洛阳轨道交通2号线盾构区间下穿洛阳火车站安全分析

魏哲奎

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300133）

0 引言

随着城市化的推进，我国越来越多的城市开始修建轨道交通来解决拥堵问题。但是城市轨道交通在修建过程中，不可避免会碰到需要下穿地面既有建构筑物的问题。而盾构法是修建地铁区间隧道中应用最广泛的方法，具有快捷、对环境影响小的优点。

铁路作为城市间通行的重要交通工具，其站台通常设置在城市的核心地段，因此城市轨道交通盾构区间下穿既有铁路的工程也越来越多。铁路在运行期间对于地面沉降等影响较为敏感，如何保证在盾构下穿铁路过程中，将其对铁路轨道的影响控制在其安全范围内，以确保工程的顺利推进，是工程项目的关键点。本文将结合洛阳市轨道交通2号线机场路站—洛阳火车站区间隧道下穿洛阳火车站铁路路基的工程案例，通过MIDASGTS有限元软件进行三维数值模拟，对盾构施工过程中对铁路轨道的影响进行分析。

1 盾构施工引起地层变形的机理分析

国内外大量盾构建设经验表明，盾构施工会对地层产生影响，引起地层变形。地面沉降的基本原因在于挖掘带来的松动和破坏。通过现场观察可知，盾构施工带来的变化涉及盾构抵达前产生的凸起、盾构抵达后产生的沉降、盾构按照地表的沉降效果、盾构按照地表的沉降等级、地表后期的降解等五个方面。从盾构工程带来的隆起及表面的质量元素变化来看，控制盾构施工数值，如引力、推动速度、正面土压、同步注浆量、重力等，能稳定控制所形成的地面失衡效果。

2 工程概况

洛阳轨道交通2号线机场路站—洛阳火车站区间左右线自北向南下穿陇海铁路洛阳火车站路基段，共计穿越铁路11股道，其中包括陇海上行下正线，其余为到发线及段管线，与站场内铁路平面交角为86°，与站场北侧段管线夹角为77～86°。该段区间左右线为直线段，平面线间距17m，隧道结构顶距离地面约13.4m。铁路隧道与洛阳火车站铁路轨道相交区域地层较复杂，从上向下依次为：填筑土、黄土状黏质粉土、粉质黏土、卵石、泥岩等，盾构穿越范围内的土质为粉土和黏土，见图1。

图1 下穿陇海铁路竖向位置关系图

3 区间下穿洛阳火车站的变形控制标准

根据郑州铁路局的要求，同时结合国内同类工程的相关经验，铁路线路轨道静态几何尺寸容许偏差按照经常保养标准、轨道动态质量容许偏差按照Ⅰ级保养标准的要求来制定本次盾构施工期间铁路轨道的变形控制值标准，具体为：静态检测钢轨水平偏差不得超过6mm；相邻两股钢轨高低偏差不得超过6mm；轨距偏差控制在-4～6mm；静态检测相邻两股钢轨三角坑不得超过6mm。路基最大沉降值小于等于10mm、普通区段地面最大沉降值小于等于30mm。

4 有限元三维数值模拟分析

为评估盾构隧道施工过程是否影响陇海铁路的正常运营，本工程采用有限元软件MIDAS/GTS分析盾构隧道下穿施工对陇海铁路路基、轨道变形的影响。

4.1 基本假定地表隆起对列车运行的影响

因岩土材料的物理力学特性较复杂，若完全按照其力学特性进行模拟较困难。在运算与建模时，需考虑关键因素，忽略次要因素，结合工程问题对分析验算进行简化。故本次数值模拟中采用了如下假设：

