中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430050

隨著我國地方經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市地鐵隧道的開發(fā)建設如火如荼，隧道穿越既有鐵路線的工程案例也不斷涌現(xiàn)。一方面，盾構法因其經(jīng)濟、安全及高度自動化等優(yōu)點，在穿越土質地層的地鐵隧道開挖工程中得到廣泛應用；另一方面，盾構機掘進施工會改變原始土層的初始應力場，擾動土體使地下水流失，導致土體位移，引起地面變形沉降，進而加劇鐵路線路變形和軌道的不平順，增加輪軌間的沖擊力，破壞軌道架構和基床，對鐵路運營安全產(chǎn)生嚴重影響[1]。因此，下穿鐵路線的隧道盾構施工中地面的沉降控制對于鐵路的運營安全至關重要。

1 文獻綜述

現(xiàn)階段各國研究人員在研究隧道盾構施工地層變形規(guī)律時，依托具體的工程實例，提出了經(jīng)驗法、現(xiàn)場實驗法、數(shù)值模擬法、模型實驗法等方法，并取得寶貴的成果[2-5]。目前，對于地表橫斷面沉降預測應用最廣泛的是Peck公式[6]，該公式是根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計得出的經(jīng)驗公式，其地表沉降形狀近似高斯曲線。Attewell[7]認為隧道的開挖導致地層沉降曲線類似高斯曲線，其采用不同的計算公式計算沉降槽寬度，對Peck公式進行了修正。姜忻良等[8]以天津地鐵1號線某區(qū)間盾構施工為例，在區(qū)間端頭布設分層沉降以及土體測斜孔，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)距離隧道越近的土體受盾構施工擾動越大。璩繼立等[9]對上海地鐵某軟土地層區(qū)間進行沉降監(jiān)測，得到沉降曲線形狀除了受施工參數(shù)的影響，隧道埋深也是影響沉降分布特征的重要因素。鄭宜楓等[10]以上海大型泥水平衡盾構在上中路隧道的施工為例，對泥水平衡盾構施工中周邊土壓力、地表沉降進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)沉降主要發(fā)生在后期沉降階段。孫玉永等[11]在上海某區(qū)間雙線隧道采用土壓盾構施工時布設了分層沉降監(jiān)測和土體測斜監(jiān)測點，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到盾構通過測點不同階段時的深層土體沉降和水平位移特征。李博等[12]通過對成都地鐵某區(qū)間盾構施工地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到區(qū)間沉降寬度槽的取值范圍。方勇等[13]以具體工程為例，采用Flac3D軟件對土壓平衡盾構開挖進行模擬，考慮到盾構機后面臺車的影響，得到地表沉降隨盾構推進的變化，地層埋深不同其縱向變化規(guī)律有差異。由上述可知，關于隧道開挖對地表的沉降研究較為豐富，但針對盾構隧道穿越既有鐵路對線路結構影響的研究仍涉及較少。

文章以南通地鐵2號線工程南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)間盾構下穿寧啟鐵路南通東火車站站場為背景，結合現(xiàn)場沉降監(jiān)測，采用Midas三維有限元軟件對隧道盾構穿越鐵路線進行數(shù)值建模，研究了地基無加固措施及注漿加固措施下隧道盾構施工對地面變形的影響。計算結果表明，地面注漿加固措施對控制鐵路線區(qū)域沉降效果較好，盾構施工工程現(xiàn)場采用地面注漿加固措施后取得了良好效果。

2 工程概況

南通地鐵2號線位于江蘇南通市，南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)間自地鐵南通東站站向東，下穿國鐵南通東站站場，與鐵路線交角近似90°，穿越長度約為77m，穿越范圍內鐵路建（構）筑物有7股道（依次為H線、1線、2線、3線、4線、5線和6線）。地鐵隧道與既有鐵路線相對位置平面圖如圖1所示。鐵路線區(qū)域所在地層由上至下為鐵路路基、填土、粉土、粉砂夾砂質粉土、粉砂、細粉砂。地鐵區(qū)間隧道拱頂至鐵路路基坡腳垂直距離為9.5m，隧道穿越的地層為粉砂夾砂質粉土及粉砂層，地鐵隧道與既有鐵路線相對位置剖面圖如圖2所示，地層中土層物理力學性質如表1所示。隧道采用土壓平衡盾構機施工，隧道外徑為6.2m，內徑為5.5m，環(huán)寬1.2m，設計管片厚度為0.35m，其彈性模量為27.6GPa，泊松比為0.2，管片采用錯縫拼裝，兩區(qū)間隧道中心水平距離為15m。施工過程中，左線盾構隧道先行通過鐵路線區(qū)域，圖1中箭頭為隧道盾構施工掘進方向。

