地铁盾构隧道下穿铁路影响分析

【摘要】结合实际工程采用peck经验公式及数值模拟方式，预测盾构隧道推进对铁路的沉降影响，分析铁路荷载对盾构管片内力的影响，并对该地铁盾构隧道下穿铁路工程提出具体处理措施及对策。

【关键词】盾构隧道；下穿铁路；数值模拟；加固

0 引言

随着城市发展，地面交通日益紧张，开发地下空间，发展轨道交通已是大势所趋。因地铁建设与既有建构筑物相互影响无法完全避免，所以进行地铁盾构隧道下穿建构筑物的影响分析是很有必要的。

1 工程概况

本工程既有结构为北仓铁路，现要施工一条双线下穿盾构隧道，与铁路斜交。铁路与隧道平剖面位置关系如下所示：

图1 平面关系图 图2 剖面关系图

拟定先推进上行线，后推进下行线。拟通过数值模拟考察：1）在土体加固与不加固两种情况下盾构隧道推进对铁路的沉降影响，以验证加固方案效果；2）铁路荷载对盾构管片内力的影响，以优化管片设计。

2 盾构施工对既有铁路的影响分析

国内外研究表明，盾构隧道施工引起的地层变形主要原因有以下几点：

1）盾构推进方向改变、超挖等；

2）受扰动土体的再固结；

3）土体与衬砌的相互作用；

4）土体挤入盾尾空隙。

目前用于预测盾构法掘进引起土体变形的主要方法有经验公式法（结合现场实测数）和考虑施工过程的数值分析法。

2.1 Peck法沉降估算

在软弱土层中采用盾构施工，因地层损失和土体扰动，必然引起地表变形。主要表现在盾构掘进机的前方和顶部产生微量的隆起，盾尾脱离以后，地表开始下沉，并形成一定宽度的沉降槽地带，下沉的速率随时间而逐渐衰减，且与盾构所经过的地层、施工工况和地表荷载等有密切的关系，并表现出相当的差异性。

对于盾构隧道施工引起地面沉降预测，派克（Peck，1969年）提出了地层损失的概念和估算方法。在不排水条件下，沉槽体积等于地层损失的体积，地面沉降的横向分布呈正态分布曲线，具体地面沉降量的估算公式如下：

注： —沉降量；

—盾构隧道单位长度地层损失量；

—沉降槽宽度系数，是土壤条件、隧道半径、隧道中心埋深的函数。

按盾构隧道正常施工时0.5%的地层损失率进行计算，上行线隧道先行掘进施工时，最大地面沉降位于上行线隧道中心正上方，其值为-10.62 mm，当上行线隧道施工完成，下行线隧道施工对地面的影响累积后，其地面最大沉降位置出现在两盾构隧道施工的中间靠下行线盾构侧正上方，最大沉降值为-15.66 mm。

2.2 数值模拟分析

2.2.1 模型的建立

采用GTS有限元软件，简化为三维模型进行计算分析。模型尺寸为90m*90m*90m。在模型底部施加水平及竖直方向约束，在四周施加水平方向约束。

（1）盾构隧道内径5.5m，管片厚度为0.35m厚，管片宽度为1.2m，不考虑管片分块情况，按整环考虑；

（2）土体本构模型采用Mohr-Coloumb模型，衬砌采用板单元模拟；

（3）加固方案：加固范围为隧道周边2m，无侧限抗压强度Ps≥1.0 MPa；

（4）荷载：盾构顶推力取25×103kN，注浆压力取0.3MPa。

2.2.3计算结果

盾构法施工时，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形，一般在盾构前方约1倍埋深的距离内地表开始隆起，在盾构通过以后地表逐渐下沉，其下沉量随时间逐步增加并最终趋于稳定。加固后的上行线掘进引起的地表沉降最大值为-10.10mm，不加固的地表沉降最大值为-14.90mm，减小48%，加固效果较为明显。

图6 上行线掘进引起的地表沉降曲线图

3 铁路列车荷载对隧道结构内力的影响

根据是否考虑铁路列车荷载、以及是否加固组合了三种工况，计算不同工况下盾构管片结构内力。为简化计算，铁路列车竖向静活载按100kN/m取值。计算得到的结构内力标准值如表2所示。

由表2可以看出，考虑铁路列车荷载时，不加固与加固后的最大弯矩分别比不考虑列车荷载时增大了11.9 %及2.5%，加固后的最大弯矩比不加固时减小12.5%。

4 处理措施及对策

为减小地铁与北仑铁路的相互扰动，可从两点着手：一、采取措施减小列车动荷载对盾构隧道结构的影响，从外因减小盾构管片的变形；二、加强管片的强度和刚度，从内因提高抵抗变形的能力。

通过对盾构周围土体进行加固，可均匀土层应力分布，减少隧道与周围土体之间的刚度差异，从而减小隧道结构承担的荷载以减小管片内力，同时增加了土体抗力增强变形控制能力。

结合本工程地质情况、隧道覆土、荷载等各方面因素，确定采取如下措施：

4.1铁路线路预加固

采用主动加固结合扣轨加固方案。铁路两侧采用高压旋喷桩加固，旋喷桩之间为主加固区，采用注浆加固；旋喷桩外侧为次加固区，采用压密注浆加固。旋喷桩加固区自地面至隧道下方2 m，主、次加固区加固深度为隧道上、下方2 m。主加固区与次加固区之间在强度及刚度上要求逐渐降低，形成过渡。

图4-1 铁路线路预加固示意

加固区的主要注浆参数：旋喷加固28d后，无侧限抗压强度Ps≥1.0 MPa；主加固区，Ps≥1.0 MPa；次加固区，Ps≥0.8 MPa。

4.2 增强管片

对铁路影响范围内的隧道采用加强配筋的钢筋混凝土管片。

4.3 盾构掘进控制

1）在盾构进入之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，盾构均衡匀速施工，同时尽量少做纠偏动作，即使做纠偏动作，幅度也不宜过大。

2）必须严格控制盾构机切口平衡压力及相关参数，如推进速度、总推力、出土量等，尽量减少土压力的波动。

3）加强同步注浆管理。严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填筑建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。

4）根据监测情况，必要时进行二次壁后注浆，并根据施工中的变形监测情况随时调整注浆量及注浆参数，从而使地层变形量减至最小

4.4 盾构穿越后安全措施

盾尾脱离线路后，对路基变形进行跟踪监测直至数据稳定收敛。采取注浆和道碴抬道相结合的方法，调整路基面到规定标高。同时由工务部门配合校正轨道各部几何尺寸，待达到铁路规范所规定的通车条件后，方可恢复正常行车。

参考文献：

[1] 陈昊.双圆盾构隧道地表沉降分析.上海交通大学，2007，1

[2] 朱洪高，鄭宜枫，陈昊.双圆盾构隧道土体地表沉降特性.建筑科学与工程学报，2006，2.

[3]季大雪. 武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降影响分析.铁道工程学报，2009.10

[4]庞山，付迎春，张春雷.盾构隧道下穿铁路影响分析.石家庄铁路职业技术学院学报，2009.3

[5]杨纠，庄丽，宫全美.铁路列车荷载对下穿盾构隧道结构的影响.城市轨道交通研究，2010.3