摘 要：苏州某地铁盾构隧道下穿沪宁城际铁路施工时，原有铁路地基加固方案产生的沉降量不能满足高速铁路的要求，因此，结合原加固措施，采用板＋桩组合结构的形式对地基进行加固。对此方案，采用二维有限元法分析不同应力释放率下盾构施工引起的地表沉降规律。当应力释放率为３０％时，盾构下穿处板＋桩组合结构的沉降量为３．９ｍｍ，满足高速铁路无砟轨道对工后沉降的要求，但此时板＋桩组合结构中的加固板将与其下方土体脱离。采用三维有限元方法，对高速铁路轨道结构进行静、动应力响应分析。结果表明：当加固板与其下部土体脱离时，在自重应力作用下，钢轨轨面的最大变形为０．５８２ｍｍ，满足轨道不平顺的要求；在最大列车动荷载作用下，轨道板和加固板的最大拉应力分别为０．９３和１．０２ ＭＰａ，均小于规范中所要求的疲劳强度修正值。由此可知，在盾构隧道下穿施工时，城际铁路地基采用板＋桩组合结构形式的加固方案，是能够保证运营安全的。

关键词：地铁施工；盾构隧道；下穿施工；应力释放率；地表沉降；地基加固；疲劳强度

　　

      随着城市轨道交通的快速发展，以及盾构法在软土地区地铁隧道中的广泛应用，出现了越来越多的地铁盾构隧道下穿既有铁路干线的工程。由于盾构隧道施工改变了既有铁路地基原土体应力场，造成开挖面周围土体的扰动，导致隧道周围土体发生位移，进而引起地表变形，势必引起铁路线路的变形，加剧轨道的不平顺，加大轮轨间的冲击力，加速轨道结构和基床的破坏，严重时还会影响到铁路的运营安全^［１］。目前，对于盾构隧道施工引起地表沉降的规律已有大量的研究^{［２－４］}，而对于在列车动荷载反复作用下盾构隧道施工引起铁路线路沉降的研究相对较少^［５］。由此，地铁盾构隧道下穿既有铁路的线路变形控制是亟待解决的问题，在沪宁杭等软土地区这个问题显得尤为突出。

      本文结合苏州市某地铁盾构隧道工程，对地铁盾构隧道下穿施工时城际铁路地基变更后的加固方案进行研究，论证其安全性。

 

　　苏州市某地铁盾构隧道出苏州火车站后左转（半径曲线４００ｍ），由北向南依次下穿新建的沪宁城际铁路和既有沪宁铁路，平面位置如图１所示。既有沪宁铁路为双线Ⅰ级线路、有砟轨道，在苏州火车站改造范围之内，速度目标值为１６０ｋｍ·ｈ^－１。沪宁城际铁路为双线、无砟轨道，速度目标值为２５０ｋｍ·ｈ^－１。盾构隧道与沪宁城际铁路的相交角为１９°～５６°。盾构隧道上、下行线的水平中心间距为１３．７ｍ，线路纵坡为４‰，穿越处隧顶平均埋深为１２．４ｍ，盾构隧道管片外径６．２ｍ，厚度３５０ｍｍ。盾构隧道施工时，上、下行线均由南向北推进；下穿既有沪宁铁路时，将既有沪宁铁路上运营的列车调整到沪宁城际铁路上，下穿沪宁城际铁路时，将运营列车再调整到既有沪宁铁路上。盾构隧道穿越处的土层主要为③_２粉质黏土、④_２粉质黏土、④_３粉土夹粉砂、④_５粉质黏土。各土层的物理力学参数见表１。

      铁路地基的原加固方案主要是将加固区分为３个区，即旋喷桩加固区、主加固区和次固区，各区的加固范围如下。

      （１）旋喷桩加固区：位于沪宁城际铁路路基外侧１ｍ，以及上行线盾构隧道西侧与下行线盾构隧道东侧外各２ｍ范围内，加固深度为隧道底部以下１ｍ至地面。由２排直径为１．５ｍ的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为０．２ｍ。

