SK-2 型双块式无砟轨道，正线设计速度和实际通过速度分别为350 km/h 和250 km/h；高铁道床板采用C40 钢筋混凝土，宽度和厚度分别2.8、0.26 m，路基采用水泥粉煤灰碎石桩(cement fly-ash grave，CFG 桩)处理，桩间距为1.8 m，桩径和桩长分别0.4 m、13 m，如图2 所示。

图2 下穿段徐兰高铁CFG 桩剖面 Figure 2 CFG pile section of the Xulan high-speed railway under the crossing section

2.3 穿越段地质概况

工程位于渭河冲积平原中部，地貌属于渭河北岸二级阶地，场地地形平坦，起伏较小，地面高程区间为395.2～398.8 m，地面高差区间为0.5～1 m。地下水赋存于第四系砂土层中，地下水位埋深区间为12.60～16.40 m，水位高程区间为379.50～383.10 m。

地层自上而下依次为第四系全新统填土，上更新统风积新黄土，残积古土壤层，冲积粉质黏土、砂土等。

3 铁路变形沉降控制标准

3.1 盾构隧道下穿铁路的控制指标

铁路变形控制指标体系主要包括：道床、轨道以及道床-轨道这3 个控制部位。在研究道床变形控制时，主要考虑对沉降变形总量、沉降速率及不均匀沉降的控制；在研究轨道变形控制时，主要考虑的是对轨道的轨向、高低、水平、扭曲偏差等的控制；在研究道床-轨道变形控制时，主要考虑道床与轨道的剥离控制值。

研究盾构下穿对高铁路基轨道的变形影响，需同时结合道床及轨道的变形控制标准，综合考虑。另外，道床与轨道结构剥离的控制标准缺乏，在工程实践中通常采用地质雷达或静力平衡仪试验的方法进行无损监测。

3.1.1 道床变形控制

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GBJ50911- 2013)[3]、《西安城市轨道交通工程监测技术规范》(DBJ61-98-2015)[4]整体道床既有铁路路基沉降值应控制在10～20 mm 之间，如表1 所示。《铁路路基设计规范》(TB10001-2016)[5]中提到为满足结构稳定、线路平顺以及扣件能够调整的要求，避免发生威胁高铁列车运营安全或出现线路损坏导致轨道变位的情况。对于无砟轨道路基产生的工后沉降，需控制在15 mm 内。

表1 既有铁路路基沉降控制值 Table 1 Settlement control value of an existing railway subgrade

3.1.2 线路轨道变形控制

铁路道床的变形，会引起轨道的变形。轨道变形偏差值主要来自于两股钢轨顶面间的水平相对差以及沿线路方向的竖向前后高差。当水平相对差超过允许值时，会引起车辆摇晃，使两股钢轨受力不均，造成钢轨磨损不均。前后高差值超过允许值，会对列车的正常运营造成极大的安全隐患。

《高速铁路无砟轨道线路维修规则》[6]，对高速铁路的线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值，以及线路轨道动态质量容许偏差管理值都做出了相关规定。

3.2 既有工程变形情况统计

隧道盾构下穿既有高铁线路时，引起的变形控制值与众多因素有关，例如：线路等级、路基形态、扣件类型、列车运行速度等。为了更好地结合工程实践，对我国现有的盾构隧道下穿铁路路基案例进行收集统计[7]，选择轨面沉降标准控制值、轨道高低差及相邻轨道水平差进行统计，如图3 所示。

统计结果显示，我国典型下穿工程中，铁路路基的轨面沉降控制值一般在10 mm 以内，轨道的高低差及相邻轨道水平差控制值一般在4～8 mm 之间，相邻轨道水平差控制值数据较少，一般在4～6 mm 之间。

图3 已有工程实践的沉降控制建议值 Figure 3 Recommended settlement control values of existing engineering practice

3.3 变形控制值确定

徐兰高铁自2013 年开通运营以来，共进行了3 次测量，2014 年第1 次、2015 年第2 次的测量结果表明：拟下穿段轨道未发生沉降，2018 年第3 次测量结果表明：该段轨道主要表现为隆起，观测出的最大隆起和最大沉降值分别为1.4 mm、1.3 mm。

徐兰高铁施工误差为-4～+6 mm，为保证高铁安全运行，为列车运行预留5 mm 调整余量，采用的扣件系统调高量为-4 mm～+26 mm。

综合高铁路基工后沉降不宜超过15 mm，目前最大沉降值1.3 mm，扣件剩余可调量在12 mm 以上，并结合既有工程案例，参考现行规范，确定高铁路基总沉降量控制指标为12 mm，变化速率1.5 mm/d。

