文沖 沈衛(wèi)平 茍明中 晏啟祥 周上進(jìn) 張?zhí)?/p>

【摘要】文章詳細(xì)梳理和總結(jié)了盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的六種情況，并將目前的相關(guān)研究歸納為三個主要研究方向：地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題、主動加固方案效果評價、微擾動盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化?；谀壳暗难芯楷F(xiàn)狀分析，對盾構(gòu)下穿既有運營鐵路問題提出了若干建議與展望。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道; 下穿; 運營鐵路

【中國分類號】U455.43【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

鐵路與公路

經(jīng)過幾十年的大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國運營鐵路的規(guī)?？胺Q世界之最。根據(jù)2019年鐵路總公司的最新數(shù)據(jù)，我國鐵路運營總里程超過13.9×104 km，鐵路路網(wǎng)密度達(dá)145.5 km/104 km2。與此同時，，盾構(gòu)法因其安全系數(shù)高、不影響地面交通、快速高效等優(yōu)勢，在地鐵隧道修建中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

目前我國已有40個城市開展了軌道交通建設(shè)，運營線路共計208條，運營總里程達(dá)6 736.2 km，地鐵運營線路5 180.6 km，占比76.9 %，其中，2019年當(dāng)年新增運營線路長度974.8 km，地鐵建設(shè)規(guī)模繼續(xù)保持高增長勢頭[2]。由于我國高速鐵路網(wǎng)的高密度與近幾年的大規(guī)模建設(shè)，地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿既有運營鐵路情形越來越多，僅在川渝地區(qū)，就有近20余個區(qū)間隧道下穿既有鐵路的工程案例。表1列舉了其中5個實例。

當(dāng)?shù)罔F線路與既有運營高速鐵路產(chǎn)生交集時，地鐵建設(shè)即盾構(gòu)隧道施工不可避免地會對上部鐵路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動。這種擾動究竟會對既有鐵路產(chǎn)生怎樣的影響，是一個頗具工程意義的科學(xué)問題。有鑒于此，本文擬對盾構(gòu)隧道下穿各種既有運營鐵路的情況進(jìn)行歸納，并對目前學(xué)界關(guān)于盾構(gòu)下穿鐵路問題的研究現(xiàn)狀作主要闡釋，最后對盾構(gòu)下穿既有鐵路未來技術(shù)發(fā)展做出展望。

1 盾構(gòu)隧道下穿既有運營鐵路的問題情況

目前針對盾構(gòu)隧道穿越既有運營鐵路的案例已有大量文獻(xiàn)報道。受隧道施工影響而發(fā)生沉降變形的鐵路結(jié)構(gòu)物，主要包括以下六種情況：

（1）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路路基，隧道開挖導(dǎo)致軌道路基沉降。

（2）盾構(gòu)隧道下穿鐵路橋，導(dǎo)致橋墩發(fā)生水平位移和豎向位移變形。

（3）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路車站，導(dǎo)致車站站臺產(chǎn)生局部沉降，例如天津地鐵解放路北站～天津站區(qū)間段穿越天津站鐵路下方，天津站站臺產(chǎn)生一定沉降變形[3]。

（4）盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵，隧道穿越鐵路時引起箱涵產(chǎn)生水平位移、豎向沉降，進(jìn)而發(fā)生傾斜[4]。

（5）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路隧道，造成隧道結(jié)構(gòu)和鐵路軌道發(fā)生豎向沉降[5]。

（6）盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路橋群樁基礎(chǔ)，導(dǎo)致樁基礎(chǔ)發(fā)生豎向沉降和側(cè)向變形，例如成都地鐵4號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿鐵路群，鐵路群包括成綿樂客專、東環(huán)線、達(dá)成線共10股鐵路線[6]。

