地铁盾构隧道下穿对铁路股道影响的探讨
摘 要：文中借助于某市地铁线路一区间隧道下穿该市火车站国铁站场的工程实例，剖析了盾构法施工造成地面沉降的主要原因，以及盾构隧道下穿国铁线路股道可能出现的风险因素及影响，提出了相应的防护措施。通过工程实例提出了隧道下穿铁路股道的控制标准，并证明了盾构法施工对于控制地面沉降的突出作用。
关键词：盾构法施工；铁路；地面沉降；影响
1 工程概况
某市地铁线路一区间，双线隧道由西向东下穿该市火车站国铁站场，该火车站站场为我国东西、南北铁路大动脉的交叉点，汇集了多种国铁线路。为尽量减少地铁隧道施工对国铁站场运营的影响，地铁双线隧道均采用盾构法施工。盾构隧道施工过程中存在的主要风险源有：国铁线路股道、站台无柱雨棚桩基、国铁出站通道、站场内多栋砖混结构房屋及站场内的各种管线。本文主要讨论盾构区间隧道施工对国铁线路股道的影响。
2 地铁盾构隧道与国铁轨道的相互关系
火车站轨道自西向东依次为：4条货运线路，为一级道渣碎石道床，混凝土轨枕结构，行车时速80 km/h，车流密集；4条调车线路，为一级道渣碎石道床，混凝土轨枕结构，供火车站站场列车编组调配使用；12条客运线路，动车、普通列车混行，整体式道床，混凝土轨枕结构，行车时速80 km/h。区间隧道与国铁站场平面位置关系图如图1所示。
3 地质概况
火车站站场段地面标高约102.4 m，隧道轨面埋深约 81.1～83.1 m，洞顶埋深约 16.4～14.4m。场地地貌单元属黄河冲积平原。根据岩土的时代成因、地层岩性及工程特性，本场地勘探揭露45.0 m深度范围内地层主要为人工填土，第四系全新统(Q4)粉土、粉质粘土、粉细砂层，第四系上更新统(Q3)粉土、粉质粘土和第四系中更新统(Q2)粉质粘土层等土层。地下水位埋深约10.15～12.0 m。场地隧道围岩基本分级为 I ~ II级。该段地质纵断面如图2所示。
4 囯铁站场地面沉降影响因素分析
4.1 盾构法施工引起的地面沉降
国内外实践表明，盾构施工多少都会扰动地层而引起地面沉降。因此，必须研究盾构施工时引起地层移动，造成地面沉降的机理，以便在施工中通过现场反馈资料，采取相应的防治对策和措施。
盾构推进引起地面沉降的基本原因是盾构掘进时所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结，按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。盾构施工引起沉降的原因与机理见表1所示。
4.2 铁路动荷载对沉降的影响
由于本段地铁盾构隧道穿越土层上方存在铁路动荷载，故尚需考虑铁路动荷载对盾构隧道施工引起的地面沉降的影响。参照《给水排水工程管道结构设计规范》(GB 50332-2002)及相关资料可知，当道路下方的覆盖层厚度较大时，即覆盖层厚度大于0.7 m时，地面车辆荷载的动力系数可取1。地面车辆荷载的动力系数见表2所示。
因国铁站场下盾构隧道埋深约16 m，列车的动荷载的动力作用经扩散后对地面沉降产生的影响可忽略不计，故在进行盾构隧道掘进对站场股道影响分析时，列车的动荷载按经覆土厚度扩散后的静荷载考虑。
5 地铁施工的影响及保护措施
盾构隧道施工对既有建(构)筑物的影响主要是引起的地表沉降，由此可能造成国铁路基道床的不均匀沉降、两股钢轨之间的差异沉降、混凝土轨枕的失效或严重损伤、钢轨的重伤或折断等。当地面不均匀沉降达到一定变形值就会影响其正常使用，从而影响国铁线路的正常运营。
目前国内外隧道施工控制地面沉降最好的就是采用盾构法进行施工。虽然盾构法施工的优越性已是不言自明的事实，但盾构施工中的各种工程事故在国内外工程中也屡见不鲜，有些事故造成的损失也十分惊人。故在盾构施工过程中必须采取有效措施，以尽量减少对国铁站场的运营的影响，同时尽量减少地铁隧道在施工期间和建成后对保护对象及周边环境造成的不利影响。在本段盾构隧道的施工过程中采取以下措施来减少施工沉降，控制工程风险。
5.1 盾构施工处理措施
做好盾构掘进的施工管理，对盾构施工参数的优化是防治地面沉降的最基本的措施也是最有效的措施。具体来说，为控制地面沉降，本段隧道在盾构掘进时，需注意采取以下主要措施：
5.1.1 严格控制土压力
在施工中严格管理，使实际土压略大于计算值。根据地面沉降的结果来实时调整土压力计算过程中的各种参数、安全系数，使得将土压在盾构掘进过程中控制在一合理范围内。鉴于过国铁站场前后地层分布较为连续，在盾构穿越国铁站场前 50 m 范围内设置了两组分层沉降观测点。通过第一组数据得到盾构通过后的地层沉降变化情况，初步确定盾构掘进各项参数；通过第二组数据来验证盾构掘进各项参数，以便进一步调整和修正参数。
5.1.2 保证开挖面稳定
由于在隧道施工过程中盾构穿越的土层主要为粉土、粉砂层，其粘结力较大，容易出现粘性土附着在刀盘上致使刀盘扭矩增大，或土体进入土仓后被压密固化，形成开挖、排土很难达到平衡的状况。针对这种情况，向刀盘前方土体注入泡沫，在增大土体流动性的同时，降低其附着力，防止开挖土附着在刀头和土仓内壁；同时利用刀盘辐条上的搅拌翼将泡沫和切削下来的土体加以搅拌，使之充分混合，变得较为蓬松，增大可排性。从而使开挖土量和排土量保持平衡，保证开挖面的稳定，减少对地层的扰动。
