铁道建筑 ２０１２年第３期 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ６１ 文章编号：１００３—１９９５（２０１２）０３—００６１—０４ 地铁盾构下穿对既有铁路变形的影响 曹 全 ，彭 华 ，姚建石 （１．北京铁路局总工程师室，北京１００８６０；２．北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４； ３．北京京投轨道交通资产经营管理有限公司，北京 １０００４４） 摘要：随着轨道交通的发展，地铁盾构下穿既有铁路的工程日益增多，其工程难度较大且变形难以控制。 本文以北京市地铁１４号线穿越京津城际铁路为例，通过ＡＮＳＹＳ有限元软件，建立地层一土体结构三维 实体模型，模拟盾构穿越京津城际的施工过程，分析探讨不同工况下既有铁路路基及轨道结构的变形规 律，并提出理论分析方法和既有铁路保护措施，为今后类似盾构穿越工程提供建议和参考。 关键词：盾构 既有铁路轨道数值模拟 沉降变形 中图分类号：Ｕ４５５．４３ 文献标识码：Ａ 盾构法施工时，会对周围地层造成扰动或造成建 根据地质勘查报告资料，拟建场地位于永定河冲 筑空隙不充分填充，从而引起地表的不均匀沉降。因 洪积扇下部，地貌类型为第四系冲洪积平原，地层由人 此，当盾构上方周围有地面铁路线路时，不可避免地会 工堆积层和第四系沉积的黏性土、粉土、砂类土、碎石 引起既有线路的沉降。如果沉降过大，会导致轨道不 类土构成，基岩埋深＞５０ ｍ。工程穿越的地层主要为 平顺超限甚至轨道破坏，影响列车的正常运营。因此， 细中砂、黏土层、中粗砂和卵石层。 地铁盾构下穿既有铁路，尤其是高速铁路时，对线路变 形控制的要求十分严格。 目前，对于地铁盾构穿越铁路工程的研究相对较 少，地铁盾构穿越高速铁路的研究更是鲜有。本文以 北京市地铁１４号线穿越京津城际工程为例，模拟盾构 下穿的施工过程，充分分析、总结地铁盾构下穿所导致 的京津城际铁路的沉降特性，并提出了一些设计施工 方面的建议。 １工程概况 北京地铁１４号线马家堡东路站一永定门外大街 ２有限元模型的建立 站区间全长８３２．４６７ ｍ。线路平面有两处曲线，其中 ２．１模型及假定 穿越京津城际及京沪铁路段区间结构为半径３３０ ｉｎ 结合实际工程特点，采用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立 （左线）、３１０ ｍ（右线）的曲线段，采用盾构法施工。在 仿真计算模型。模型采用地层一土体结构三维实体模 永定门外大街站西端设置盾构始发井，从始发井部位 型。模型包括路基、土体、注浆加固区域以及新建隧 依次推进穿越京津城际及京沪铁路，区间以约５１。角 道。各部分结构均采用Ｓｏｌｉｄ４５单元进行模拟。 斜向下穿，盾构开挖洞径为６ ｍ，管片厚度为０．３ ｍ。 为使模型网格划分效果较优，并考虑尽可能消除 工程穿越的地面铁路线，现况均为路基段有砟轨 边界条件带来的影响，结合新建地铁隧道与既有铁路 道。由于靠近车站，京津城际在此路段的列车速度不 的相对位置，确定了沿铁路线路纵向３００ Ｉｎ，线路横向 高。列车经过此路段的车速为８０—１２０ ｋｍ／ｈ。既有 １００ ｍ，土体厚度４５ １ＴＩ的计算模型。计算模型如图２ 铁路与新建地铁相对位置关系如图１所示。 和图３所示。模型计算时，土体四周及底部采用法向 约束，地表为自由边界。 收稿日期：２０１１－１０・１７；修回日期：２０１１—１１—２５ 基本假定： 作者简介：曹全（１９６６一），男，北京市人，高级工程师。 １）土体为各向同性、均匀的理想弹塑性体，简化 ６２ 铁道建筑 Ｍａｒｃｈ，２０１２ 图２整体模型区域范围（单位：ｍ） 图３理论分析模型 地表和各层土体，使其均呈匀质的水平层状分布。 ２）初始地应力在模型计算中只考虑土体自重应 力（不考虑地下水与岩土体构造应力），使岩土体在自 重作用下达到平衡，而后再进行盾构施工的开挖。 ３）模型中所选用的地层参数，参照工程地勘报告 中所给出的土体参数。 ４）既有铁路的路基与轨道结构变形一致，既有铁 路在施工前路基及轨道结构处于良好状态。 ２．２ 参数取值 根据实际工程中地质勘查报告所提供的地层参 数，模型中选择土体参数时，对一定深度范围内岩土类 别相近的岩土体进行合并，并对土体参数进行综合取 值。各项参数取值如表１所示。 表１实体模型参数 ２．３施工过程的模拟与实现 盾构隧道所在的土层位于土层５，层顶距地表 １６ ｍ，建模时取新建隧道（单线）的盾构掘进长度为 ９０ ｍ。对既有铁路注浆加固后土体的弹性模量分别 为１５０ ＭＰａ，２００ ＭＰａ和２５０ ＭＰａ（正常工况）三种工况 进行计算分析。 分析盾构开挖引起既有铁路路基及轨道结构的变 形，需要根据实际的施工情况来设计模拟开挖步序。 即先开挖地铁右线，后开挖地铁左线。在每一次盾构 推进后，将管片范围内的土体材料属性替换成管片的 材料属性，以模拟盾构的推进。 ３ 穿越引起京津城际轨道变形 ３．１ 正常工况下京津城际轨道变形 为了便于计算分析，模型中选取京津城际上下行 线路最外侧的２股钢轨所在的位置（间距５．８ Ｉｎ）作为 研究对象，并分别标记为“轨１”、“轨２”。京津城际其 余各轨变形情况可根据内插求得。 ３．１．１ 盾构穿越过程中钢轨竖向变形规律 经计算，盾构穿越施工完毕后的钢轨竖向变形曲 线如图４所示。 暑 崮 垂 图４穿越施工完毕后两轨竖向变形及其差异 由图４曲线可知，新建隧道左右线盾构完全穿越 模型土体后，轨１和轨２的竖向变形呈抛物线趋势，竖 向变形最大值位于穿越中心位置。其中，轨１最大沉 降值为４．７８ ｍｍ，轨２最大沉降值为３．８３ ｍｍ。 为反映出新建隧道盾构施工对京津城际各钢轨水 平高差带来的影响，将轨１和轨２的高度相减，得到京 津城际钢轨竖向变形差异曲线亦如图４所示。由图４ 钢轨竖向变形曲线和竖向变形差异曲线可知： １）钢轨竖向变形主要发生在穿越中心±３０ ｍ范 围内，呈对称状分布。钢轨最大竖向变形＜５ ｍｍ，每 １０延米的钢轨变形不超过１．０ ｍｍ。 ２）在盾构掘进的过程中，沉降值随土体开挖的进 行不断增大，在盾构穿越京津城际路基正下方土体时， 沉降较为明显。 ３）京津城际上下行线路最外侧的２股钢轨水平 高差＜１．０ ｍｍ，由内插法可知，京津城际上下行线路 各自的水平高差均能控制在１．０ ｍｍ以内。 ３．１．２盾构穿越过程中钢轨横向变形规律 通过选取轨１及轨２上工程穿越位置的中心点作 ２０１２年第３期 地铁盾构下穿对既有铁路变形的影响 ６３ 为主要考察对象，作钢轨在盾构施工完毕后的横向变 形曲线和变形差异曲线，如图５所示。 吕 鲁 —尽 颦 器 器 图５ 穿越施工完毕后两轨横向变形及其差异 由图５可知，钢轨横向变形主要发生区域集中在 工程穿越中心处沿京津城际线路方向±５０ ｍ的范围 内。盾构穿越施工完毕后轨１、轨２的横向变形呈正 弦曲线趋势，最大横向变形分别为２．３３ ｍｍ和２．２５ ｍｍ，最大横向变形位于穿越中心两侧约±２５ ｍ的 位置。 由图５还可以看出： １）由于新建隧道为曲线形式，且切人角度约为 ５１。，切入角并不理想，其最大横向变形为３．５０ ｍｍ，盾 构穿越工程的施工对轨道结构的横向变形影响不能 忽略。 ２）钢轨横向变形的变形值及速率在盾构穿越京 津城际正下方时达到最大，钢轨的横向变形经历了先 增大后减小的过程。 ３）随着盾构施工的进行，京津城际４股轨道的钢 轨横向变形趋于一致。施工完毕后，钢轨间横向加宽 量不大，加宽值在一０．２０～０．８Ｏ ｍｍ之间。 ４）结合钢轨竖向变形规律可知，工程主要影响区 域为穿越中心±３０ ｍ范围内的路基及轨道结构，工程 次要影响区域为穿越中心３０～５０ ｍ范围内的路基及 轨道结构。 ３．２不同注浆效果对施工的影响 注浆加固可以有效地盾构施工引起的土体及 上部铁路结构的位移。不同的注浆效果加固后地层的 强度对施工中既有结构的变形影响不同，取注浆加固 后地层的弹性模量分别为２５０ ＭＰａ，２００ ＭＰａ和１５０ ＭＰａ三种工况进行模拟分析。 ３．２．