本文將盾構(gòu)隧道下穿這六種鐵路結(jié)構(gòu)物的研究內(nèi)容總結(jié)為三個方面：

（1）地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題研究。

（2）主動加固方案效果評價。

（3）微擾動盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

1.1 地表和結(jié)構(gòu)物沉降問題研究

盾構(gòu)隧道施工勢必會對周圍巖土體產(chǎn)生一定的擾動，造成地表沉降或隆起。目前學(xué)術(shù)界通常采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對地表沉降量的大小和施工對地表沉降的橫向影響范圍進(jìn)行研究。

房師濤[6]以成都地鐵4號線區(qū)間下穿鐵路群為工程背景，運用有限差分軟件計算盾構(gòu)開挖過程對上部鐵路橋樁基的影響，計算得到呈“U型槽”狀的地表橫向沉降曲線，以及鐵路橋群樁的水平位移、豎向位移值。

杜明芳[4]等基于Origin內(nèi)嵌積分程序?qū)Φ乇沓两挡勖娣e進(jìn)行積分，計算出隧道開挖引起的相對較小的土層體積損失率，推測出隧道開挖對鐵路影響較小的結(jié)論。

鄭余朝[7]等利用FLAC有限差分軟件建立了軌道、路基、圍巖和隧道的耦合模型，研究了鐵軌高低差與路基沉降之間的相互作用關(guān)系。

1.2 主動加固方案效果評價

針對盾構(gòu)隧道下穿的各種類型的鐵路結(jié)構(gòu)物，學(xué)者和技術(shù)人員根據(jù)具體工程情況，采用了具有針對性的加固方案，詳情見表2。

目前主要采用數(shù)值仿真計算和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，對加固方案的效果進(jìn)行評價：王志超[8]等采用深孔注漿的方式對隧道上方土層進(jìn)行加固，并計算得到盾構(gòu)穿越過程中有無注漿時鋼軌的水平與豎直變形。結(jié)果表明經(jīng)深孔注漿加固后沉降值減少約76 %，加固效果顯著。賈大鵬[9]等在北京地鐵10號線某區(qū)間隧道下穿京滬高鐵高架橋工程項目中，將隔離結(jié)構(gòu)（隔離墻和隔離樁）設(shè)置在橋梁基礎(chǔ)與隧道之間，并用有限元軟件建模分析隧道施工時隔離保護措施的加固效果。

1.3 微擾動盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

盾構(gòu)向前掘進(jìn)的過程中，刀盤對前方土體和上方結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的較大擾動以及盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失，是盾構(gòu)開挖造成地層沉降或隆起的主要原因。因而確定合適的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對控制地表和隧道上方結(jié)構(gòu)物沉降至關(guān)重要。為了得到合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，通常有設(shè)置參數(shù)優(yōu)化試驗段和室內(nèi)模型實驗兩種方案，其中通過試驗段選取合理的盾構(gòu)微擾動參數(shù)是控制路基等結(jié)構(gòu)物沉降的關(guān)鍵[10]。

（1）設(shè)置參數(shù)優(yōu)化試驗段：在深圳地鐵7號線某區(qū)間隧道下穿鐵路橋項目中，王體廣[16]將盾構(gòu)始發(fā)端距離鐵路橋250 m這一段設(shè)為參數(shù)優(yōu)化試驗段，施工時結(jié)合周邊環(huán)境優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，減少盾構(gòu)隧道地層體積損失率，使盾構(gòu)勻速、慢速通過鐵路段。馮超[17]等將盾構(gòu)下穿寧啟鐵路的前后90 m作為控制性區(qū)域，施工時嚴(yán)格遵循設(shè)定的掘進(jìn)參數(shù)。彭華[18]等將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與盾構(gòu)掘進(jìn)時出土量、扭矩、土倉壓力等參數(shù)進(jìn)行比對，總結(jié)出盾構(gòu)下穿京廣線過程中鐵路道床沉降量與掘進(jìn)參數(shù)的內(nèi)在關(guān)系，以便應(yīng)用于掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整與把控。

（2）室內(nèi)模型實驗：郭玉海[15]等從土體改良和同步注漿措施入手，對不同種類的改良土體和注漿漿液開展室內(nèi)材料實驗，得出了適用于大直徑盾構(gòu)的添加劑參數(shù)。

