盾构下穿新建铁路站场地基预处理技术
摘 要: 研究目的: 某地铁区间隧道工程为双线隧道，按规划线路需要下穿沪宁铁路轨道，盾构推进施工将引起上方铁路线路的轨面变形，影响铁路行车安全或速度，同时铁路行车也影响地铁隧道的安全。因此本文提出了采取“桩 + 板”方案地基预处理方案解决施工困难，并为同类下穿项目提供借鉴。
研究结论: 研究表明，对本地铁隧道采用“桩 + 板”方案加固，且采用加强配筋管片，有效控制了盾构时的铁路地面变形;施工过程中，同步注浆是关键，比正常注浆量增加 0． 1 ～0． 2 m3为宜，且及时进行二次注浆，以保证地面建筑物的安全。
关键词: 盾构隧道;新建铁路;地基处理;地下穿越
随着城市建设的发展，地铁下穿建(构)筑物将越来越多。尤其当盾构下穿对沉降变形控制要求严格的铁路站场线时，常成为施工过程中的重点与难点。通过对铁路下方地基土体进行适当加固，能够减少隧道结构与其周围土体之间的刚度差异，均匀土层应力分布，减小隧道结构承担的列车动荷载，以减小管片内力，同时增加了土体抗力，控制盾构穿越时引起的地面变形，这无疑是一项切实可行的有效措施。
本文通过某地铁区间隧道下穿沪宁城际铁路(新建)的工程实例，提出了采取“桩 + 板”方案地基预处理方案，即在城际铁路(新建)下方地铁通过线位处预先实施桩板结构，为地铁施工预留通道的方案可以较好地控制盾构穿越时引起的地面变形及保证盾构隧道的结构安全。
1 工程概况
某地铁区间隧道工程为双线隧道，两隧道中心线距离 16 m，隧道内径为 5 500 mm，衬砌厚度为350 mm，轨面设计标高 － 10． 88 ～ － 17． 94 m，隧道结构底板埋深约 14． 50 ～ 23． 00 m，采用土压平衡式(EPB)盾构法施工。
某地铁区间隧道出南端头井后沿规划线路在里程约 SK16 +762 ～ SK16 + 908 处穿越沪宁城际铁路、沪宁铁路多股铁路轨道。铁路站场内下穿段总长约146 m，铁路与隧道基本正交，穿越段平面图如图 1 所示。
穿越段的盾构隧道在平面上位于直线段，竖向为上坡或下坡;铁路站场内的右线隧道为上坡、左线下坡，线路坡度为 23． 00‰，隧道结构顶部覆土厚度为17 ～ 21 m;隧道顶部埋深约 21 m。线路纵断面如图 2所示。
根据勘探时现场土层鉴别、原位测试和土工试验结果综合分析，本场地自地表至 40． 0 m 深度范围内所揭露的土层均为第四系沉积地层，各土层分布总体较稳定，地层层序较完整，土层均匀性中等 ～ 较好，隧道穿越土层主要为(3)3 粉土夹粉质黏土层、(5)粉质黏土层、(6)1 －1 粉质黏土层、(6)1 黏土层。
2 加固方案
盾构推进施工将引起上方铁路线路的轨面变形，影响铁路行车安全或速度;铁路行车又使盾构管片长期承受附加动应力的作用，影响隧道结构的安全性及耐久性。结合本工程隧道的埋深、地质情况、列车荷载状况等多方面因素，在铁路建设时地铁建设单位即主动与铁路部门沟通采取预先加固处理措施，以减小城际铁路运营后地铁施工带来的影响，城际铁路加固采取“桩 + 板”方案如图 3 所示，即在城际铁路下方地铁通过线位处预先实施桩板结构，为地铁施工预留通道。
3 地铁区间盾构施工对新建沪宁城际铁路影响数值模拟分析
根据该区间隧道与沪宁城际铁路布置相交方案，建立了混凝土板 + 桩保护方案的三维有限元计算模型。以区间隧道中心线与既有沪宁铁路边线交点为原点，建立了包括既有沪宁铁路路基、沪宁城际铁路路基、区间隧道、混凝土隔板及桩的三维整体有限元网格，一共剖分了 15 425 个三维 8 节点空间等参单元，板桩单元如图 4 所示。计算坐标以沿既有铁路线方向为 X 轴，垂直铁路线方向为 Y 轴，Z 轴与大地坐标重合，指向上为正。沿 X、Y、Z 轴三个方向的计算范围分别为 119． 8 m、61． 00 m、55． 56 m，隧洞开挖单元的有限元网格如图 5 所示，材料计算参数如表 1 所示。
