于 廷 新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)和鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵隧道下穿運(yùn)營鐵路的工程急劇增加，盾構(gòu)隧道的穿越施工影響機(jī)理復(fù)雜，會導(dǎo)致地表沉降及鐵路股道變形[1，2]。而運(yùn)營鐵路對位移和沉降要求極為嚴(yán)格[3]，由于鐵路不間斷運(yùn)營的特殊性，極易引發(fā)安全事故[4]，故研究盾構(gòu)隧道造成鐵路變形規(guī)律非常重要，必須采取可靠的工程措施，嚴(yán)格控制盾構(gòu)隧道施工造成鐵路的變形，確保鐵路安全運(yùn)營[5,6]。

依托南昌地鐵隧道下穿南昌火車站運(yùn)營鐵路群的工程實(shí)例，鐵路變形要求極為嚴(yán)格，南昌砂礫層厚度大，地下水豐富，采用莫爾庫侖模型、PLAXIS 3D進(jìn)行三維數(shù)值分析，得出盾構(gòu)隧道施工對土體及鐵路變形的影響規(guī)律，提出鐵路加固優(yōu)化對策。

1 工程概況

南昌軌道交通二號線丁公路站—火車站區(qū)間全長838 m，盾構(gòu)下穿南昌火車站站場段長度175 m，盾構(gòu)覆土厚度約12 m，穿越處對應(yīng)京九線里程K1444+422 m～K1444+447 m。南昌站8股～13股道正在運(yùn)營，其中10股道為京九下行線。隧道上方存在3.6 m寬、3.6 m深的排水渠，地鐵隧道下穿鐵路群剖面圖如圖1所示，隧道周邊方框內(nèi)進(jìn)行加固。

南昌火車站鐵路行車密度高，變形要求極為嚴(yán)格，地鐵隧道施工必須確保鐵路的安全運(yùn)營。根據(jù)《普通鐵路線路修理規(guī)則》中“軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值”的規(guī)定，鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為11 mm，如表1所示。

表1 軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值 mm

隧道設(shè)計方案中要求盾構(gòu)施工前對南昌站內(nèi)的6條股道的路基進(jìn)行注漿加固，擬對10道進(jìn)行便梁加固，擬對8,9,11,12,13道采用軌束梁加固。但線路加固非常困難，加固造價高，工期長，對鐵路運(yùn)營影響大，擬通過三維數(shù)值分析對鐵路加固設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地地下水的類型主要為上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水。初見潛水水位標(biāo)高10.0 m～13.0 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為10.5 m～13.0 m，變化幅度2 m～3 m。

3 三維數(shù)值分析

3.1 本構(gòu)模型及計算參數(shù)

采用摩爾庫侖模型，模型的計算參數(shù)通過勘察報告確定，如表2所示。

表2 模型計算參數(shù)

3.2 模型建立及工況

采用PLAXIS 3D巖土專用有限元分析軟件，按盾構(gòu)隧道與穿越鐵路、排水渠的相對關(guān)系，建立三維有限元模型，對盾構(gòu)隧道對鐵路群的影響進(jìn)行有限元分析。

管片采用板單元模擬，考慮地層損失0.5%。模型邊界條件為邊界左右側(cè)設(shè)置X向位移約束，前后面設(shè)置Y方向約束，模型底邊設(shè)置X,Y,Z三向約束。有限元網(wǎng)格剖分圖如圖2所示，股道號沿Y正向依次為8,9,10,11,12,13。

該模型按照施工先后順序，即分為如下五個工況：

工況一：初始地基模型，激活所在位置原始土層信息。

工況二：激活鐵路路基填料、鐵路荷載、排水渠。

工況三：模擬盾構(gòu)周圍土體加固。

工況四：模擬左側(cè)盾構(gòu)隧道開挖、安裝管片，考慮地層損失0.5%。

工況五：模擬右側(cè)盾構(gòu)隧道開挖、安裝管片，考慮地層損失0.5%。

3.3 結(jié)果分析

通過三維有限元計算，得出工況四左側(cè)盾構(gòu)隧道施工對土體及鐵路造成的沉降、沿鐵路方向、垂直鐵路方向變形情況，沉降云圖如圖3所示(沉降為負(fù))。

提取各鐵路股道位移，計算結(jié)果見表3。

表3 左側(cè)盾構(gòu)隧道完成后鐵路位移表 mm

由表3可知，8號～13號股道變形以沉降為主，沿鐵路方向水平位移次之，垂直鐵路方向水平位移最小。各股道最大沉降為-4.9 mm～-5.5 mm，其中10號股道沉降較大。選取沉降較大的10號股道，沿鐵路方向繪制剖面，得到鐵路沉降曲線，見圖4。