2 盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路技術(shù)展望

目前學(xué)界對于盾構(gòu)下穿高速鐵路問題的研究，方法上主要有經(jīng)驗公式、理論公式及數(shù)值仿真與現(xiàn)場試驗監(jiān)測。

經(jīng)驗公式中最為經(jīng)典和重要的是Peck公式[19]。Peck法在不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的條件下，認(rèn)為盾構(gòu)推進(jìn)后地面橫線沉降基本為近似正態(tài)曲線。具體計算式如下：

式中：Sx為隧道軸的中心在地面沉降所造成的損失值;i為地表沉降槽的寬度系數(shù)（m），即隧道沉降曲線拐點到中心的距離;Smax為隧道中心線地面沉降的最大值。

劉建航[20]、侯學(xué)淵[21]等學(xué)者專家依據(jù)工程經(jīng)驗及現(xiàn)場測試對Peck公式進(jìn)行了有益的修正和補充。王體廣[16]將Peck公式計算得到的地表沉降值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比研究，根據(jù)實測值反算，優(yōu)化了公式中地層損失率的取值。

理論公式中較為成熟的為Sagaseta提出的地表沉降的三維計算公式。

式中：δz（x）為與隧道軸線正交的平面內(nèi)土層的垂直位移;δz（y）為與隧道軸線平行的平面內(nèi)土層的垂直位移;Vs為土體體積損失;x、y為距中心線的距離;H為隧道的埋深。

對于盾構(gòu)下穿高鐵的直接相關(guān)研究主要集中在數(shù)值仿真上。徐干成[22]結(jié)合具體的工程案例，利用數(shù)值仿真計算盾構(gòu)下穿影響下軌道的沉降值，這是最普遍的做法。霍軍帥[23]、王俊生[24]則考慮了注漿加固對于軌道沉降的影響。羅強[25]、毛利軍[26]、李獻(xiàn)民[27]結(jié)合動力學(xué)理論，運用數(shù)值仿真研究了高速列車在隧道上方運行時，列車振動對地層及隧道的變形影響。

3 結(jié)束語

綜上，目前關(guān)于盾構(gòu)下穿高速鐵路的研究，在理論經(jīng)驗公式推導(dǎo)上僅局限于地表變形，對于上部鐵路結(jié)構(gòu)的影響尚無公式可供計算。數(shù)值仿真方面集中于常規(guī)的軌道沉降計算，對于盾構(gòu)開挖后變形如何由地層傳遞至地表，再傳遞至鐵路路基，最后傳遞至軌道的機理目前尚沒有系統(tǒng)性的研究。此外，從研究方法上講，關(guān)于盾構(gòu)隧道下穿高鐵的模型試驗也較少。有鑒于此，對于盾構(gòu)隧道下穿高鐵的未來技術(shù)發(fā)展提出以下三點建議以供參考：

（1）開展盾構(gòu)下穿既有鐵路現(xiàn)場測試和精細(xì)化室內(nèi)試驗，以獲取第一手技術(shù)數(shù)據(jù)。

（2）針對盾構(gòu)下穿高鐵的地層-路基-軌道變形機制開展系統(tǒng)討論，提出變形傳導(dǎo)機制。

（3）推導(dǎo)盾構(gòu)下穿對于上部鐵路結(jié)構(gòu)影響的理論經(jīng)驗公式，以廣泛適用于工程實踐。

參考文獻(xiàn)

[1] 何川， 封坤， 方勇. 盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報， 2015，50（1）：97-109.

[2] 中國城市軌道交通2019年度數(shù)據(jù)統(tǒng)計[J]. 隧道建設(shè)：中英文， 2020，40（5）：762-767.

[3] 黃雅娜， 蔣輝， 李竹， 等. 天津站鐵路下方施工盾構(gòu)隧道引起的沉降分析[J]. 建筑科學(xué)， 2012，28（S1）：246-249.