针对规范对轨道的要求主要是平顺度，盾构下穿对高铁路基的主要影响是产生沉降，根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》、《高速铁路无砟轨道线路维修规则》确定轨道应满足上述规范经常保养的标准如表2 所示。

表2 线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值 Table 2 Allowable deviation management value of a static geometric dimension of a line track

续表

4 盾构下穿高铁路基方案

4.1 既有工程案例分析

总结以往工程的项目概况、工程地质概况、线路条件、工程措施，见表3。借鉴已有研究成果，结合工程实际及既有高铁路基现状，针对西安地铁1 号线三期隧道下穿徐兰高铁无砟轨道路基提出4 种设计方案。

表3 类似工程案例 Table 3 Similar engineering cases

4.2 盾构下穿高铁路基方案

为进一步降低对高铁影响，通过对盾构下穿高铁路基切割CFG 桩、避开CFG 桩、避开CFG 桩且采用竖井内水平加固以及避开CFG 桩且采用地面袖阀管注浆加固4 种方案比选，最终选定盾构下穿高铁路基避开CFG 桩且采用地面袖阀管注浆的加固方案。

选定方案的优点是：盾构区间无需切割高铁CFG桩，对高铁的变形控制较好。盾构通过后可采取洞内径向注浆等加固措施，有利于控制土体变形。通过对盾构上方砂层进行预注浆加固后盾构穿越，在盾构施工过程中可利用袖阀管多次注浆的特点进行跟踪注浆，确保高铁的安全。该方案缺点是：需破除高铁股道间的封闭层进行注浆施工。从地铁工程成本、对高铁路基影响及规范符合性等方面综合考量，此方案能最大限度保证施工安全。

4.2.1 盾构控制措施

4.2.1.1 盾构参数控制

一是盾构施工需严格控制掘进参数，根据掘进效果优化掘进参数。掘进参数主要包括土仓压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶总推力、注浆压力、注浆量、注浆方式、浆体性能、盾构姿态和管片拼装等。

二是同步注浆和二次注浆：为减小对铁路影响，在盾构掘进中，需尽快在盾构脱出后的管片背后空隙中冲填足量的浆液，浆液采用以粉煤灰、砂及膨润土为主的惰性浆液，注浆压力控制在0.25～0.35 MPa 之间，同时需根据地质条件及试验段确定浆液配比、注浆压力、注浆量及注浆时机。二次或多次注浆可弥补同步注浆的不足，使管片、注浆材料和围岩形成整体，改善隧道结构的力学状态，提高隧道止水效果。采用水泥水玻璃双液浆，可确保安全下穿高铁段。

根据本工程实际情况，盾构主要参数建议值如表4所示，施工前需根据试验段进一步确定。

4.2.1.2 刀盘配置

采用适宜的刀盘，根据地区经验，刀盘开口率控制在50%～70%之间，防止刀盘中心结成泥饼，有效防护掘进中粉质黏土及砂层对刀盘、刀具的磨损和冲击，同时采用耐磨刀盘及刀具，刀盘面板、外周焊加复合耐磨板，刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口、刀盘背部以及刀盘支腿边角过渡区加焊高密度耐磨网格，提高刀盘整体的耐磨性能。刀具采用硬质合金刀，提高刀具耐久性。

表4 主要掘进参数建议值 Table 4 Recommended values of the main driving parameters

4.2.2 加固方案

加固具体措施如下：盾构下穿高铁施工前，在徐兰高铁、陇海铁路路基下埋设注浆管(需避开高铁管线等附属设施)，对地层进行预加固，同时兼做跟踪注浆；注浆先进行袖阀管工艺试验，在获取实际注浆参数并总结经验后，先进行陇海铁路袖阀管注浆施工，然后再进行徐兰高铁路基下袖阀管注浆施工。地面袖阀管注浆加固高铁路基后，盾构穿越方案剖面如图4 所示。

图4 盾构下穿高铁路基避开CFG 桩且采用地面 袖阀管注浆加固方案 Figure 4 The scheme of avoiding CFG piles and grouting reinforcement with a sleeve valve pipe on the ground for the shield tunnel crossing the high-speed railway foundation from below

盾构下穿陇海铁路、徐兰高铁施工前，在高铁路基下埋设注浆管，采用ϕ70 单向袖阀管，注浆孔的间距为1.8 m×1.8 m 梅花形布置对地层进行预加固。具体注浆要求如下：

1) 注浆压力建议为0.5～1.5 MPa，注浆压力从0.5 MPa 逐步提高，达到终压1.5 MPa，并持续注浆10 min 以上。浆液采用水泥—水玻璃双液浆，水灰比为0.8∶1～1∶1，浆液中应掺加速凝剂和补偿收缩的膨胀剂，相关浆液参数及注浆压力应在施工前根据试验进一步确定。

