城市地铁下穿铁路施工安全及沉降控制方法分析

李红福

摘 要：随着如今城市建设的日益加速和交通需求的不断扩容，地铁下穿铁路工程已经成为了城市缓解交通拥挤环境的新途径。但是地铁的施工同时也会带来地表沉降的问题，严重时可能造成地上地下交通安全的双重风险。所以文章希望采用盾构法来为北京市某地下铁路隧道外的地表沉降进行技术监测分析，并寻求优化施工，控制沉降的方法。

关键词：地铁下穿铁路；盾构法；沉降控制；地表变形监测；北京市

城市地铁下穿铁路施工的方法有很多，比如矿山法、明挖法、新奥法以及盾构法，其中盾构法是比较迎合于近年来高精密导向技术与地下掘进技术的新施工方法，它既不受到地铁地表周边建筑物的影响，也不受限于气候变化，而且由于采用了绝大部分自动化操作，成洞效率高，沉降控制效果好，所以越来越被城市地下隧道施工项目所广泛应用。

1 基于北京市地铁下穿铁路施工项目的盾构法及地表沉降监测分析

1.1 概念

盾构法是基于一根圆柱体组件对地下隧洞沿轴线所进行的土壤深度挖掘。专业领域中将这一圆柱体组件的外保护壳体叫做护盾，它可以临时支撑那些正在被挖掘却还未能衬砌的隧洞段，帮助隧洞承受来自周围土层的压力，同时也承受来自于地下水的压力，因此地下隧道的排土、挖掘和衬砌等作业都是在盾构法的护盾掩护下所完成的。利用盾构法施工的主要特点就是能够快速稳定开挖面，这对后期控制地表沉降是有很大帮助的。

1.2 北京市地铁下穿铁路施工项目基本概况

北京市地铁此次工程最大揭露地层深度为50m，并根据地层沉积程度、年代及成因类型进行了勘探范围的分析，分析结果其地下底板应该位于粉土层中。另外，此次项目所采用的混凝土结构都是无腐蚀性的，尤其是针对钢筋混凝土和所有地下铁下穿铁路的刚性结构都是弱腐蚀性，而且此次工程不会涉及到地下水层。

1.3 基于盾构法的地表沉降监测方案设计

上文提到，地铁下穿隧道的修建会引起地层移动，进而导致地表不同程度的沉降，它包括了隧道开挖、注浆、盾构姿态定位、隧道自重、上覆荷载为地下隧道所带来的压力。所以在采用盾构法进行施工时要注意对地层的实时变化观测，设计相应的监测方案，避免地表沉降超出控制范围，确保地下隧道结构的基本稳定，所以文章基于此理论对北京市某地铁下穿隧道进行全面分析。

1.3.1 选择监测断面

根据北京市该段地铁的实际情况，再基于盾构法的铁路隧道地表监测断面选择要基于工程的实际需要、地质条件与施工条件等等。而且，地表监测断面的选择还需要考虑到时空关系，即所监测重点的监测面、监测网与监测点要形成一个整体的系统，通过以点带面的方式来控制地铁工程中的每一个关键部位。

在使用盾构技术进行北京市地铁隧道开挖与加固土体时一定会对地层有所扰动，当进行盾构推进时，某些地表地段也会发生土体坍塌，严重时甚至会造成大面积地表沉降，危及地面建筑以及地下管线的安全。所以考虑到盾构推进所造成的较大土层变形，就要为地表土层建立较为稳定的土压平衡结构，在盾构法实施起点到终点这一段要进行重点监测，并且确保对监测点间距与测试频率进行加密。文章主要针对地铁下穿隧道施工的横向地表沉降进行分析。

1.3.2 横向地表的沉降分析

一般来说，地表沉降的横向分布是较为显著的，所以在对利用了盾构推进的地铁隧道施工路段进行分析，就可以对它所产生的沉降进行实测，并寻求合理预测横向沉降的正确计算方法。文章所参考的是背景某中央大街路段的地铁隧道施工，该路段属于交通繁忙区域，地下管线也相对复杂密集，两侧建筑物众多，在实际中截取一段利用盾构推进的路段区间进行横向地表的沉降分析。

