盾构隧道与箱涵交叠下穿铁路稳定性控制措施研究

向 超

（1.中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州 072750；2.福州大学土木工程学院，福建福州 350108）

1 引言

保持隧道施工过程中地层稳定对于地下管线设施和地上建筑结构的安全与稳定具有重要意义，而隧道开挖过程中地层的稳定很大程度上受到施工方案影响[1-2]。因此，选择一个最优施工方案对于隧道工程的顺利施工和保持地层稳定至关重要。目前关于隧道或者箱涵施工过程中对地层稳定采取控制措施的研究很多。例如，富水地层隧道施工极易引起开挖面失稳，刘德安[3]等基于离散元和现场调查分析开挖面失稳和围岩变形破坏特征，提出超前帷幕注浆，并通过实际工程检验证明加固效果良好，可以有效确保大断面隧道安全施工。张民庆[4]等以上阁村隧道穿越富水黄土地层为背景，开展富水黄土隧道地表深孔刚性袖阀管注浆试验研究，最终得出地表深孔袖阀管注浆可以有效加固地层，提高地层自稳能力。Song[5]针对软弱地层下隧道施工方法和围岩稳定性问题，以桃树坪隧道为背景，通过比较传统施工方案优缺点，提出一种新的隧道施工方法——双头超前施工法，并通过数值模拟，证明双头超前施工法对围岩的稳定性控制有较好效果。Zhang[6]以重庆地铁6 号线为背景，研究三角形分布的三线地铁隧道地下通道高速公路最佳开挖顺序和相应的控制对策，然后利用MIDAS有限元仿真软件分析开挖顺序对隧道围岩变形和应力，支护结构应力等的影响。Shi[7]以长沙营盘路水下隧道工程为依托，在传统水下隧道穿越功能基础上，设计了地下立交隧道，提出一种考虑加固控制措施的水下隧道最小埋深确定方法，克服水下超大断面隧道施工多作业多断面的困难。陈炜韬[8]等则以海底隧道为背景，通过试验研究注浆、锚杆等措施对围岩和开挖面的加固效果，然后分别从破坏荷载和位移以及支护安全性分析加固措施对隧道稳定性的影响。王学斌[9]和张顶立[10]等为避免隧道施工引发邻近建筑产生大变形，以隧道穿越建筑群的工程为背景，结合数值模拟、理论计算以及现场监测数据分析隧道开挖引起的建筑物变形规律，然后据此采取注浆加固等相应的保护措施，保持隧道开挖过程中地层及建筑的稳定。Ma[11]和Wang[12]等从箱涵隧道的角度探讨开挖时的施工稳定性及加固技术，提出3 种方案保障特大矩形隧道和高铁施工安全，并通过分析轨道受力、轨道沉降、安全系数和风险评估结果，得出方案的加固效果。

当下国内外学者对于盾构隧道或者箱涵顶进施工过程中围岩稳定性控制措施做了很多研究[13-16]，但是对于隧道和箱涵交叠下穿铁路同步施工研究不多。众所周知，隧道与箱涵交叠开挖引起的土体扰动是不均匀的，过大的地层沉降变形会引起上部轨道结构产生差异沉降及结构破坏。与此同时，对于多线施工工程，存在一个施工顺序的问题，因为即使相同地质条件、施工工法，当施工顺序不同时，对土体的扰动程度不同，土体的力学状态产生差异，最终会形成不同的结果。因此，文章依托厦门地铁6 号线，通过数值模拟和现场监测数据对不同施工方案、盾构左右线隧道开挖顺序、箱涵围岩，以及铁路路基加固措施进行对比分析，从而得出最优施工方案与加固措施，以确保隧道与箱涵正常掘进和铁路安全运行。

2 工程概况

厦门地铁6 号线角海路站 — 社头站区间线路出角海路站后沿翁角路偏北下穿海沧铁路支线，其区间采用盾构法与箱涵施工，出入段线以顶进箱涵形式下穿铁路，角海路站 — 社头站区间以盾构形式2 次下穿铁路。区间左线ZDIK6+349.124 与海沧支线交叉，盾构隧道与铁路轨顶标高净距为13.99 m，箱涵与铁路轨顶标高净距为5.2 m，下穿段地层主要为素填土、淤泥质土、凝灰熔岩残积黏性土等；区间右线DIK6+306.65 与海沧支线交叉，盾构隧道与铁路轨顶标高净距为13.92 m，箱涵与铁路轨顶标高净距为5.2 m，下穿段地层主要为素填土、凝灰熔岩残积黏性土等。

