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摘要：本文以国内软土地区某地铁盾构区间下穿铁路路基为工程依托，研究盾构下穿过程中路基沉降变形规律，明确软土地区中盾构近距离下穿铁路路基的主要风险，并针对类似案例提出相应的控制措施和施工应急预案。该研究结果对软土地区盾构隧道近距离下穿铁路路基工程的设计和施工具有重要的理论和实际指导意义。
关键词：软土地区，盾构隧道，下穿铁路，风险控制
1 前言
随着近年来地下轨道交通得到极大发展，地铁盾构线路下穿既有铁路路基的情况愈发常见。盾构隧道下穿施工不可避免地会改变原土体应力场，造成开挖面周围土体的扰动，导致隧道周围土体发生位移，引起地表及铁路线路的变形，并加剧轨道结构和基床的位移，严重时还会影响铁路的运营安全[1]。因此地铁盾构线路下穿既有铁路路基的风险控制研究成为一个越来越重要的课题。
本文以国内软土地区某地铁盾构区间下穿铁路路基为工程依托。采用理论分析、数值计算、工程类比等方法，研究盾构隧道下穿施工对铁路路基的主要影响及相应的控制措施，研究成果为软土地区类似工程案例分析提供科学的设计和施工。
2 工程案例简介
2.1 工程概况。本工程区间隧道所在地层主要为淤泥质地层、砂质粉土层及填土层，地下水位较高，沿线环境主要为居民住宅、工业厂房，工程情况复杂。区间下穿铁路区域，左、右线基本位于直线段，沿盾构推进方向以12‰的坡度下坡，隧道顶距地表竖向高度16.63m，大于1D。穿越铁路为国家I级双线电气化铁路，时速160km/h，有砟道床，两股道，路基高4m。
本区间采用土压平衡盾构施工，隧道外径为6200mm，隧道内径为5500mm，采用350mm厚钢筋混凝土管片。盾构隧道采用标准环+左、右转弯环衬砌环形式，管片为错缝拼装。
2.2 风险分析。大量工程实践和相关论文研究结果表明，盾构施工的主要变形发生在盾构通过阶段，该阶段变形一般占总变形量的60%以上，产生变形的主要原因是随着掘进盾尾向前移动，导致管片与地层间形成间隙造成土体扰动和下沉[2]。因此盾构隧道下穿既有铁路，主要风险为盾构施工引起铁路路基的沉降。
图2.1 沉陷槽横向分布图
采用Peck法计算的盾构隧道地面沉降量及沉陷槽计算公式如下式；其沉陷槽横向分布见图2.1。
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（1）
式中S(x)：距离隧道中线x处的地面沉陷量；x：距离隧道中线的距离；Smax：隧道中线的最大地面沉降量；i：沉陷槽的宽度系数；
根据经验，一般情况下盾构正常推进施工引起的地层损失率在0.5～2%之间。采取有效的措施后，地层损失率能控制在0.75% 左右。通过估算，本工程区间盾构隧道顶距铁路路基约16.63m，预估变形在6.8～10.9mm左右。
2.3 变形控制标准。盾构区间隧道下穿铁路为国家I级双线电气化铁路，时速160km/h，有砟道床，根据《铁路线路维修规则》（铁运[2006]146号）规定，建议铁路轨道沉降限值为：1）轨面沉降值不得超过6mm；2）相邻两股钢轨水平高差不得超过6mm；3）相邻两股钢轨三角坑不得超过4mm。
3 风险控制措施研究
3.1 施工控制措施分析。为确保铁路的运营安全，需严格控制路基的沉降及倾斜，穿越过程中采取的措施包括盾构机自身的施工措施、地面加固措施、行车限速和监控量测。
（1）盾构机自身措施。盾构机自身的施工措施主要是保证设备状况良好；通过前期试验，优化和确定施工参数，对盾构机的施工参数和注浆参数进行动态调整；盾构穿越通过时，严格同步注浆、洞内径向二次和多次注浆。1）根据地面变形监测数据及盾构施工所采用的参数，掌握不同地层中盾构机掘进参数和地表沉降的相关关系，不断优化调整。2）根据地表监测结果，结合经验参数确定盾构机土压平衡值，使之介于土体的被动土压力和主动土压力之间。3）盾构推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对土体造成的扰动。4）将出土量控制在理论出土量的99.5%左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm）。5）施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量。6）加强盾尾油脂压注及盾尾舱的管理。7）盾构穿越后，在盾尾后4环，采取壁后二次注浆。
