魏哲奎

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300133）

0 引言

隨著城市化的推進(jìn)，我國(guó)越來(lái)越多的城市開(kāi)始修建軌道交通來(lái)解決擁堵問(wèn)題。但是城市軌道交通在修建過(guò)程中，不可避免會(huì)碰到需要下穿地面既有建構(gòu)筑物的問(wèn)題。而盾構(gòu)法是修建地鐵區(qū)間隧道中應(yīng)用最廣泛的方法，具有快捷、對(duì)環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。

鐵路作為城市間通行的重要交通工具，其站臺(tái)通常設(shè)置在城市的核心地段，因此城市軌道交通盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路的工程也越來(lái)越多。鐵路在運(yùn)行期間對(duì)于地面沉降等影響較為敏感，如何保證在盾構(gòu)下穿鐵路過(guò)程中，將其對(duì)鐵路軌道的影響控制在其安全范圍內(nèi)，以確保工程的順利推進(jìn)，是工程項(xiàng)目的關(guān)鍵點(diǎn)。本文將結(jié)合洛陽(yáng)市軌道交通2號(hào)線機(jī)場(chǎng)路站—洛陽(yáng)火車站區(qū)間隧道下穿洛陽(yáng)火車站鐵路路基的工程案例，通過(guò)MIDASGTS有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬，對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中對(duì)鐵路軌道的影響進(jìn)行分析。

1 盾構(gòu)施工引起地層變形的機(jī)理分析

國(guó)內(nèi)外大量盾構(gòu)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，盾構(gòu)施工會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生影響，引起地層變形。地面沉降的基本原因在于挖掘帶來(lái)的松動(dòng)和破壞。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察可知，盾構(gòu)施工帶來(lái)的變化涉及盾構(gòu)抵達(dá)前產(chǎn)生的凸起、盾構(gòu)抵達(dá)后產(chǎn)生的沉降、盾構(gòu)按照地表的沉降效果、盾構(gòu)按照地表的沉降等級(jí)、地表后期的降解等五個(gè)方面。從盾構(gòu)工程帶來(lái)的隆起及表面的質(zhì)量元素變化來(lái)看，控制盾構(gòu)施工數(shù)值，如引力、推動(dòng)速度、正面土壓、同步注漿量、重力等，能穩(wěn)定控制所形成的地面失衡效果。

2 工程概況

洛陽(yáng)軌道交通2號(hào)線機(jī)場(chǎng)路站—洛陽(yáng)火車站區(qū)間左右線自北向南下穿隴海鐵路洛陽(yáng)火車站路基段，共計(jì)穿越鐵路11股道，其中包括隴海上行下正線，其余為到發(fā)線及段管線，與站場(chǎng)內(nèi)鐵路平面交角為86°，與站場(chǎng)北側(cè)段管線夾角為77～86°。該段區(qū)間左右線為直線段，平面線間距17m，隧道結(jié)構(gòu)頂距離地面約13.4m。鐵路隧道與洛陽(yáng)火車站鐵路軌道相交區(qū)域地層較復(fù)雜，從上向下依次為：填筑土、黃土狀黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、卵石、泥巖等，盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)的土質(zhì)為粉土和黏土，見(jiàn)圖1。

圖1 下穿隴海鐵路豎向位置關(guān)系圖

3 區(qū)間下穿洛陽(yáng)火車站的變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)鄭州鐵路局的要求，同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)同類工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，鐵路線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差按照經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)、軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差按照Ⅰ級(jí)保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的要求來(lái)制定本次盾構(gòu)施工期間鐵路軌道的變形控制值標(biāo)準(zhǔn)，具體為：靜態(tài)檢測(cè)鋼軌水平偏差不得超過(guò)6mm；相鄰兩股鋼軌高低偏差不得超過(guò)6mm；軌距偏差控制在-4～6mm；靜態(tài)檢測(cè)相鄰兩股鋼軌三角坑不得超過(guò)6mm。路基最大沉降值小于等于10mm、普通區(qū)段地面最大沉降值小于等于30mm。