3 隧道与箱涵交叠下穿铁路开挖方案

隧道与箱涵在施工过程中易造成地层扰动，导致既有铁路路基及地层发生位移变形。若变形过大，则可能影响铁路运营。因此，需要严格控制铁路路基及各土层的沉降变形。尽管国内外学者针对隧道开挖顺序已做大量研究，但对于隧道交叠箱涵下穿铁路同时施工情况的研究几乎没有。

为选出最优的隧道与箱涵开挖方案以使得铁路路基及地层变形最小，针对角海路站 — 社头站区间下穿铁路实际工程建立三维计算模型，如图1 所示。基于此模型，设定如表1 所示的5 种隧道与箱涵交叠下穿铁路开挖方案。通过对5 种方案进行特征位置点位移、应力、地表变形、铁路路基变形分析，选出最优开挖方案。

表1 隧道与箱涵开挖方案

图1 隧道与箱涵交叠下穿铁路三维计算模型

3.1 特征位置点竖向位移

所选择特征点位置：①②③④分别为隧道右线、左线拱底和拱顶；⑤⑥⑦⑧为箱涵右边、左边底部和顶部中心；⑨为地表处隧道与箱涵线路中心线位置；⑩为铁路中心线位于隧道与箱涵线路中心线上方位置。各特征位置点不同工况下随着隧道与箱涵开挖发生的竖向位移变化如图2 所示。由图可知，特征位置点 ①③⑤⑦的竖向位移为正值，而②④⑥⑧⑨⑩的竖向位移为负值，其原因为在土体重力、列车荷载等外力作用下，隧道与箱涵底部发生回弹，地表、铁路路基、隧道与箱涵顶部产生沉降，由于定义Z轴正向为竖直向上，故表现为回弹位移为正值、沉降位移为负值。在施工完成后，之所以会产生较大位移，原因是隧道与箱涵的开挖导致地层损失，同时在列车荷载作用下，进一步使得土层所受到的变形增大，再作用于盾构隧道与箱涵，导致管片产生较大位移变形。尽管存在有些工况的位移值相差不大，很难去判定工况好坏程度的情况，但对特征位置点位移的研究，可以更深刻了解整个开挖过程变形特征。

图2 各特征位置点竖向位移

3.2 特征位置点应力规律

隧道与箱涵施工顺序的不同，对于隧道管片与箱涵以及地层均会产生不同的力学特性，若要准确判断施工顺序的优劣，确保安全施工，对盾构隧道与箱涵开挖产生的力学行为进行研究是验证安全性的重要举措。不同工况无列车荷载作用下，10 个特征位置点开挖完成后的应力值如图3 所示。可知在工况1、2 和工况 3、5条件下，各特征位置点的应力相近，在地表和铁路路基上，各工况间影响较小，但对于隧道与箱涵拱顶与拱底，工况1 与工况2 明显比其他3 种工况产生的应力值要小。但现场施工过程中，对于近距离双隧道一般采取先后施工，因为同步施工对于安全性控制难度剧增。故在工况1、工况2 应力值相近情况下，应优先考虑工况2。

图3 特征位置点最大主应力值图

在盾构隧道上部进行箱涵开挖，相当于对盾构隧道进行一定程度卸载，隧道在箱涵开挖过程中拱顶会向上变形，且因为箱涵并非处于盾构隧道正上方，盾构隧道管片将会产生偏压；在箱涵底部进行盾构隧道开挖，将会造成一定程度的土体损失，继而对隧道上覆土层产生影响，并传递至箱涵，箱涵底部将会向下变形，同样箱涵会产生偏压。但由于土体自身具有一定的抗剪强度，这种因为盾构开挖而造成的土体损失及其他力学作用，将会得到一定程度的减弱。

3.3 地表变形研究

3.3.1 地表横向变形

地表横向变形曲线如图4 所示，其类似于“V”形关于箱涵中心线对称，且越靠近线路中心线处，地表横向变形值越大，并在中心处地表横向变形最大。自线路中心线向两边地表横向变形值越小。

图4 地表横向变形

其主要原因是盾构左右线隧道中心线关于箱涵中心线对称。由沉降变形叠加规律可知，地表横向变形监测点越靠近箱涵线路中心线位置处，土体受到的作用力影响越大，土体会呈现向箱涵中心移动趋势，故在箱涵中心处地表变形值取得最大值；越远离箱涵中心，这种作用力的影响就越小，而且土体本身具有自稳能力，有一定的抗剪强度抵抗这种因为施工而造成的影响。故此，由于土体的抗剪强度，越远离箱涵线路中心线位置处，土体移动变形越小。在地表横向左右两端位置处，地表位移的大小趋近于0。且5 种工况中，所产生的竖向位移均是在工况2 条件下产生的竖向位移最小。