圖1 地鐵隧道與既有鐵路線相對位置平面圖

圖2 地鐵隧道與既有鐵路線相對位置剖面圖

表1 土層物理力學參數(shù)

3 數(shù)值模型

3.1 模型尺寸及邊界條件

采用Midas GTS巖土有限元軟件對盾構隧道下穿鐵路線工程進行模擬分析[14]，如圖3所示，模型尺寸（X×Y×Z）為118m×108m×40m。兩隧道均沿X軸負方向掘進，左線隧道先行穿越鐵路車站，模型中隧道穿越的粉砂夾砂質粉土及粉砂層簡化為粉砂層，隧道外徑至模型兩側邊界的距離大于5倍的隧道洞徑，隧道外徑至模型底部邊界距離為24.3m以避免邊界效應。模型上部梯形結構為鐵路路基，路基上部為軌枕，最上部為鐵路軌道。模型中土體均視為各向同性、均值的理想彈塑性體，隧道管片視為線彈性體，忽略巖土體的節(jié)理裂隙，不考慮地下水在開挖過程中的影響，以模型計算土體自重應力，使巖土體在自重應力的作用下達到平衡，再進行盾構開挖施工模擬。模型中隧道、鐵路線尺寸、巖土體厚度等參數(shù)均與工程概況介紹一致。

圖3 數(shù)值模擬模型及尺寸

地層均采用實體單元模擬，選用修正莫爾-庫倫本構模型；管片、鐵路路基和道床軌枕采用實體單元，彈性本構模型，鐵軌采用梁單元，彈性本構模型。模型各土層材料物理力學參數(shù)如表1所示，路基及盾構隧道管片材料參數(shù)如表2所示。

表2 路基與管片物理力學參數(shù)

3.2 模型驗證

隧道盾構開挖未進入鐵路線時，工程現(xiàn)場對地表的沉降（如2O-O9）進行了監(jiān)測，地面沉降監(jiān)測點沿股道方向設置監(jiān)測橫斷面，每條監(jiān)測橫斷面間距（如2O-1O）為5m，如圖4所示。在數(shù)值模型中選取現(xiàn)場監(jiān)測中相同位置監(jiān)測點，與實測數(shù)據(jù)進行對比。對于盾構隧道施工引起地面沉降的預測，Peck模型（1969年）提出了地層損失的概念和估算方法。經(jīng)過大量工程實踐及修正完善，該方法成為估算盾構正常施工引起地面沉降最常用的方法，具體公式如下：

圖4 地表沉降監(jiān)測布點

式中：Sx為從地面到盾構中心處埋深為Z的斷面上，距離隧道中心線的沉降量；Vi為地層損失量；i為沉降槽寬度系數(shù)，是土層條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。

數(shù)值模擬、Peck公式及現(xiàn)場監(jiān)測沉降值對比如圖5所示。由圖5可以看出，數(shù)值模擬結果、Peck公式預測以及實測沉降發(fā)展規(guī)律基本相符，驗證了數(shù)值模擬的可行性。由于數(shù)值模擬在同一水平考慮土層參數(shù)為同一值以及模擬的簡化，數(shù)值模擬結果與實測結果存在一定差異。參考《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運〔2006〕146號）、《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）[15]，寧啟鐵路新建鐵路設計時速為160km，確定該區(qū)間穿越國鐵軌道安全控制標準為軌面沉降值不超過10mm，軌道高差不超過6mm，隧道拱頂上方地表最大沉降量為9.5mm，地層損失率為0.5%，地面沉降逼近控制標準。鑒于鐵路設施的重要性，下穿施工需考慮采取對穿越范圍的土體進行加固等措施，進一步降低工程風險。

圖5 數(shù)值模擬、Peck公式及現(xiàn)場監(jiān)測沉降值對比

4 基于地面注漿加固措施的軌道位移分析

鑒于在數(shù)值模擬的初步分析中，地面沉降值逼近控制標準，考慮到鐵路運營的安全性問題，借鑒相關文獻及工程經(jīng)驗，對控制路段地基采取地基加固措施，可在一定程度上提升地基強度，控制地面沉降。根據(jù)秦愛芳等[16]對上海等軟土地區(qū)基坑工程注漿加固工程的研究，加固區(qū)土體彈性模量取原土體彈性模量的2倍，黏聚力與內摩擦角值不變，再次建立與3.1節(jié)中相同隧道，加固區(qū)隧道土體彈性模量變?yōu)樵瓉硗馏w的2倍。在此基礎上使用數(shù)值模擬手段分析盾構隧道穿越鐵路線時軌道沉降、水平位移。數(shù)值模型中的其他參數(shù)選取均與上節(jié)模型相同。左線隧道穿越鐵路各軌道的沉降曲線與水平位移曲線如圖6、圖7所示。