2) 注浆孔扩散半径1 m。

3) 钻孔和注浆顺序先外围，后内部，从外围进行围、堵、截，内部进行填、压，同一排间隔施工。

4) 钻进过程中遇涌水或因岩层破碎造成卡钻时，应停止钻进，进行注浆扫孔后再行钻进。

5) 注浆效果检查：注浆完成后，在各加固范围内打设检查孔，检测注浆效果，加固后地层应具有良好的均匀性和整体性。

6) 注浆检查孔在注浆效果检查完成后，应及时采用C15 混凝土进行全孔封堵。

7) 注浆结束标准：达到设计注浆压力或注浆量达到设计注浆量的80%以上。

根据试验方案针对袖阀管工法的浆液类型、注浆压力等具体参数结合实际地层进行调整，并对加固体强度进行检测。在获取实际注浆参数并总结经验的基础上，进行陇海铁路袖阀管注浆施工，最后进行徐兰高铁路基下袖阀管注浆施工。

4.2.3 其他配套控制措施

4.2.3.1 加强盾构控制

在盾构施工之前，需要对盾构设备进行检修，使盾构机达到最佳的状态，并调整好盾构姿态，保证盾构匀速、连续不停机穿越；由盾构机的径向孔向盾构机的盾体外注入克泥效[12]，及时填充盾体和开挖土体间的空隙，并且根据现场监测情况随时调整注入量和注浆压力。

4.2.3.2 洞内径向注浆措施

下穿徐兰高铁段采用特殊管片增设注浆孔，盾构通过后，及时对地层进行径向注浆，管片增设注浆孔，采用管片背后环箍注浆，在盾构通过后对地层进行加固：3 m 圆形范围进行注浆，让砂层内形成 “保护拱”。同时，提高管片强度，并将管片注浆点由常规的6 个增加至16 个，同步加入1∶1 水玻璃—水泥双浆液，缩短注浆凝结时间。

4.2.3.3 设置盾构试验段

盾构下穿高铁施工前设置两段试验段，一是盾构下穿陇海铁路前120 m 设置试验段，通过试掘进总结优化盾构参数；二是盾构下穿陇海铁路作为下穿高铁第二试验段，进一步优化盾构参数。

4.2.3.4 采取自动化实时监测措施

采用精细化的自动监测和自动补偿、即时预警等多种功能的盾构隧道施工变形控制技术，实现“动态监测、动态预警、动态响应”。根据实时监测反馈的数据，迅速反应，随时调整施工参数。

4.2.3.5 高铁限速措施

为确保高速铁路安全，在盾构隧道施工时对既有高速铁路运行速度进行限制，限制最高时速为80 km/h，综合考虑地铁施工影响范围、移动信号设备安放距离及列车长度等因素，暂定限速范围600 m。

4.2.3.6 成立应急联动指挥部

建议由市政府牵头，轨道公司、铁路局以及相关设计、施工、监理、第三方监测等单位联合，形成铁路与地铁应急联动机制，成立应急联动指挥部，设日常办事机构，在工程实施阶段驻点监控，每日召开协调会和总结会，及时协调处理相关事宜。

4.3 方案效果

为研究盾构隧道下穿高铁路基的实施效果，利用有限元软件建立三维模型，土体、道床等采用实体单元模拟，桩基础采用桩单元模拟。设置好计算工况后，模拟盾构隧道避开CFG 桩，从其底部3.235 m 处下穿高铁的全过程，隧道埋深约18.415 m，隧道拱距离CFG桩底3.235 m。在模拟盾构下穿时采用自动约束边界，模拟车辆荷载。计算特征值时采用弹性边界；计算变形时采用黏性变形。计算荷载主要考虑土体竖向自重、道床自重、车辆荷载。计算工况根据施工工序进行单元的移除与激活，模拟地铁隧道开挖的应力释放过程。计算结果如图5～7 所示。

计算结果表明：在进行袖阀管注浆加固后，区间隧道盾构穿越施工完成后，道床的最大竖向位移集中在穿越段中间，最大值4.716 mm，最大水平位移仅为0.301 mm；CFG 桩的最大竖向位移为11.93 mm。道床和CFG 桩的竖向位移较小，因此袖阀管注浆加固对于限制道床与CFG 桩竖向位移效果较好，上述盾构、加固方案可行。

图5 道床竖向位移 Figure 5 Vertical displacement of a track bed

图6 道床水平位移 Figure 6 Horizontal displacement of a track bed

图7 CFG 桩位移 Figure 7 Displacement of a CFG pile

5 影响分区分析

5.1 考虑双洞净距和埋深的数值模拟计算

为了分析隧道开挖对既有铁路干线的影响程度及规律，考虑下穿隧道间净距、埋深不同的相对关系，借助仿真软件建立16 种工况进行分析，通过计算每个工况，获得了不同工况下高铁路基的最大沉降，如表5 所示。

