婁小駿

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著我國城市軌道交通的大規(guī)模建設，一些地鐵線路會不可避免地穿越一些大規(guī)模鐵路編組站，其地層復雜、穿越風險極大。為保證既有鐵路的正常運營，需要對穿越段軟弱土層及風險建構筑物采用必要的加固措施。本文通過有限元計算，結合工程實踐經驗，從安全性、經濟性及可實施性3個方面進行方案研究。

2 工程概況

2.1 區(qū)間結構概況

和平路站—駱駝山站區(qū)間從和平路站引出后，沿和平路向東行進，下穿既有3號線盾構隧道，側穿和平大橋橋墩，下穿徐州客整所鐵路（共39股道），下穿鐵路6層宿舍、4層徐州鐵路車輛配件廠、檢修廠等鐵路用房，側穿世茂天城小區(qū)后到達駱駝山站。區(qū)間隧道下穿鐵路平面位置關系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿鐵路平面位置關系圖

區(qū)間隧道采用盾構法施工，隧道埋深12.88～25.32 m，縱斷面采用“V”形坡，最大坡度25‰。

2.2 工程地質條件

區(qū)間穿越中風化石灰?guī)r、硬塑黏土、可塑黏土層、砂質粉土、粉砂等上軟下硬復合地層，地質條件較為復雜。

2.3 鐵路概況

和平路站—駱駝山站區(qū)間隧道下穿徐州檢修所、客車整備場及隴海上行線、京滬上行線、京滬下行線、隴海下行線、東到線、京滬四線、京滬三線、發(fā)東線與軍用線等正線股道，并下穿部分鐵路用房，所穿越的鐵路股道均為有砟軌道。

2.4 站廠內鐵路房屋基概況

區(qū)間下穿6層車輛段職工宿舍（一層下室），條形基礎，隧道埋深約19.14 m，主要穿越土層為2-3b-3粉質黏土；下穿4層徐州鐵路車輛配件廠（無地下室），獨立基礎，隧道埋深約19.45 m，主要穿越土層為2-3b-3粉質黏土，下穿3層上海鐵路局合肥車輛段徐州檢修廠（無地下室），獨立基礎，隧道埋深約22.12 m，主要穿越土層為2-3a-3黏土、2-5-3粉砂；下穿1層鐵路用房（無地下室），條形基礎，隧道埋深約22.65 m，主要穿越土層為2-3a-3黏土、2-5-3粉砂。

2.5 鐵路路基經驗控制指標

通常情況下，鐵路路基沉降是導致上方線路不平順的主要原因，根據TB 10314—2021《鄰近鐵路營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術規(guī)程》，在線路慢行期間（盾構施工期間），沉降變化速率控制在4 mm/d以內，道岔區(qū)的沉降量控制在1 mm以內，非道岔區(qū)的沉降量控制在10 mm內。釘閉道岔按照普通鐵路考慮。

2.6 加固方案

隧道拱部的粉砂層穩(wěn)定性極差，盾構推進過程中可能會導致掌子面垮塌，地層損失過大，從而造成地面沉降過大，給鐵路運營造成極大的安全隱患。

為了保證鐵路的運營安全，把路基沉降控制在允許范圍內，需要對京滬上行線下方隧道拱部粉砂層進行注漿加固?？紤]到經濟性，加固范圍為隧道外側3 m，鐵路外側10 m，加固體頂面和底面分別伸入黏土層（相對隔水層）1 m，避免穿越粉砂層時盾構出現失水。該區(qū)域采用1.5 m×1.5 m梅花形布置袖閥管注漿加固，袖閥管注漿的漿液為水泥漿，注漿壓力控制在0.4～0.6 MPa，水灰比為1∶1.25，加固體無側限抗壓強度不小于0.8 MPa[1]。區(qū)間下穿鐵路路基加固剖面圖如圖2所示。

圖2 區(qū)間下穿鐵路路基加固剖面圖

隧道管片預留深層注漿孔，盾構穿越后根據監(jiān)測數據，必要時可通過管片注漿孔進行深層注漿，注漿范圍為隧道拱頂180°以上，注漿深度為3 m。

鐵路宿舍、配件廠等鐵路用房均為條形基礎，無地下室，周圍預打袖閥管，施工期間加強監(jiān)測，根據監(jiān)測數據及時進行注漿加固。

3 數值計算分析

3.1 計算模型及基本假定

3.1.1 基本假定

由于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，要完全模擬巖土材料的力學性能和嚴格按照實際的施工步驟進行數值模擬是非常困難的。在建模和計算過程中，應考慮主要因素，忽略次要因素，結合具體問題進行適當簡化。在本次數值模擬中采用了以下假設：