（2）轨道加固处理。在盾构机穿越铁路前，与铁路部门取得联系，并积极配合铁路部门的工作，宜对铁路轨道进行扣轨等加固处理，在穿越过程中与铁路部门相关负责人同时进行全程监控，保证盾构推进过程中，地上铁路运营及盾构施工的安全[4]。
（3）行车限速。在盾构机掘进通过铁路前，应与铁路路政部门沟通，充分了解铁路行车计划及间隔，做好合理的工程筹划，并调整盾构推进速度，尽可能在盾构通过铁路时，铁路线上通过的列车最少；并作好必要的限速沟通工作，建议在盾构机通过轨道区期间，列车在该路段减速至20～40km/h，缓慢行驶。
（4）监控量测。盾构掘进过程中，应加强地面沉降及地层内部变形监测。在过铁路处布设主观测断面，对地层做三维变形量测。充分重视监控量测信息化施工，及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理。采用高精度自动监测的方法，对轨道作加密监测，盾构通过期间，每10min提供一组监测数据，并及时向施工人员反馈，依据监测结果调整盾构掘进参数。
3.2 施工应急预案
根据本工程的施工重点及复杂性，应充分考虑到施工技术难度和困难、不利条件等，经分析本工程的突发事件和紧急情况如下：1）隧道穿越铁路下方时，地层自稳性差，引起开挖面塌方，或者由于失水而引起的沉降；2）由于隧道掘进开挖的原因而引起的铁路铁轨不均匀沉降，造成铁路轨道的沉降、倾斜、变形、地面沉降等；3）其他意外的事故。
在施工掘进过程中，若盾构掌子面出现坍塌，应立即采取以下应急保护措施：1）立即使用抢险物资对塌方处进行封闭回填和加固处理，同时把有关信息上报相关各个单位和部门，各单位联合采取必要的抢险措施，加强对轨道的检查和量测工作；2）组织专家讨论分析造成掌子面突发性塌方的原因和相应的控制措施；3）根据确定的控制措施重新制定或调整施工工艺和施工组织，进行施工交底，严格落实各项措施，进行掘进施工。
在施工掘进过程中，若发现地表沉降超过铁路轨道沉降限值，立即会同有关方面根据监测情况制定有效的措施，保护铁路轨道的安全。当铁路轨道的沉降及变形较大时主要采取以下应急措施：1）立即联系铁路有关部门进行轨道的整治修护，将损失控制在最小限度内。2）立即停止盾构掘进，并保持土仓压力，有效控制地表继续沉降。3）对已拼装成形的盾构隧道，在沉降区内进行管片背后补注浆。
4 结论
（1）软土地区中盾构近距离下穿铁路路基的主要风险为盾构施工引起的铁路线路变形。（2）为确保铁路的运营安全，需严格控制路基的变形，穿越过程中采取的措施包括盾构机自身的施工措施、地面加固措施、行车限速和监控量测。（3）根据工程的施工重点及复杂性，应充分考虑到施工技术难度和不利条件等，针对工程中可能出现的突发事件和紧急情况制定相应的应急预案。
参考文献
[1]程雄志.地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究[J].现代城市轨道交通,2012(6):46-49.
[2]曹全,彭华,姚建石.地铁盾构下穿对既有铁路变形的影响[J].铁道建筑,2012(3):61-64.
[3]王伟忠，减延伟.盾构下穿既有铁路线路地基加固方案与效果分析[J].铁道建筑.2007(12).
论文作者:吕帅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/18
标签：盾构论文; 铁路论文; 隧道论文; 路基论文; 措施论文; 工程论文; 轨道论文; 《建筑学研究前沿》2018年第6期论文;