[4] 杜明芳， 趙文才， 蔣敏敏. 盾構(gòu)隧道下穿鐵路箱涵引起軌道和地表沉降研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2020，39（2）：122-129.

[5] 唐志輝. 地鐵盾構(gòu)隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優(yōu)化設(shè)計[J]. 2020.

[6] 房師濤. 成都地鐵4號線下穿鐵路橋三維數(shù)值模擬分析[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2018，37（7）：20-27.

[7] 鄭余朝， 蔡佳良， 袁竹， 等. 地鐵隧道下穿既有鐵路近接影響分區(qū)和施工控制研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2016，53（6）：202-209.

[8] 王志超， 甘露， 賴金星， 等. 盾構(gòu)下穿鐵路路基鋼軌變形及路基沉降分析[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報：理工版， 2018，35（4）：389-397.

[9] 賈大鵬， 夏柏如， 張影， 等. 地鐵盾構(gòu)施工下穿高速鐵路隔離保護技術(shù)[J]. 鐵道建筑， 2015（3）：73-75.

[10] 程巧建. 廈門地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿廈深高鐵路基變形分析與控制技術(shù)[J]. 中外公路， 2020，40（3）：34-38.

[11] 何志軍. 地鐵區(qū)間隧道下穿福廈鐵路風(fēng)險分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2018，62（8）：105-110.

[12] 馬相峰， 龔倫， 吳金霖， 等. 地鐵盾構(gòu)下穿多股道鐵路路基變形控制優(yōu)化研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2019，63（11）：85-90.

[13] 孫連勇. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路變形控制研究_[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)核心， 2018.

[14] 楊國寶， 吳義明， 李強. 盾構(gòu)下穿滬杭高速鐵路高架橋的施工技術(shù)[J]. 城市軌道交通研究， 2013，16（9）：101-106.

[15] 郭玉海， 李興高. 大直徑盾構(gòu)下穿北京機場快軌高架橋梁的安全控制技術(shù)[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報核心， 2014，38（1）：13-19.

[16] 王體廣. 盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿鐵路橋梁影響分析[J]. 城市軌道交通研究， 2016，19（3）：104-108.

[17] 馮超， 高志剛. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿寧啟鐵路的變形影響規(guī)律及控制技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)， 2015，35（10）：1015-1021.

[18] 彭華， 楊志蔚， 曹全， 等. 盾構(gòu)下穿鐵路碎石道床沉降規(guī)律及施工參數(shù)控制[J]. 工程力學(xué)， 2019，36（z1）：222-228.

[19] Peck R.B， Deep ex cavation and tunneling in soft g round， State of the Art Report [C]//Proc.7th Int .Conf .on Soil Mechanics and Founda tio n Engineering， Mex ico City ， 1969 ：225 -290

[20] 劉建航，等. 盾構(gòu)法隧道[M]. 中國鐵道出版社， 1991.

[21] 侯學(xué)淵， 廖少明. 盾構(gòu)隧道沉降預(yù)估[J]. 地下工程與隧道， 1993（4）：24-32.

[22] 徐干成， 李成學(xué)， 王后裕， 等. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J]. 巖土力學(xué)， 2009，30（S2）：269-272.

[23] 霍軍帥， 王炳龍， 周順華. 地鐵盾構(gòu)隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J]. 中國鐵道科學(xué)， 2011，32（5）：71-77.

[24] 王俊生. 地鐵盾構(gòu)隧道施工與運營對城際鐵路路基沉降的影響[D]. 北京：北京交通大學(xué)， 2010.

[25] 羅強， 蔡英. 高速鐵路路橋過渡段變形限值與合理長度研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2000（Z1）：2-4.

[26] 毛利軍， 雷曉燕， 杜厚智. 提速線路軌道過渡段動力響應(yīng)分析[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報， 2001（1）：35-40.

[27] 李獻(xiàn)民. 高速鐵路加筋過渡段靜動力特性數(shù)值分析及試驗研究[D]. 長沙：中南大學(xué)， 2004.