4 有限元三維數(shù)值模擬分析

為評(píng)估盾構(gòu)隧道施工過(guò)程是否影響隴海鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，本工程采用有限元軟件MIDAS/GTS分析盾構(gòu)隧道下穿施工對(duì)隴海鐵路路基、軌道變形的影響。

4.1 基本假定地表隆起對(duì)列車運(yùn)行的影響

因巖土材料的物理力學(xué)特性較復(fù)雜，若完全按照其力學(xué)特性進(jìn)行模擬較困難。在運(yùn)算與建模時(shí)，需考慮關(guān)鍵因素，忽略次要因素，結(jié)合工程問(wèn)題對(duì)分析驗(yàn)算進(jìn)行簡(jiǎn)化。故本次數(shù)值模擬中采用了如下假設(shè)：

（1）圍巖土體材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；

（2）隧道的受力和變形按平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果一般偏安全；

（3）在初始應(yīng)力場(chǎng)模擬時(shí)不考慮構(gòu)造應(yīng)力，僅考慮自重應(yīng)力的影響；

（4）管片按均質(zhì)彈性圓環(huán)模擬。

4.2 計(jì)算分析

采用有限元軟件進(jìn)行仿真模擬分析，將新建盾構(gòu)隧道、既有鐵路股道按實(shí)際情況建立仿真模型。進(jìn)行仿真模擬的原則如下：

（1）初始應(yīng)力場(chǎng)的模擬：根據(jù)勘察鉆孔揭露的土層情況及力學(xué)試驗(yàn)情況，建立原始的土層分層及土層力學(xué)特性模型，并計(jì)算盾構(gòu)施工前的應(yīng)力原始數(shù)值；

（2）連續(xù)介質(zhì)的模擬：有限元數(shù)值計(jì)算運(yùn)用莫爾—庫(kù)倫（M-C）土體彈塑性模型，鐵路股道均采用線彈性的鋼筋混凝土實(shí)體模擬；

（3）邊界條件的模擬：對(duì)計(jì)算土體的底部及側(cè)面分別進(jìn)行位移約束，地表為自由面；

（4）施工工況模擬：通過(guò)有限元軟件的激活單元、鈍化單元模擬左右線盾構(gòu)施工對(duì)各高鐵橋墩的影響。

本次模擬計(jì)算建立的幾何模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算整體幾何模型

采用Midas GTSNX有限元程序模擬盾構(gòu)隧道施工等工況對(duì)鐵路股道的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 隧道施工地層豎向位移云圖（單位：mm）

圖4 隧道施工地層水平位移云圖（單位：mm）

由圖3～圖4可看出，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起地表沉降，進(jìn)而引起股道路基變形。當(dāng)左線盾構(gòu)隧道掘進(jìn)通過(guò)鐵路路基時(shí)，上方鐵路股道路基產(chǎn)生了一定程度的變形，最大沉降位置基本位于隧道上方的鐵路路基，沉降槽呈V形，沉降槽寬度約為28m。左右線貫通完成后的貫穿鐵路股道路基最大沉降值較左線貫通時(shí)的最大沉降值有所增加。并且，在右線隧道開(kāi)挖完成后，沉降槽的寬度由之前的28m增加到42m左右。由此可看出，右線隧道的開(kāi)挖對(duì)鐵路股道形成了二次影響。各股道路基沉降如表1所示。

表1 隧道施工引起各股道路基最大豎向位移值 單位：mm

隴海鐵路洛陽(yáng)站站場(chǎng)有到發(fā)線7條、正線2條。由表1可知，由于股道距離較近，在盾構(gòu)隧道通過(guò)后，股道的沉降值及沉降趨勢(shì)較為接近。在左線盾構(gòu)隧道挖掘的路線行程偏轉(zhuǎn)后，前后鋼軌的最寬沉降范圍為0.01mm；在雙線盾構(gòu)隧道挖掘深度形成影響后，前后鋼軌的最大沉降數(shù)值達(dá)0.02mm。差異沉降的絕對(duì)數(shù)值不斷降低，說(shuō)明盾構(gòu)工程的軌道會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，該數(shù)值并未超越6mm的沉降數(shù)值界限。