5.1.3 严格控制注浆施工
注浆作为盾构施工的一个关键工序，必须严格按“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，紧密结合施工监控量测的反馈信息，不断优化注浆压力的设定，保证注浆量一定要超过理论计算值，在实际平均注浆量的合理范围内波动。
(1) 同步注浆
根据实际施工中反应的地质情况、注浆速度、盾构推进速度、地面沉降等情况对注浆进行调整，当注浆量不足或压力较高时，必须更换注浆位置继续压注，直至注浆量达到要求为止。同步注浆量应控制在理论空隙量的150%～200%，注浆速度控制为0.037 5～0.062 5 m3/min。注浆材料应选用有5%膨胀性能动浆液。
(2) 二次注浆
在正常同步注浆施工后，根据监测资料进行必要的二次注浆，以充填第一次注浆收缩后留下的空隙。
5.1.4 减少盾构推进方向的改变
盾构推进过程中严格执行“勤纠偏，小纠偏”的原则，严禁大幅度纠偏，尽量减少施工原因造成的盾构推进方向的改变。
5.1.5 保证拼装质量，减少管片变位、变形
隧道管片的变形量与管片拼装的质量紧密联系，在施工过程中，必须强化施工管理，保证管片拼装紧固结实。
5.1.6 实时监测，信息化管理
在施工过程中实时监测，做到依据地面监测数据指导施工，及时调整盾构施工各项参数。以及加强对铁路道床、轨枕、铁轨等铁路设施的变形的监测。并将监测结果及时上报业主、铁路局、总体及设计单位，从而及时作出应对措施，以保证突发情况下铁路运输安全。
总之，盾构机在掘进该段时要对盾构的掘进参数进行详细研究，根据地质的特殊性及监测结果对注浆配比、压力、盾构推力、速度等参数进行优化，确保在过国铁站场时盾构机连续、平稳的通过，使地面沉降保持在最小状态，满足国铁站场管理部门的要求。
5.2 轨道及道床处理措施
在施工期间应对铁路战场内的轨枕板道床按照有渣轨道进行养护管理，施工完成后按照有关铁路标准恢复，并视情况考虑是否限速等其他一些措施。
5.3 制定详细有效的应急预案
在施工过程中，除加强对施工过程的控制，以及对铁路战场内的轨枕板道床按照有渣轨道进行养护管理外，可视情况决定是否考虑限速等其他一些措施。
此外，尚应制定详细有效的应急抢险预案，以对可能发生的突发情况进行准备。保证能在沉降达到警戒值后保持畅通有序的信息沟通渠道及命令发布途径，能迅速将现场情况反馈给相关部门，以便在第一时间采取相关应急措施进行工程抢险，确保铁路运输安全，阻止险情的进一步扩大。
6 国内外类似成功工程的介绍
地铁隧道下穿铁路站场的实例并不太多，收集到的地铁隧道下穿铁路站场的实例主要有：
广州地铁二号线越三盾构区间下穿广州火车站。在没有采用地层加固和扣轨辅助方法的情况下，利用盾构工法安全顺利地完成了穿越14股轨道及其站场站台、地下邮政通道与人行天桥的隧道施工。
同时其它盾构隧道顺利下穿国铁线路的工程尚有：上海地铁九号线R431盾构区间下穿南新铁路；广州地铁五号线中西盾构区间下穿广茂铁路；上海市轨道交通十一号线(赛车场站—同济嘉定校区站)下穿沪宁铁路等。
7 地铁施工的影响及控制标准
结合相关国家规范及国内外地铁施工经验，并依据地铁盾构区间隧道下穿国铁站场设计方案专项审查会专家意见，盾构地铁隧道下穿国铁线路采用以下控制标准：
(1) 路基、地面最大沉降值小于 8 mm。
(2) 铁路轨面最大沉降值小于 4 mm。
(3) 两股轨道之间最大差异沉降值小于4 mm。
(4) 单轨 5 m 内最大不均匀沉降值小于 4 mm。
(5) 单轨 10 m 内差异沉降值小于 4 mm。
根据施工现场施工监测结果的反馈，双线地铁盾构隧道在施工期间国铁站场的最大地面沉降为3.98 mm。实践证明在没有采取其他辅助措施的情况下，采用盾构法修建下穿该火车站国铁站场的地铁隧道对铁路运营未造成任何影响。
8 结论
(1) 由于盾构隧道埋深较深，故列车的动荷载的动力作用经扩散后对地面沉降产生的影响可忽略不计，故在进行盾构隧道掘进对站场股道影响分析时，列车的动荷载可按经覆土厚度扩散后的静荷载考虑。
(2) 根据以往施工经验，在盾构的掘进过程中建立适当的土压力，及时、有效、足量的同步注浆，必要的二次注浆，以及合适的注浆压力和严格控制施工精度对于控制地面沉降有着极为重要作用。
(3) 根据以往施工经验及专家评审会决议确定的盾构地铁隧道下穿国铁线路的控制标准对于其它类似的工程可起到一定的借鉴和参考。
(4) 在施工过程中加强各项施工监测，根据现场检测结果指导施工，以及在施工前对铁路道床进行养护管理及采取铁路限速等措施，做好应急预案对于控制控制风险的发生以及扩大有着极其重要的作用。
(5) 国内的一些成功案例以及本工程实践证明采用盾构法施工可有效避免对国铁站场的影响，也进一步证明盾构法施工对于控制地面沉降的突出作用。
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