采用Peck公式对该路段进行盾构隧道的地面最大沉降量计算，首先要考虑到地层损失的取值，如表1。

根据上述数据，选取了该施工所处的V1路段，其中V1取值1.0%，而R取值为3m，据测量该路段的隧道埋深为8～14m，所以就可以推算Vs：

Vs=V1πR2=0.28m3/m

再根据地质条件与埋深，假设φ为20°，所以就有：

i==kz=0.64Z=4.77mm～8.23m

所以可推算；

Smax==15.25mm～27.5mm

上述即为北京市该地表路段地层损失的取值，基于盾构之前地表沉降量的估算取值。而当盾构推进到中央大街建筑较为密集的路段之后，就要通过实际地层损失监测来控制地面沉降值。据考察，该路段隧道由于盾构推进所引起的地表横向沉降槽宽度大约为20～40m，而且沉降值两侧距离轴线3m处具有低于标准地面高度50%左右的沉降量，这一沉降量在距离地表盾构推进轴线6m处则有30%。同时，在盾尾处出现了漏浆现象，需要在施工中采用一些沉降控制手段来对该路段地表沉降进行控制。

2 北京市地铁盾构掘进路段地表沉降的控制方法研究

2.1 盾构掘进土压力的选择分析

在该工程的盾构掘进过程中，开挖面的水平支护应力可能小于地层的原始侧向应力，尤其是文章中的监测路段由于受到开挖面土体的扰动而出现了负地层损失，导致该路段的盾构上方土体隆起。这是由于盾构掘进所形成的土压力大于被动土压力，因此要对土压力进行管控。本工程基于盾构施工原理和朗金理论，对盾构掘进时所产生的土压力进行了计算，这里给出一个经验值计算公式：

σ=k×vh

由于此工程所在路段属于砂土地质，所以k值一般取值在0.8～1.2范围内。然后按照朗金理论对开挖面的土压力进行计算，确定其基于开挖面所产生的地层移动及变形。

另外，如果在该地铁工程中施工中出现了被动土压力小于土压力的状况，很可能由于隧道埋深不大而造成土体向下滑移，出现地表沉陷状况。这时应该考虑加大施工时的盾构推进力，保证它大于静土压力，让其产生向前方向的滑移和变形，这样做也能一定程度的降低地表沉降。但是盾构推进力的加大必然会增加掘进扭矩，提高盾构机的功率增加，造成工程成本的提升，所以应该为盾构掘进寻找一个稳定适中的平衡控制点，加强对路段地表沉降的力度并加大信息反馈力度，更重要的是加快出渣速度而适当降低盾构推进力，从而降低地表隆起，减小出渣量，提升正面掘进压力。如此一来开挖面也会相对稳定下来，从而使地表沉降被控制住。

2.2 壁后注浆分析

壁后注浆可以防止因为盾尾所导致的地下隧道周围围岩及地表土层的移动变位，从而控制地表沉降。此次工程选择了这种方法来对提升隧道的止水性，确保注浆后能达到地层的快速稳定。

考虑到盾构掘进的幅度，此次工程防沉降主要采用二次注浆。二次注浆可以提升壁厚注浆层的防水性与密实均匀性。注浆的另一个目的也是希望隧道管片能够与周围土体形成较为完整的稳定结构，所以在盾构掘进移动过程中不断对隧道管片进行注浆。当一次注浆完毕后，待到浆液凝固并形成较高强度时开始二次注浆。二次注浆主要是为了弥补一次注浆可能出现的同步缺陷，起到填充和补充的作用。随后要进行同步注浆，其压力设定在1.2～1.4倍静止土压力，保证注浆压力在0.2～0.5MPa，而注浆量在设置在理论注浆量的2倍左右，同时边注浆边观测地表沉降变化，随时做出调节。

3 结语

总体来说，地铁下穿隧道施工对地层所造成的损失和扰动是很大的，所以盾构法也应该是现阶段软弱地层中修建地铁隧道最好的防沉降方法之一。随着城市交通建设的快速发展，盾构法也有机会被应用于更多的施工环境之下，而盾构法施工条件的多变性、它为地下隧道修建所带来的安全稳定性问题，也会一直成为业界议论研究的焦点。

参考文献

[1] 魏嘉翀.北京某地铁盾构下穿既有铁路沉降影响及施工优化分析[D].北京交通大学，2012：11-16.

[2] 何川，封坤，方勇等.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报，2015，50（01）：97-109.

[3] 张书丰.地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究[D].河海大学， 2004：8-33.