1）地層材料采用修正莫爾-庫侖準則計算；

2）假定土層成層均質水平分布；

3）隧道開挖中管片與盾殼結構采用板單元模擬；

4）地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化。

3.1.2 三維數值模型

使用Midas GTS/NX有限元軟件進行數值模擬分析，并根據盾構隧道與鐵路路基的空間位置關系建立三維有限元計算模型。

現選擇地層范圍為：隧道結構外左右兩側范圍取5倍左右洞徑，即模型X向范圍為120 m；區(qū)間隧道結構底板下方取約5倍左右洞徑，即模型Z向范圍為50 m；模型尺寸為：寬×長×高＝XYZ＝120 m×400 m×50 m。模型采用混合網格生成，包括125 301個單元和144 780個節(jié)點。盾構隧道與鐵路結構關系模型如圖3所示。

圖3 盾構隧道與鐵路結構關系模型圖

模型中土體、基礎皆采用實體單元模擬，管片襯砌采用板單元模擬。

3.2 計算參數

在模擬過程中，圍巖地層、房屋基礎以及盾構管片結構的物理力學參數取自巖土勘察報告，其中，彈性模量取壓縮模量的3倍，弱風化灰?guī)r采用彈性本構模擬。整個模擬過程共分為兩大步：

1）開挖隧道前，鐵路路基在重力作用下完成地應力平衡，位移清零。

2）模擬盾構推進過程。先凍結右線隧道內土體模擬右線隧道盾構掘進過程，再通過激活右線盾構混凝土板模擬右線盾構管片的拼裝，右線隧道盾構貫通模型邊界。凍結左線隧道內土體模擬左線隧道盾構掘進過程，再通過激活左線盾構混凝土板來模擬左線盾構管片的拼裝，左線隧道盾構貫通模型邊界。

3.3 計算結果

對區(qū)間穿越鐵路采用有限元計算軟件進行計算分析，地層損失率控制按0.5%考慮。圖4為左右線隧道掘進通過后，鐵路股道群路基豎向位移云圖。

圖4 左右線隧道掘進通過后鐵路股道群路基豎向位移云圖

區(qū)間左線隧道穿越后，路基最大沉降約為-2.15 mm，右線隧道穿越后路基最大沉降約為-3.57 mm，最大不均勻沉降約為1.9 mm。滿足鐵路路基控制指標的要求。

4 盾構施工控制

4.1 土壓力控制

正面土壓力直接影響切口及前方位置的地表變化。正面土壓力的理論設定值P0計算公式為：

式中，Pc為土壓力，kPa；Pw為水壓力，kPa；K0為土的靜止側壓力系數；γ′為土的有效重度，kN／m3；γw為水的重度，kN／m3；H為盾構T作面中心處深度，m；q為地面超載，kPa。

考慮列車動載較大，結合以往施工經驗在軌道位置的土壓力增加10～15 kPa。在施工中做好監(jiān)測工作，并及時把測量成果反饋到掘進作業(yè)班組，以便調整掘進參數至合理值，做到合理化施工。在盾構穿越鐵路軌道過程中必須嚴格控制切口平衡土壓力，使盾構切口處的地層有微小的隆起量來平衡盾構背土時的地層沉降量。

4.2 推進速度控制

穿越股道群時，盾構機推進速度建議控制在每天掘進5～6環(huán)，并根據實際情況及時調整，可以有效控制地面沉降。盾構掘進盡量做到均衡施工，減少對周圍土體的擾動，并嚴禁停機。

4.3 出土量控制

盾構掘進過程中每環(huán)管片的出土量直接關系到土壓的平衡，從而影響地面沉降。盾構掘進土體損失量應控制在0.5%以內，一旦盾構掘進施工出土量沒有控制好，會出現較大的超挖現象，就可能出現正面巖土失穩(wěn)、坍塌，所以，此段施工必須在土壓平衡狀態(tài)下進行盾構掘進，過程中嚴格控制出土量。穿越過程中將每環(huán)的出土量控制在理論出土量的97%～98%，根據土壓的變化情況及地面沉降數據情況，及時進行微調，以保證穿越過程中掌子面土壓平衡，達到控制地面沉降的效果。

5 結語

對于盾構區(qū)間穿越的復雜地層，需要加強勘測，對局部軟弱地層采取地面加固措施，可以精準防控潛在風險源，在保證工程安全的同時，可以使經濟效益達到最大化；區(qū)間穿越大規(guī)模鐵路貨場時，應盡量壓低隧道埋深，將普速鐵路施工的影響控制在可接受的范圍；盾構施工過程控制對控制地層沉降起到重要作用。