根据计算结果(图 6 ～ 图 8)可以看出，由盾构施工开挖引起的地表沉降量分布在0．80 mm 到2．64 mm;在隧道开挖的正上侧，由于采取保护措施，地表的地面沉降量控制在1 mm 以内，板外侧部分沉降达到2．64 mm;在采取保护措施的情况下，隧道开挖洞口变形得到控制，顶部出现较大向下变形，为 6． 16 mm，隧道底部出现上抬，位移为 9． 70 mm。
4 沪宁( 城际) 铁路工程对地铁区间盾构施工的影响分析
对于该地铁区间，以区间隧道下穿既有沪宁铁路的方式通过。通过对地铁盾构区间结构下穿沪宁(城际)铁路段进行数值模拟，以确定既有沪宁铁路工程对轨道交通区间盾构施工的影响。
盾构隧道内径采用Ф5 500 mm，管片厚度350 mm，管片宽度 1 200 mm，盾构区间结构断面如图 9 所示。
选取区间过沪宁铁路最大埋深断面计算。此处埋深 20． 8 m，隧道所在地层主要为(6)1 黏土、(6)2 粉质黏土，采用水土合算。其计算结果如图 10 ～ 图 13所示。统计结果如表 2 所示。
5 盾构穿越沪宁铁路设计施工技术措施
(1)认真细致做好地铁施工穿越段工程地质、水文地质勘探及地下构筑物调查工作，防止推进过程中发生意外情况;
(2) 加强管片配筋设计: 铁路线下方及两侧各20 m 范围内的钢筋混凝土管片采用加强型配筋;
(3)在盾构距离铁路 50 ～100 m 范围内做一试验段，制定详细的监测计划，对监测数据进行分析处理，预测盾构穿越既有线的沉降值，为以后是否启动应急预案做参考;
(4)地基变形的大小主要取决于壁后注浆的效果。必须确保在脱离盾尾后短时间内无支护状态下变形或坍塌引起地表变形最小，因此应根据本标段地质情况选取渗透性好、止水性强、早期强度大的同步注浆材料，采用二次或多次重复注浆进行补充;根据试掘段施工沉降情况，必要时可增设注浆孔采取全断面注浆消除沉降如图 14 所示;
( 5)采取先掘进一条盾构隧道，待沉降影响消除后再施工另外一条隧道的方案，避免两条隧道施工沉降叠加影响;
(6)新建沪宁城际铁路部分站线道床为碎石道床，根据监测数据，可采取纵横便梁或扣轨加固，并通过及时调整道砟等措施消除道床及轨道的不均匀沉降等，保证铁路平顺运行;
(7)盾构穿越铁路地段时，建议对通过列车限速运行，以保证铁路安全运营。
6 结论
(1)对新建铁路下方地基土体进行“桩 + 板”方案加固，能够减少隧道结构及其周围土体之间的刚度差异，均匀土层应力分布，增加土体抗力，有效地控制盾构穿越时引起的地面变形;
(2)对铁路影响范围内的隧道采用加强配筋管片，以及在盾构推进时实行信息化反馈施工并进行信息分析，及时调整井下掘进施工参数，保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾时及时采用同步注浆、二次注浆来填充盾尾建筑空隙，能有效地控制盾构穿越时引起的地面沉降及有效地保证隧道结构安全;
(3)在施工过程中，正确贯彻设计意图，合理安排施工步序、强化现场监测和信息反馈是工程安全的保证。盾构掘进时的铁路站场保护，同步注浆是关键。必须确保同步注浆方量，可比正常情况略多，但太多可能造成盾尾漏浆，一般增加量为 0． 1 ～ 0． 2 m3。根据监测资料及时进行二次注浆，采用水泥砂浆，以控制建筑物的后期沉降和差异沉降，特别是差异沉降的控制是保护建筑物的关键。
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