（1）围岩土体材料为均质、各向同性的连续介质；

（2）隧道的受力和变形按平面应变问题进行计算，计算结果一般偏安全；

（3）在初始应力场模拟时不考虑构造应力，仅考虑自重应力的影响；

（4）管片按均质弹性圆环模拟。

4.2 计算分析

采用有限元软件进行仿真模拟分析，将新建盾构隧道、既有铁路股道按实际情况建立仿真模型。进行仿真模拟的原则如下：

（1）初始应力场的模拟：根据勘察钻孔揭露的土层情况及力学试验情况，建立原始的土层分层及土层力学特性模型，并计算盾构施工前的应力原始数值；

（2）连续介质的模拟：有限元数值计算运用莫尔—库伦（M-C）土体弹塑性模型，铁路股道均采用线弹性的钢筋混凝土实体模拟；

（3）边界条件的模拟：对计算土体的底部及侧面分别进行位移约束，地表为自由面；

（4）施工工况模拟：通过有限元软件的激活单元、钝化单元模拟左右线盾构施工对各高铁桥墩的影响。

本次模拟计算建立的几何模型如图2所示。

图2 有限元计算整体几何模型

采用Midas GTSNX有限元程序模拟盾构隧道施工等工况对铁路股道的影响，仿真结果见图3、图4。

图3 隧道施工地层竖向位移云图（单位：mm）

图4 隧道施工地层水平位移云图（单位：mm）

由图3～图4可看出，盾构隧道掘进引起地表沉降，进而引起股道路基变形。当左线盾构隧道掘进通过铁路路基时，上方铁路股道路基产生了一定程度的变形，最大沉降位置基本位于隧道上方的铁路路基，沉降槽呈V形，沉降槽宽度约为28m。左右线贯通完成后的贯穿铁路股道路基最大沉降值较左线贯通时的最大沉降值有所增加。并且，在右线隧道开挖完成后，沉降槽的宽度由之前的28m增加到42m左右。由此可看出，右线隧道的开挖对铁路股道形成了二次影响。各股道路基沉降如表1所示。

表1 隧道施工引起各股道路基最大竖向位移值 单位：mm

陇海铁路洛阳站站场有到发线7条、正线2条。由表1可知，由于股道距离较近，在盾构隧道通过后，股道的沉降值及沉降趋势较为接近。在左线盾构隧道挖掘的路线行程偏转后，前后钢轨的最宽沉降范围为0.01mm；在双线盾构隧道挖掘深度形成影响后，前后钢轨的最大沉降数值达0.02mm。差异沉降的绝对数值不断降低，说明盾构工程的轨道会产生一定的沉降，该数值并未超越6mm的沉降数值界限。

5 施工建议

洛阳火车站内铁路股道及铁路设施设备较多，运营期间客货运及调车作业较为繁忙，对铁路路基及站台雨棚结构变形控制较为严格，对线路稳定性及平顺性要求较高。洛阳轨道交通2号线工程机场路站—洛阳火车站区间从洛阳火车站下方穿越，施工及运营会使土体变形、地表产生沉降。为确保铁路运营安全，建议采用如下措施：

（1）隧道下穿段采用盾构法、土压平衡盾构机掘进，隧道管片外径为6.2m，厚0.35m，穿越段管片采用加强型配筋。应对穿越段工程地质及水文地质条件进行详细调查，分析盾构机在洛阳地区地层中的适应性，并结合穿越铁路工程的特点优化盾构机，建议增加盾构机预留克泥效工法。

（2）盾构掘进前应全面检查设备状况，避免穿越铁路过程中停机，盾构停机复推时往往推力增大，对周边岩土体的扰动变大。

（3）盾构施工应及时进行同步注浆，同步注浆量应较其余普通地段加大，浆液配比应饱满均匀，可适当增大浆液稠度，并控制好注浆压力。

（4）盾构管片拼装后应加强二次注浆。

（5）盾构施工前应再次调查上方铁路线路及设备情况，避免遗漏地下建构筑物，并对既有设备构筑物进行复测，确保掌握影响范围内各建（构）筑物现状情况。

（6）施工期间应加强对铁路路基及相关设备的变形监测，并根据监测结果判断盾构施工的影响，一旦监测出异常，应立刻启动预备方案。

（7）建议盾构穿越前，对上方影响范围内的铁路股道采用扣轨加固等技术措施，保证轨道沉降及位移满足铁路运营要求。

（8）盾构施工期间，铁路站场范围内禁止抽取地下水，并做好施工期间的防排水工作。

（9）在施工期间应与铁路部门保持密切沟通，及时了解铁路站场运营情况，并将盾构施工情况实时上报铁路管理部门，做到信息沟通顺畅，发现问题及时处理。

6 结语

在洛阳粉质黏土地层中，盾构施工下穿既有铁路的影响可控制在不影响铁路正常运行的安全范围内，但盾构施工过程中的掘进参数对地层的变形影响较大，因为盾构掘进会对四周土体产生挤压，导致土体变形，如该变形量达到一定数值就会影响（构）筑物的稳定性。因此在施工过程中须采取控制措施确保施工各环节的安全性和稳定性，保证工程质量。