      （２）主加固区：城际铁路加固区的宽度为２排旋喷桩之间的范围，既有沪宁铁路加固区的宽度为最北铁路线外５ｍ至最南铁路线外５ｍ的范围；加固区的长度均为上行线隧道西侧与下行线隧道东侧外各２ｍ的范围，加固区的深度均为③_２土层底至隧道底部以下０．５ｍ。采用注浆加固，要求静力触探时的比贯入阻力Ｐ_ｓ≥１．０ＭＰａ。

      （３）次加固区：城际铁路为旋喷桩外侧１０ｍ的范围，既有沪宁铁路为主加固区外延１０ｍ的范围，加固长度、深度均与主加固区相同。采用注浆加固，要求Ｐ_ｓ≥０．８ＭＰａ。

      主加固区和次加固区，在强度及刚度上逐渐降低形成过渡。原加固方案如图２所示。

      根据上海地区地铁盾构隧道的工程经验，为控制穿越工点处铁路线路的变形，大多采用注浆或高压旋喷桩对铁路地基进行主动的加固，以保证铁路线路的运营安全。表２为上海地铁盾构隧道下穿各工点时的基本情况统计表，其中包括铁路地基主动加固措施、施工参数及铁路路基的最大沉降量。

      从表２所列的工程实例中可以看出，即便采用了加固措施，盾构施工在下穿各工点过程中均会造成地表不同程度的沉降，且最大沉降量基本上都在１５～２６ ｍｍ之间。对于普通铁路有砟轨道而言，这个沉降量基本满足工后沉降的要求；而对于城际铁路的无砟轨道而言，这个沉降量就超过了工后容许沉降１５ｍｍ的要求^{［６－７］}，此时就不能单纯地靠注浆对铁路地基进行主动加固，而需采取补强的加固措施。

      变更后的加固方案是在原加固方案的基础上进行了调整，具体加固措施如下。

      （１）调整原注浆区平面加固范围，调整后的加固区边缘与地铁盾构隧道外轮廓的距离为３ｍ。

      （２）在已施工的旋喷桩加固区的基础上，沿沪宁城际铁路的主加固区边缘采用单排Ф８５０＠６００三轴搅拌桩作为止水帷幕。

       （３）在地铁盾构隧道下穿沪宁城际铁路处，采用板 （以下称为加固板）＋桩组合结构对沪宁城际铁路的路基进行加固。加固板为钢筋混凝土板，厚１．５ｍ，长 （沿 线 路 方 向 ）７９．０７７ｍ，宽１２ｍ；沿沪宁城际铁路线路方向，在加固板下方设有４排Ф１　０００＠３　０００ｍｍ钻孔灌注桩，即下穿处两隧道的两侧分别各有１排钻孔灌注桩，每排桩桩顶设１．５ｍ×２．０ ｍ梁连接。两隧道外侧的桩长为５５ｍ，两隧道内侧的桩长为５０ｍ。

      变更后的加固方案如图３所示。

      结合以往的工程经验，针对本工程变更方案的特点，需对盾构施工过程中板桩沉降和地表沉降进行计算分析。

 

      盾构施工时影响地表沉降的因素有盾尾建筑空隙、土仓压力、盾构同步注浆压力及注浆量、施工轴线控制、推进速度等，这些因素综合影响的效果与隧道开挖时的应力释放率为对应关系。根据上海地区盾构隧道的工程经验，盾构施工中的应力释放率普遍介于０与３０％之间。本文采用二维有限元方法模拟盾构施工过程，计算不同应力释放率时的地表沉降和加固板沉降，以确定地表与加固板产生脱离的概率。

