地铁盾构隧道下穿运营铁路的设计思路

摘要：当地铁线路与既有运营高速铁路产生交集时，地铁建设即盾构隧道施工不可避免地会对上部铁路结构产生扰动。这种扰动究竟会对既有铁路产生怎样的影响，是一个颇具工程意义的科学问题。有鉴于此，本文拟对盾构隧道下穿各种既有运营铁路的情况进行归纳，并对目前学界关于盾构下穿铁路问题的研究现状作主要阐释，最后对盾构下穿既有铁路未来技术发展做出展望。

关键词：地铁盾构隧道；下穿运营铁路；设计思路 引言

在城市轨道交通网不断完善和发展的过程中，城市轨道交通不可避免地要穿越现有结构。例如深圳地铁项目第三阶段，现有隧道附近有13个地方另一方面，社区工程往往会带来更大的风险和困难，特别是当一个盾牌跨越一条现有的铁路线时，而这条铁路的实施风险和技术控制困难特别大。盾构施工过程不可避免地会导致土层、轨道结构和铁路附件变形。如果控制不充分，盾牌的执行不仅会带来很大风险，而且会严重影响现有铁路线的运行安全。

1盾构隧道下穿既有运营铁路的问题情况

目前针对盾构隧道穿越既有运营铁路的案例已有大量文献报道。受隧道施工影响而发生沉降变形的铁路结构物，主要包括以下六种情况:(1)盾构隧道下穿既有铁路路基，隧道开挖导致轨道路基沉降。(2)盾构隧道下穿铁路桥，导致桥墩发生水平位移和竖向位移变形。(3)盾构隧道下穿既有铁路车站，导致车站站台产生局部沉降，例如天津地铁解放路北站～天津站区间段穿越天津站铁路下方，天津站站台产生一定沉降变形。(4)盾构隧道下穿铁路箱涵，隧道穿越铁路时引起箱涵产生水平位移、竖向沉降，进而发生倾斜。(5)盾构隧道下穿既有铁路隧道，造成隧道结构和铁路轨道发生竖向沉降。(6)盾构隧道下穿既有铁路桥群桩基础，导致桩基础发生竖向沉降和侧向变形，例如成都地铁4号线某区间盾构隧道下穿铁路群，铁路群包括成绵乐客专、东环线、达成线共10股铁路线。本文

将盾构隧道下穿这六种铁路结构物的研究内容总结为三个方面:(1)地表和结构物沉降问题研究。(2)主动加固方案效果评价。(3)微扰动盾构掘进参数优化。

2地铁盾构隧道下穿运营铁路构思 2.1盾构隧道规划

圆形盾构隧道外直径6000mm，管片厚度300mm，管片宽度1500mm。采用结构荷载模型筹算盾构隧道管片涂层结构的内力和形变，考虑永久荷载、可变荷载和偶然荷载等最无用荷载组合下的结构承载力，实施管片配筋操作，钢含量提至205.48kg/m3，管片混凝土选择形变和轻度均符合的高强C50砼。

2.2旋喷桩加固

在铁路两侧的明渠中布置了三排800mm@500mm的旋转桩，起到加固、停水、保温和变形控制的作用。回转脚采用电阻级p . o . 42.5及以上水泥，水灰比为1 : 1。为了提高水泥阵列的性能，根据水和土地的特性，混合水泥的数量不得少于20%，采用室内掺量试验或现场试验。采用三管注泥方法，施工参数由试验根据地形条件确定，水泥泥浆流量和高压水流压力大于30MPa，空压机压力参数在0.6 ~ 0.7 MPa之间，提升速度完成。

2.3防止偏磨出现

刀盘刀具焊接耐磨设备，选用硬度大、抗切割性强的切割头，联合重型刀盘一起应用；经过对复合式盾构机滚刀，齿刀调换，配合不同的刀具搭配方式，达到此地层的开挖条件。选用重型滚刀或耐磨滚刀，把双刃滚刀调换为单刃滚刀，单刃滚刀的接触面积相对双刃滚刀较小，破坏速度更快。按期或不定时校验刀具，防止过度损耗，缩短使用期；有规划更新工具，管控刀具的损耗速率。在穿越结构破坏区域前，应选取恰当的保压位点停放机器，对盾构机等器械彻底检验修整。