表5 数值计算工况及各工况下高铁路基最大沉降 Table 5 numerical calculation and maximum settlement of high-speed railway subgrade under various working conditions

5.2 判别准则表达式确定

下穿类型只选择既有高铁路基沉降作为判别准则，故基本判别准则表达式可简化为：

通过确定综合系数K、埋深比影响的修正系数a0、位置关系(角度)影响的修正系数a1、施工方法影响的修正系数a2、地质条件影响的修正系数a3，以及洞净距比影响的修正系数a4可得到影响分区判别式。

当S/D=1 时的路基最大沉降值为4.656 mm，以此为基准，则有综合系数K=4.656。角度影响的修正系数a1以87°为基准；施工方法影响的修正系数a2以盾构法为基准；地质条件影响的修正系数a3以本文中提到的地层条件为基准；以正常使用结构为基准确定既有结构物劣化程度影响的修正系数a5；以常规施工为基准确定对策措施影响的修正系数a6。通过路基沉降与埋深比A(H/D)及S/D的统计关系确定其余修正系数。

最终可以得到

5.3 判别准则及阈值

在进行隧道工程近接既有工程影响分区需要基于一个判别准则，选择一个作为衡量影响程度的判别指标，如表6 所示。位移准则采用隧道工程近接施工引起既有工程结构的空间位置变化量划分影响区域。当既有工程结构出现地表沉降大、基础不均匀沉降以及隧道纵向位移大等情况时，导致既有结构安全性降低或者功能使用性能下降时，应选择位移量来划分近接影响区域。盾构隧道上方为运营铁路，首先应确保地面沉降不影响铁路运营安全，故笔者采用位移准则作为判别准则。研究表明：高铁路基与轨道协同变形，故采用路基竖向变形位移作为判别指标。如3.1 节及3.2 节所述，本工程的路基变形控制标准为沉降不大于12 mm。以路基沉降值12 mm 和4 mm 作为强弱影响分区的控制界线。既有工程受到不同影响的分区，具体可划分为3 类，分别为强影响区A、弱影响区B 以及无影响区C，如表7 所示。

表6 分区判别准则 Table 6 Zoning criteria

表7 影响分区判别阈值 Table 7 Discrimination threshold of affected zones

5.4 盾构隧道影响区确定

根据表7 的判别阈值标准，即可得到关于H/D 和S/D 的分区界线。分区则为关于H/D 和S/D 的几个点集：

通过式(4)可以得到对应路基最大沉降量分别为4、12 mm 时的关于S/D 与H/D 的两个控制方程，以S/D 为横坐标，H/D 为纵坐标，则可得到分别对应弱、无影响分区和强、弱影响分区界限的两条曲线，见图8。从关于埋深比和近接度的影响分区中可以看到，分区界线随S/D 增大，对应的埋深先是迅速减小，然后减速趋缓，最后趋向一定值。

图8 关于S/D 与H/D 的影响分区图 Figure 8 Zoning diagram of S/D and H/D

6 结论

盾构下穿高铁路基沉降控制标准及控制措施，主要结论如下：

1) 通过对既有高铁的现状调查，目前最大沉降值1.3 mm，高铁轨道扣件剩余可调量在12 mm 以上，结合工程案例及现有规程规范，确定高铁路基总沉降量控制指标为12 mm，变化速率1.5 mm/d，轨道几何尺寸满足规范经常保养的标准。

2) 从工程地质、现场施工条件及对既有高铁的扰动程度分析，结合徐兰高铁无砟轨道沉降控制要求和无砟轨道的维修难度，为最大限度保证安全，确定该工程采取直线正交、增大地铁线间距、下压线路避开高铁路基CFG 桩、且采取地面袖阀管注浆的方案。

3) 进一步提高工程安全保障系数，加强盾构控制措施(克泥效、同步及二次注浆)、洞内径向注浆、自动化监测及限速等综合措施，可确保高铁的运营安全。

4) 下穿方案优于低线路埋深，隧道拱顶距离CFG桩底的竖向净距为3.235 m，计算所得的轨道变形及应力各项指标满足规范规定的轨道变形及强度要求。利用高铁道床两侧地面对高铁路基进行袖阀管注浆加固，经模拟计算采取袖阀管注浆加固措施后高铁道床的沉降最大值4.716 mm，最大水平位移仅为0.301 mm。

5) 从关于埋深比和近接度的影响分区中可见，分区界线随S/D 增大，对应的埋深先是迅速减小，然后减速趋缓，最后趋向一定值。结合盾构隧道概况，可以判断盾构下穿段徐兰高铁咸阳秦都站场结构处于弱影响区。