5 施工建議

洛陽(yáng)火車站內(nèi)鐵路股道及鐵路設(shè)施設(shè)備較多，運(yùn)營(yíng)期間客貨運(yùn)及調(diào)車作業(yè)較為繁忙，對(duì)鐵路路基及站臺(tái)雨棚結(jié)構(gòu)變形控制較為嚴(yán)格，對(duì)線路穩(wěn)定性及平順性要求較高。洛陽(yáng)軌道交通2號(hào)線工程機(jī)場(chǎng)路站—洛陽(yáng)火車站區(qū)間從洛陽(yáng)火車站下方穿越，施工及運(yùn)營(yíng)會(huì)使土體變形、地表產(chǎn)生沉降。為確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全，建議采用如下措施：

（1）隧道下穿段采用盾構(gòu)法、土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，隧道管片外徑為6.2m，厚0.35m，穿越段管片采用加強(qiáng)型配筋。應(yīng)對(duì)穿越段工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，分析盾構(gòu)機(jī)在洛陽(yáng)地區(qū)地層中的適應(yīng)性，并結(jié)合穿越鐵路工程的特點(diǎn)優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)，建議增加盾構(gòu)機(jī)預(yù)留克泥效工法。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)前應(yīng)全面檢查設(shè)備狀況，避免穿越鐵路過(guò)程中停機(jī)，盾構(gòu)停機(jī)復(fù)推時(shí)往往推力增大，對(duì)周邊巖土體的擾動(dòng)變大。

（3）盾構(gòu)施工應(yīng)及時(shí)進(jìn)行同步注漿，同步注漿量應(yīng)較其余普通地段加大，漿液配比應(yīng)飽滿均勻，可適當(dāng)增大漿液稠度，并控制好注漿壓力。

（4）盾構(gòu)管片拼裝后應(yīng)加強(qiáng)二次注漿。

（5）盾構(gòu)施工前應(yīng)再次調(diào)查上方鐵路線路及設(shè)備情況，避免遺漏地下建構(gòu)筑物，并對(duì)既有設(shè)備構(gòu)筑物進(jìn)行復(fù)測(cè)，確保掌握影響范圍內(nèi)各建（構(gòu)）筑物現(xiàn)狀情況。

（6）施工期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鐵路路基及相關(guān)設(shè)備的變形監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷盾構(gòu)施工的影響，一旦監(jiān)測(cè)出異常，應(yīng)立刻啟動(dòng)預(yù)備方案。

（7）建議盾構(gòu)穿越前，對(duì)上方影響范圍內(nèi)的鐵路股道采用扣軌加固等技術(shù)措施，保證軌道沉降及位移滿足鐵路運(yùn)營(yíng)要求。

（8）盾構(gòu)施工期間，鐵路站場(chǎng)范圍內(nèi)禁止抽取地下水，并做好施工期間的防排水工作。

（9）在施工期間應(yīng)與鐵路部門保持密切溝通，及時(shí)了解鐵路站場(chǎng)運(yùn)營(yíng)情況，并將盾構(gòu)施工情況實(shí)時(shí)上報(bào)鐵路管理部門，做到信息溝通順暢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

6 結(jié)語(yǔ)

在洛陽(yáng)粉質(zhì)黏土地層中，盾構(gòu)施工下穿既有鐵路的影響可控制在不影響鐵路正常運(yùn)行的安全范圍內(nèi)，但盾構(gòu)施工過(guò)程中的掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地層的變形影響較大，因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)會(huì)對(duì)四周土體產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致土體變形，如該變形量達(dá)到一定數(shù)值就會(huì)影響（構(gòu)）筑物的穩(wěn)定性。因此在施工過(guò)程中須采取控制措施確保施工各環(huán)節(jié)的安全性和穩(wěn)定性，保證工程質(zhì)量。