3.3.2 地表纵向变形

如图5 所示，与地表横向变形关于隧道箱涵中心线对称不同，地表纵向变形仅表现为越靠近纵向中心截面处，地表变形值越大；越远离纵向中心处，地表变形值越小。在纵向前后两端位置处，地表位移值并未趋近于 0，而是仍然较大。

图5 地表纵向变形

其原因在于隧道与箱涵开挖过程中，原土体应力状态遭到破坏，应力发生重分布，土体抗剪强度不足以抵消此部分应力时，周围土体发生小位移变形。随着隧道与箱涵继续不断向前掘进，隧道与箱涵周围土体的变形与位移不断累积并传至地表，造成地表产生较大位移。

3.4 最优开挖方案

针对5 种不同施工方案，利用数值软件，得到不同开挖方案下盾构左右线与箱涵应力、变形及地表位移。5 种不同工况在位移变形规律上相似。选取的10 个特征位置点均是在工况2 条件下产生的竖向位移最小。地表横向变形关于隧道与箱涵中心线对称，越靠近中心线，位移变形越大。在工况2 条件下产生的地表横向和纵向变形最小，在工况3 条件下产生的地表横向和纵向变形最大。在先开挖隧道、后掘进箱涵情况下，由于上部箱涵开挖导致隧道上方原有的土体荷载发生了转移，将会在一定范围内引起应力重分布，导致隧道两侧受力增大受到挤压，造成盾构隧道的应力增大。而先箱涵施工、后盾构开挖，将会造成一定程度的土体损失，但是由于土体本身具有一定的抗剪强度，能够抵消一部分作用，故优先考虑箱涵先施工。

综上所述，5 种不同工况，其中工况2 最优，开挖造成的盾构隧道与箱涵应力、变形、地表位移最小。因此，最优开挖方案是：先箱涵开挖、后盾构右线开挖、再左线开挖。

4 加固方案对盾构隧道与箱涵影响

目前，对于地层以及隧道加固方式很多，包括注浆加固、冻结法、管幕法等。但由于箱涵距离铁路较近，常规注浆加固无法满足要求，故在采用注浆加固的同时，还需采取其他措施，以确保下穿铁路过程中开挖面的稳定与铁路的安全运营。对此，设定了6 种不同的加固方案，分析不同加固方案对隧道与箱涵开挖面稳定影响。

4.1 加固方案对隧道与箱涵开挖面影响

在对箱涵进行管幕加固的情况下，由于箱涵距离铁路较近，故在采用注浆加固同时，铁路下部路基采用梁 -桩组合结构进行联合加固，通过加固D 型便梁承载路基，便梁架设在支墩上。加固区材料物理力学参数如表2 所示。

表2 加固区材料物理力学参数表

以厦门地铁6 号线为背景，设定了6 种加固方案，如表3 所示。探究不同加固方案对盾构隧道与箱涵开挖面主动破坏的影响，并进一步探究不同加固方案对盾构隧道与箱涵极限支护应力的影响规律，为工程实际提供参考。

表3 加固方案

不同加固方案隧道与箱涵发生主动破坏时的位移云图如图6 所示。因盾构左右线隧道开挖面主动破坏位移云图几乎一样，故只选择一侧进行对比分析，由图可知，加固措施对隧道与箱涵稳定性有积极作用，使得盾构隧道与箱涵在发生主动破坏时，更具有自稳性能。一定程度上，加固效果相当于增大了土体内摩擦角与黏聚力，从而使得盾构隧道与箱涵开挖面自稳性更强。

图6 不同加固方案隧道与箱涵主动破坏位移云图

在未加固情况下，由于箱涵埋深较浅，主动破坏时，变形发展至地面，而隧道因为上部存在箱涵的缘故，其破坏模式由三维刚性旋转体与圆锥体组成。随着隧道、铁路路基的加固，盾构隧道与箱涵开挖面附近破坏土体慢慢变为只发生在开挖面前方，而不会向上发展。相比于仅加固单一结构，盾构隧道与铁路路基两部分结构加固效果更好。且对盾构隧道进行加固，而未对铁路路基进行加固，由于箱涵上部距离铁路线路较近，当盾构隧道距离箱涵距离较近时，便处于箱涵的塑性扰动区，箱涵发生主动破坏，所产生的塑性扰动也会影响盾构隧道稳定性。故为减弱各结构间的相互扰动效应，需对各结构进行加固。与此同时，与其他加固方案相比，铁路路基和和隧道各加固3 m 情况下的隧道与箱涵开挖面破坏很小，此时能满足施工安全所需。