１ 钢轨竖向变形对比 不同注浆效果情况下的盾构穿越施工，对京津城 际钢轨的竖向变形所造成的影响也有所不同。图６和 图７分别为工程施工完毕后，不同注浆效果下的京津 城际钢轨竖向变形曲线及钢轨竖向变形差异曲线。 吕 匠 崩 暴 露 图６不同注浆效果下钢轨竖向变形 吕 吕 ｊ１ｌＩｊ 厦 崩 暴 露 整 畦 图７不同注浆效果下两股钢轨竖向变形差 由图６和图７可知，随着加固土体弹性模量的增 加，两轨竖向变形最大值相应减小，钢轨在１０ ｍ弦长 范围内最大变形也相应减小。施工完毕后，钢轨最大 沉降量及竖向变形差异汇总如表２所示。 表２不同注浆效果下钢轨竖向变形汇总 由图６、图７还可以看出： １）不同注浆效果情况下，盾构施工对京津城际所 造成的轨道沉降会有所差异。随着注浆效果的减弱， 钢轨沉降量增大。 ２）注浆效果的变化没有引起工程施工期间主要 影响范围的变化，钢轨发生沉降的部位均集中在盾构 穿越中心上方约±３０ ｍ范围内。 ３）注浆效果的变化所引起的轨道竖向变形差异 较小，其差异值均小于１ ｍｍ。就轨道横向水平高低而 言，注浆效果保证在土体弹模达到１５０ ＭＰａ以上时，对 行车安全不会造成影响。 ４）注浆后土体弹模为１５０ ＭＰａ时，钢轨在１０ ｍ弦 铁道建筑 ｇｕｖ睬 厦鼙磊幂塾睦 表３不同注浆效果下钢轨横向变形汇总 ｇｍ／龄 叵 磊器 长范围内最大变形超过２ ｍｍ，会对轨道平顺性造成不 良影响。 ３．２．２钢轨横向变形对比 工程施工完毕后，不同注浆效果下的京津城际轨 道横向变形曲线及轨道横向变形差异曲线分别如图 ８、图９所示。 图８不同注浆效果下钢轨横向变形 图９不同注浆效果下两股钢轨横向变形差 由图８和图９可知，盾构穿越施工完毕后，钢轨横 向变形的最大值随注浆效果的减弱而略微增大。三种 注浆效果情况下，轨１横向变形最大值在２．３３～ ２．４８ ｍｍ之间，轨２横向变形最大值在２．２５—２．３７ ｍｍ 之间。 注浆后土体弹模为２００ ＭＰａ时，最外侧两轨的横 向变形差异在一０．２５～０．９０ ｍｍ之间；注浆后土体弹 模为１５０ ＭＰａ时，最外侧两轨的横向变形差异在 一０．３１—１．１５ ｍｍ之间。 施工完毕后，钢轨最大横向变形值及横向变形差 异汇总如表３所示。 由图８、图９还可以看出： １）钢轨横向变形主要发生区域均集中在工程穿 越位置中心处沿京津城际线路方向±５０ Ｉｎ的范围内。 ２）注浆效果的减弱会使两股轨道的横向变形 差异增大。但三种注浆情况下的钢轨横向变形差异值 均较小，对轨道横向平顺性影响不大。 ４结论及建议 １）以隧道埋深１７ ｍ，注浆后土体弹性模量达到 ２５０ ＭＰａ作为正常工况。计算分析得轨道结构的变形 满足《新建时速３００～３５０公里客运专线铁路设计暂行 规定》中轨道静态变形控制标准。 ２）竖向变形呈抛物线趋势，变形最大值位于穿越 中心位置；横向变形呈正弦曲线趋势，最大横向变形位 于穿越中心两侧约±２５ ｍ的位置。 ３）工程主要影响区域为穿越中心－Ｉ－３０ ｍ范围内 的路基及轨道结构，工程次要影响区域为穿越中心３Ｏ ～５０ ｍ范围内的路基及轨道结构。 ４）注浆效果直接影响轨道结构的变形。随着注 浆后土体弹性模量的增大，两轨竖向变形最大值不断 减小，钢轨在１０ ｍ弦长范围内最大变形也不断减小。 注浆效果越好越有利于轨道平顺性的保持，因此施工 期间宜加强对注浆效果的检查。 ５）由于新建隧道线路为曲线，盾构造成的隧道超 挖会引起明显的地表沉降以及隧道周围土体的水平位 移。相对普通铁路线路，高速铁路对于沉降的要求更 为严格，因此在盾构下穿高铁时，应加强监测，及时反 馈数据并进行分析，做到施工和监测联动。 参 考 文 献 ［１］张云，殷宗泽．盾构法隧道引起的地表变形分析［Ｊ］．岩石力 学与工程学报，２００２，２１（３）：３８８—３９２． ［２］施仲衡，张弥．地下铁道设计与施工［Ｍ］．西安：陕西科学技 术出版社，１９９７． ［３］李围．隧道及地下工程ＡＮＳＹＳ实例分析［Ｍ］．中国水利水 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