圖6 軌道沉降云圖

圖7 軌道水平位移云圖

可以看出，加固后的鐵路軌道最大沉降出現(xiàn)在左線隧道拱頂上方，線路3、4、5、6處為5.79mm。6條軌道線路中線路H沉降最小，可能原因是線路H靠近地鐵車站端頭加固區(qū)，地層性質較好；軌道水平位移整體控制在3mm以下，同一軌線間兩條軌道水平高度相差不大，差值遠小于標準控制值所規(guī)定的6mm。加固后的土體及軌道在左線盾構隧道穿越影響下沉降及水平位移值大幅降低，小于控制標準，表明加固后較加固前沉降變形控制效果更好，地面注漿加固方案能較好地保證鐵路的正常運營。

5 現(xiàn)場地面注漿加固及監(jiān)測

基于地面注漿加固方案下數(shù)值模擬的初步分析可知，實施加固措施后，沉降及水平位移得到控制?；诖?，現(xiàn)場采用了袖閥管注漿加固技術對鐵路路基下方土體進行加固，加固范圍為鐵路路基坡腳外1m，加固深度為鐵路路基頂面下5m至地鐵隧道結構下3m。H線、6線通過路基外側斜管對路基下地層進行加固，加固期間對H線進行降速運營；中間的1線、2線、3線、4線、5線以兩側的1線、5線為施工場，加固前拆除加固范圍1線、5線軌道及道床，在加固期間對運營中的2線、3線、4線采取降速運營。加固過程中加固壓力為0.3～0.5MPa，鄰近地面附近注漿時壓力小于0.2MPa，以防止地面隆起。注漿加固完成后測得加固土體28d無側限抗壓強度為0.8MPa。盾構隧道穿越施工共進行12d，現(xiàn)場實施2h/次不間斷沉降監(jiān)測，監(jiān)測儀器為Leica TM50全站儀，標稱精度為±0.5″，儀器精度滿足監(jiān)測要求。盾構隧道穿越鐵路線后各監(jiān)測面累積沉降如圖8所示。

圖8 注漿加固后隧道穿越鐵路線地表沉降監(jiān)測值

從圖8中可以看出，靠近H線的監(jiān)測點斷面2A-A9累積沉降值為所有監(jiān)測斷面最小，為2.4mm；靠近6號線的監(jiān)測斷面2F-F9累積沉降最大，為4.8mm。各條鐵路線累積沉降值變化規(guī)律與加固后數(shù)值模擬計算結果相似，沉降值由H線向6線逐漸加大，但最大沉降量仍遠小于沉降標準控制值10mm，地表注漿加固后，鐵路線沉降得到控制。由于注漿加固后，土層彈性模量增大，其承受變形的能力隨之增加，地表最大沉降值逐漸減小，因此在注漿加固過程中保證注漿質量十分重要。

6 結論

為保證盾構掘進過程中既有鐵路的安全運營，文章采用Midas-GTS對隧道盾構下穿施工進行數(shù)值模擬分析，結論與建議如下：

（1）隧道盾構開挖對地層土體的擾動符合隧道開挖的基本規(guī)律，地層的沉降也符合相應沉降形成機理與沉降特征。

（2）當對穿越區(qū)域內的土體進行加固處理后，同時采取盾構施工對洞內深孔注漿以及盾構掘進姿態(tài)等方面加以控制。經(jīng)計算，地鐵雙線盾構隧道施工后，鐵路6線軌道豎向沉降值最大，約為4.8mm，鐵路H線軌道水平位移最大，約為2.81mm，小于不加固工況的9.5mm和4.63mm，并小于既定的控制標準，表明加固后較加固前沉降變形控制效果更好。對地層采取預加固措施可有效減緩隧道施工過程中地層擾動對既有結構的影響，對減小軌道變形、保證既有線路的運營安全具有重要意義。

（3）鑒于鐵路線路在地鐵區(qū)間隧道穿越施工前已經(jīng)存在一定程度的沉降，因此應加強線路養(yǎng)護，為保證施工期列車運營安全，建議在穿越施工期間對列車進行適當限速。

（4）盾構掘進時須加強施工控制及監(jiān)測，控制好推進速度、土倉壓力以及出土量等施工參數(shù)，盡量減小對地層的擾動，加強同步注漿，及時進行二次注漿。

（5）考慮該穿越段區(qū)間隧道位于砂質粉土層，應加強盾構機設備配置與渣土改良，防止砂性土發(fā)生噴涌。穿越段應嚴格控制盾構掘進姿態(tài)，及時進行糾偏，以減小超挖引起的沉降。通過在穿越段區(qū)間隧道管片增設注漿孔，以加強二次補充注漿效果。加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況及時對隧道周邊的土體進行注漿以控制沉降進一步加大