4.2 加固方案对结构变形影响

由图7 可知，由于铁路路基加固缘故，使得地表纵向位移不同于地表横向位移在中心坐标处取得最值，而是在路基加固纵坐标末端。同理，A3+B0 加固方案，箱涵拱底、拱腰、拱顶处的变形，相比于A0+B3 加固方案有一定的减小。在铁路路基与盾构隧道都进行加固的情况下，随着加固范围扩大，加固效果越发明显，各点沉降变形值也越来越小。

5 现场实测结果

5.1 变形监测分析

现场各监测点连续监测30 日所记录的各实测点的位移变化曲线如图8 所示。由图可知，地表、管片拱顶和箱涵顶部位移均有随监测次数的增多逐渐增大的趋势，而隧道管片净空收敛无太大变化，表明盾构隧道与箱涵交叠下穿铁路过程中，地表变形、盾构隧道拱顶位移、箱涵拱顶位移受扰动较大，即使对各结构进行加固处理，仍产生较大的沉降变形。不同监测点的位移变形并不相同，存在一定的差异，出现此情况原因为不同监测点所处位置不同，受到的列车荷载作用、盾构隧道与箱涵掘进过程的扰动作用不同，导致最终的沉降变形存在差异。与此同时，越临近铁路路基，沉降变形值越大。部分地表实测点变形偏大，超过允许沉降控制值15 mm，影响着货运铁路的行车安全。虽然加固方案A1+B1、A2+B2、A3+B3 均满足最大允许沉降值不超过15 mm，但加固方案A1+B1、A2+B2 却不满足差异沉降控制值不大于5 mm，只有加固方案A3+B3两者皆满足。故对于盾构隧道与箱涵的加固方案，可选择方案A3+B3，即：除在铁路路基采用梁-桩组合结构进行加固、箱涵周围布设管幕之外，对铁路路基进行袖阀管注浆加固，加固范围是路基以下3 m；隧道加固采用袖阀管注浆加固方式，加固范围是隧道横向竖向范围外3 m。

图8 现场实测点位移变化曲线

5.2 支护应力分析

在实际工程中，因盾构左右线是错开掘进，且铁路线路与隧道和箱涵掘进方向并非正交，故在数据记录过程中，两者数值存在一定的偏差。如图9 所示，盾构左右线隧道与箱涵开挖面支护力实际值都在一个范围内波动，箱涵开挖面支护力介于60～75 kPa，盾构右线与盾构左线开挖面支护力介于100～120 kPa。加固后的数值结果，即与箱涵开挖面极限支护力80.53 kPa、盾构隧道开挖面极限支护力149.56 kPa 相比，数值结果略大于现场实际支护力值。

图9 支护力变化曲线图

出现此情况的原因主要有2 种，从数值角度出发，土层参数设定、本构模型选择、各部件构建、施工模拟，均进行一定程度简化，相对于现场实际有些理想化。但总体而言，数值与现场实测结果较为吻合，一定程度上能够通过数值结果反映现场实际，为现场工程进行指导以及为类似工程提供借鉴。

6 结论

文章依托厦门地铁6 号线，基于FLAC3D 和现场监测数据对隧道和箱涵交叠下穿铁路施工工况及铁路路基加固措施进行分析，通过对施工过程中结构特征位置点、地表变形及铁路路基变形进行分析选出最优开挖方案，以及对施工过程中的加固措施进行评价，最终得出以下结论。

（1）针对5 种不同开挖方案，从结构特征位置点、地表变形及铁路线路路基变形进行深入研究，得出最优开挖方案为：先箱涵开挖、后盾构右线开挖、再盾构左线开挖。该方案造成的盾构隧道与箱涵变形、地表位移最小。

（2）在未进行加固的情况下，箱涵发生主动破坏时，变形发展至地面。随着盾构隧道、铁路路基加固，盾构隧道与箱涵开挖面附近破坏土体慢慢变为只发生在开挖面前方，而不会向上发展。相比于只对单一的结构进行加固，隧道与铁路路基均加固效果更好。

（3）从现场监测数据分析，地表位移、管片拱顶位移、箱涵顶部位移均随时间逐渐增大，而隧道管片净空收敛无太大变化。盾构左右线隧道与箱涵开挖面支护应力监测值都在一个范围内波动，箱涵开挖面支护应力介于60～75 kPa，隧道开挖面支护应力介于100～120 kPa，数值结果略大于实际支护应力值，但总体而言，数值与现场实测结果较为吻合。