      选取盾构线路横断面建立二维有限元模型，加固宽度为５８ｍ，加固深度为１１．２ｍ，所选取的断面位置及其地质情况如图４所示。

      采用Ｐｌａｘｉｓ有限元软件建立二维有限元模型，如 图５所 示。 模型中土体采用硬化塑性模型（ＨＳ），单元形式为１５节点的三角形单元；加固板采用板单元进行等效处理，桩采用桩模量进行等效处理；桩与土体间加入接触单元模拟两者间的相对滑移关系。各土层的力学参数按表１选取。

      通过计算，对比分析盾构施工应力释放率为３０％时加固前地表的沉降规律，以及加固后应力释放率为１０％，２０％和３０％的地表沉降规律，如图６所示。

      从图６可以看出，按照变更后的加固方案，盾构施工引起的应力释放率达到３０％时，地表最大沉降量为８．４１ｍｍ，远小于加固前的最大地表沉降２５．１８ｍｍ；考虑到实际施工中的各种控制因素，可能有加固体的存在，实际地表沉降有可能略大于计算量，但是，也不会大于最大地表沉降２５．１８ｍｍ。

      考虑到２＃桩距离隧道最近，以２＃桩为例分析盾构施工对桩基的影响。盾构施工引起的２＃桩的水平位移与沉降如图７所示。　

      由图６和图７可知：改变加固方案后，盾构施工引起的应力释放率为３０％时，桩基的最大沉降量为３．９ ｍｍ，水平方向最大位移量为３．４ ｍｍ，此时加固板只在重力作用下，其变形挠度可以忽略不计，则桩＋板组合结构的整体沉降量最大值为３．９ｍｍ，显然这个沉降量可以满足沪宁城际铁路无砟轨道工后沉降量不大于１５ｍｍ的要求。结合前面的分析，盾构施工引起的地表最大沉降量为８．４ｍｍ，大于桩＋板组合结构的最大沉降量３．９ｍｍ，表明此时加固板将与其下方土体脱离。

 

３　轨道结构静、动应力分析　　

      由于加固板与其下方土体脱离，此时的结构图式将类似于沿沪宁城际铁路线路方向的三连跨的板梁结构，加固板失去了其下部土体的支撑作用，列车动荷载的传递路径及作用效果均有所改变。因此，采用三维有限元方法，对沪宁城际铁路的轨道结构进行静、动应力分析，分析轨道板、加固板在列车动荷载作用下的动力响应，研究其安全性。

      在不考虑加固板下土体承载力的前提下，采用Ａｄｉｎａ有限元软件，建立包括加固板、路基、轨道板、垫片、扣件和钢轨的三维有限元模型，如图８所示。模型中，桩的位置考虑固定约束，加固板与地面接触的部位按悬空考虑，将ＣＨＲ_２型动车组的轴重作为静荷载，列车动荷载按式 （１）计算。

      Ｐ_ｄ＝Ｐ_ｓ（１＋０．３ｖ／１００） （１）

式中：Ｐ_ｄ为列车动荷载；Ｐ_ｓ为列车轴重；０．３代表与速度相关的动力冲击系数，或称之为速度影响系数，并规定动荷载与静荷载之比不大于１．８；ｖ为列车速度，取最高列车速度３００ｋｍ·ｈ^－１。

      三维有限元模型中，各 部件的 计算参数见表３。

      对加固板上组合结构进行静力分析，其主要目的是为了明确加固板与地面脱离时，自重应力作用下加固板和钢轨的变形情况，结果分别如图９和图１０所示。

      由图９可以看出：加固板与其下部下方土体脱离，自重应力作用下加固板的最大变形发生位置出现在 桩 与 桩 之 间 的 跨 中 位 置，最 大 值 为０．６０５ｍｍ，再结合前面盾构施工引起地面沉降的分析结果，加上施工中的不确定因素，可认为地面沉降与加固板挠曲变形之间不易协调，其间脱开是极有可能的。

      由图１０可以看出：即使在考虑加固板与地面完全脱开时，钢轨轨面的最大变形值也只有０．５８２ｍｍ，因此在静力状态下远不会超出轨道不平顺管理值之规定，是安全的。