由圖4可知，鐵路最大沉降位置為左側(cè)盾構(gòu)隧道正上方。

同理，得出工況五兩側(cè)盾構(gòu)隧道施工對土體及鐵路造成的沉降、沿鐵路方向、垂直鐵路方向變形情況，沉降云圖如圖5所示。

提取各鐵路股道位移，計算結(jié)果見表4。

表4 兩側(cè)盾構(gòu)隧道完成后鐵路位移計算結(jié)果表 mm

由表4可知，右側(cè)盾構(gòu)隧道完成后，與左側(cè)盾構(gòu)隧道影響疊加，鐵路沉降變大，8號股道～13號股道最大沉降為-6.5 mm～-7.2 mm，其中10號股道沉降較大。選取沉降較大的10號股道，沿鐵路方向繪制剖面，得到沉降曲線，如圖6所示。

由圖6可知，鐵路最大沉降位置為兩盾構(gòu)隧道中間正上方。根據(jù)規(guī)則中線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，高低要求小于10 mm，故基本滿足規(guī)則要求。

4 經(jīng)典理論計算

1969年P(guān)eck在分析大量地表沉降數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線的概念。他認(rèn)為地層變形由地層損失引起，施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發(fā)生的，從而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積。該方法可以較好的模擬盾構(gòu)隧道完成后，盾構(gòu)與管片之間空隙造成的地層損失，并進(jìn)而估算地表沉降，適用于盾構(gòu)隧道完成后的沉降。

根據(jù)Peck經(jīng)典理論法，兩側(cè)盾構(gòu)隧道施工造成鐵路沉降疊加，考慮地層損失為0.5%，做出鐵路沿線方向沉降曲線，如圖7所示。

由圖7可知，最大沉降為-9.0 mm，同樣位于兩盾構(gòu)隧道中間正上方。

5 優(yōu)化加固措施

將經(jīng)典理論計算結(jié)果與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比，可見兩者基本一致。根據(jù)經(jīng)典理論與三維數(shù)值分析，提出取消8,9,11,12,13道的線路軌束梁加固措施，并將10道的便梁加固方式改為吊軌梁加固，大大節(jié)約加固造價和施工工期，保證了鐵路安全運(yùn)營。

同時采取以下措施減小鐵路變形，確保鐵路安全運(yùn)營：

1)盾構(gòu)隧道施工過程中，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度，均勻推進(jìn)；嚴(yán)格控制盾構(gòu)糾偏量，減少地層擾動；嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量，及時填充孔隙。做好護(hù)壁，確保洞壁穩(wěn)定。

2)盾構(gòu)通過鐵路股道下方時對列車進(jìn)行限速。

3)選擇相同工程地質(zhì)條件的地段，結(jié)合地面沉降監(jiān)測，進(jìn)行施工工藝試驗(yàn)，以確定合理的施工工藝及保護(hù)加固措施，為盾構(gòu)安全通過鐵路下方提供技術(shù)支持。

4)盾構(gòu)下穿鐵路時，加強(qiáng)路基、軌道、接觸網(wǎng)等設(shè)施的監(jiān)控量測，通過監(jiān)控量測反饋指導(dǎo)施工以確保鐵路的安全。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測，10號股道最大沉降為7.5 mm，位于兩隧道中間，實(shí)際監(jiān)測沉降曲線呈拋物線型，與數(shù)值分析基本一致。

6 結(jié)論

1)通過三維數(shù)值及經(jīng)典理論分析，得到盾構(gòu)隧道造成8號～13號股道變形以沉降為主，沿鐵路方向水平位移、垂直鐵路方向水平位移均小于1 mm，影響較小。

2)兩側(cè)隧道施工時比單側(cè)隧道盾構(gòu)施工時引起股道沉降大，最大沉降為-6.5 mm～-7.2 mm，其中10號股道沉降較大，為-7.2 mm，最大值位于兩盾構(gòu)隧道中間正上方，變形基本滿足規(guī)則要求。經(jīng)監(jiān)測，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測基本一致。

3)根據(jù)三維數(shù)值及經(jīng)典理論分析，提出取消8，9，11，12，13道的線路軌束梁加固措施，并將10道的便梁加固方式改為吊軌梁加固，大大節(jié)約加固造價和施工工期，保證了鐵路安全運(yùn)營。

4)同時，嚴(yán)控盾構(gòu)推進(jìn)速度、糾偏量、同步注漿、護(hù)壁；對列車進(jìn)行限速；通過施工工藝試驗(yàn)及監(jiān)測確定保護(hù)加固措施；加強(qiáng)路基、軌道、接觸網(wǎng)等監(jiān)控量測。