2.4线路架空加固——“横挑纵抬”法

为了确保铁路的安全运营，必须加强航空公司，以确保铁路在公路基础大规模铺设时始终安全运营。线路加固后的列车荷载传递路径为:“列车荷

载”→“轨道”→“扶手”→“大梁”→“手动钻孔桩”。具体加固方案如下:1.5m，l = 8m ( z1-z3，Z16~Z18)和l = 16.5m(Z4-z15)，用于在北京-广铁路下行线和下行肩之间人工钻C30钢筋混凝土桩，以支撑大梁。支撑桩顶部配有一个桩帽，其水平应略低于路面基层，加固系统的横梁(组)采用I36C钢，并在两个横梁之间配有一个ⅰ钢梁；轨道的跨度约为5.7米和5.125米，穿过轨道底部。纵梁采用I63C钢梁，在铁路下行线之间的手动钻孔桩上分别安装了一组三件，在线的外侧路肩位置，纵梁的主要范围最大为13.5米；大梁由预埋在钻孔灌注桩中的钢轨固定，大梁和横担由u形螺栓连接，为保证线铺设后基本轨道的固定，网架和基本轨道由k形固定板固定，应保证网架和钢轨之间的可靠绝缘。

2.5加强措施的比较分析

目前，将现有铁路延伸到盾构隧道下方的加固措施主要包括加固混凝土板+加固桩、加固套筒管片、加固环轨、传统的d型梁加固以及将面团注入孔内。如表3所示，对这些加固措施在本项目中的适用性进行的比较分析表明，只有传统的d形梁加固方法在本项目中更为合适，能够满足施工和入库控制的要求由于本工程轨道线间距仅为5m，在保证铁路正常运行的基础上没有桩基础施工空间。为了最大限度地降低风险，提出了一项加强弹性基梁+d型梁的计划，以防止大型桩柱设备进入，影响铁路上方的接触网，并适应在铁路过于拥挤的情况下小桩柱无法实施的客观条件.

3盾构隧道下穿高速铁路技术展望

目前学界对于盾构下穿高速铁路问题的研究，方法上主要有经验公式、理论公式及数值仿真与现场试验监测。经验公式中最为经典和重要的是Peck公式。Peck法在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，认为盾构推进后地面横线沉降基本为近似正态曲线。具体计算式如下:

（1）

式中:Sx为隧道轴的中心在地面沉降所造成的损失值;i为地表沉降槽的宽度系数(m)，即隧道沉降曲线拐点到中心的距离;Smax为隧道中心线地面沉降的最大

值。学者专家依据工程经验及现场测试对Peck公式进行了有益的修正和补充。将Peck公式计算得到的地表沉降值与现场监测值对比研究，根据实测值反算，优化了公式中地层损失率的取值。理论公式中较为成熟的为Sagaseta提出的地表沉降的三维计算公式。

（2）

式中:δz(x)为与隧道轴线正交的平面内土层的垂直位移;δz(y)为与隧道轴线平行的平面内土层的垂直位移;Vs为土体体积损失;x、y为距中心线的距离;H为隧道的埋深。对于盾构下穿高铁的直接相关研究主要集中在数值仿真上。结合具体的工程案例，利用数值仿真计算盾构下穿影响下轨道的沉降值，这是最普遍的做法。则考虑了注浆加固对于轨道沉降的影响。结合动力学理论，运用数值仿真研究了高速列车在隧道上方运行时，列车振动对地层及隧道的变形影响。

结束语

目前，我国正位于基础设施全力发展时期，尤其是城市轨道交通，面临的动工条件和整体环境日趋复杂，相似的建设项目普遍涌现。本文以大沙东站—姬堂站区间隧道下穿广深铁路工程为例，论述有线隧道盾构作业时的实际操控不足点，为类似工程提供参照。

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