地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性探微

王　庆　中铁隧道局集团有限公司设备分公司

摘要：随着城市轨道交通工程的发展，地铁成为解决城市交通拥堵的首选，而在修建过程中不可避免的出现了大量地铁下穿既有构筑物的情况。城市隧道施工不仅会引起周边地层的沉降和变形，也会引起邻近铁路隧道的不均匀沉降、开裂，甚至破坏，从而可能引发列车脱轨等严重事故，这些都会给既有铁路的安全运营带来很大的不确定因素，需要进行在安全性分析的基础上，评估是否施加保护控制措施，从而保证既有结构的施工安全。目前已有的文献均主要是粉细砂、粘土等地质条件下的研究，对泥岩地质条件，基本未有涉及。

关键词：地铁盾构隧道；近距离下穿；铁路隧道；安全性

当前在我国铁路隧道工程施工当中，由于受到施工环境和地质条件的影响，对整个工程施工效率和安全性产生了一定的影响。相关施工单位在施工过程当中必须要克服施工环境和地质条件的影响，因此必须要通过更加先进的施工技术来进行保障，这也是我国铁路隧道工程施工所需要考虑的重点问题。在铁路隧道工程施工当中，不可避免的出现了大量地铁下穿既有构筑物的情况，会对铁路隧道工程施工进度产生严重的影响。如果施工单位没有对这些问题进行有效的解决，那么在后续的隧道施工当中经常会产生一些污水、突泥以及高温地质灾害等，对整个施工质量和施工安全性产生了严重的影响，这不但会直接影响到整个工程的质量，同时也会对施工人员的人身安全产生重大威胁。在此基础之上，对铁路隧道工程在地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性进行研究和分析，对提高整个隧道工程施工的经济效益和安全性都有着重要的意义[1]。一、工程概况

某工程采用土压盾构施工，下穿段线间距约为22m，埋深约20.3m。隧道外径6m，内径5.4m，壁厚0.3m，管片宽度1.5m。为国家Ⅰ级铁路标准，设计时速120km/h，现为货运线路，该路段货运列车时速80km/h。盾构下穿结构顶部埋深约8.16m，采用Ⅱ类复合衬砌、Ⅱ类复合加强衬砌，二衬均采用耐腐蚀钢筋混凝土，厚度450mm；轨道道床型式为碎石道床。区间隧道下穿槎路隧道，与铁路股道斜交，夹角约83°，直接下穿既有隧道长度约27m。新建盾构隧道管片与既有槎路隧道二次衬砌外缘竖向净距约2.844m，近距离下穿既有隧道具有很大的工程风险。二、控制要求

根据相关规范及工程经验，该项目从地表沉降、既有隧道衬砌沉降及结构安全、铁路轨道沉降几个方面进行新建盾构隧道下穿既有铁路隧道安全性分析：地表隆沉控制值-20~10mm；既有隧道衬砌结构隆沉控制值±5mm；轨道沉降控制值4mm，轨道平顺性控制值4mm/10m；既有隧道衬砌结构的受压控制时的安全系数为2.0，受拉控制时的安全系数为2.4，裂缝宽度控制值0.2mm[2]。三、新建盾构隧道施工对既有铁路的影响分析

（1）模型建立。利用MIDAS软件建立三维有限元数值分析模型，计算区域主要根据盾构隧道以及既有隧道的位置关系，并满足一定边界效应的要求来确定，三维数值模型整体尺寸为70m（x）×60m（y）×45m（z）。土体强度准则为Mohr-coulomb准则，采用实体单元模拟，衬砌单元采用板单元模拟。模型边界条件：周边侧面进行法向约束，底部垂直位移，模型上表面取为自由边界。（2）施工过程模拟。为降低施工风险，一般相邻两个盾构隧道采用先后开挖：按施工方案，受限对右线隧道采用盾构施工，待右线隧道施工完成后，再对左线隧道进行施工。具体施工步骤：初始应力场，位移清零→既有隧道施工→位移清零→右线隧道施工（开挖进尺1.5m）→施做管片、注浆→右线盾构隧道循环完成→左线隧道施工（开挖进尺1.5m）→施做管片、注浆→左线盾构隧道循环完成[3]。四、数值计算结果分析

通过分析施工过程中地层及隧道衬砌的沉降变化及内力变化，确定新建隧道施工对地层及既有隧道的影响程度。１．位移计算分析。

（1）地层位移。右线施工后，隧道顶部土体竖向变形最大值为14.32mm，左线施工后，隧道顶部土体竖向变形最大值为14.97mm。（2）既有隧道位移。盾构隧道右线施工后既有隧道上方地表沉降约为3.49mm，双线隧道施工后既有隧道上方地表沉降约为5.04mm，满足地表沉降安全控制要求；盾构隧道右线施工后既有隧道衬砌结构的沉降量约为3.42mm，满足沉降要求，左线隧道施工完成后，既有隧道衬砌结构沉降值再次增大到4.85mm，满足沉降要求。（3）铁路轨道位移。在轨面处，最大沉降值位于左、右线盾构隧道上方，最大沉降值约3.75mm，低于4mm的轨道变形控制标准；10m弦长内的最大差异沉降值为1.13mm，低于4mm/10m的轨道变形控制标准。２．结构计算分析。

分别取新建盾构隧道左线、右线与既有隧道交叉断面处既有隧道衬砌拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右墙脚以及仰拱处的内力进行安全系数检算检算结果显示，既有隧道各特征点处安全系数均满足规范要求，且裂缝宽度满足要求，这说明了新建盾构隧道的施工对既有铁路隧道衬砌结构安全的影响较小，不会影响既有隧道衬砌结构的安全使用[4]。五、结语

（1）双线盾构贯通后，既有隧道衬砌结构最大竖向沉降为4.85mm，钢轨位置处结构竖向沉降为3.75mm，轨向差异沉降1.13mm/10m，均满足沉降控制标准及要求，结构处于安全状态。（2）经过验算，管片衬砌结构安全系数能够满足混凝土结构的安全要求，裂缝宽度满足要求。（3）盾构隧道施工使上方隧道衬砌结构发生沉降，在对盾构隧道管片背后土体进行加固处理的情况下，能够保证结构变形和内力在安全范围内，保证列车运行安全。（4）为确保下穿施工顺利完成，下穿施工前应在隧道洞口备好道砟等物资预防突发事件，对既有隧道背后土体加固，设置试验段调整掘进参数；下穿过程中应严格控制线行、姿态与掘进速度，并保证同步注浆和二次注浆，加强监控量测；下穿完成后做好补充注浆及持续监控，直至地铁试运营稳定。参考文献：[1]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].隧道建设,2006,26(5):1-4.[2]柴江明.盾构下穿既有铁路时安全技术措施研究[J].铁道建筑技术,2015(7):46-49.[3]姚海波.大断面隧道浅埋暗挖法下穿既有地铁构筑物施工技术研究[D].北京:北京交通大学,2005.[4]蒋洪进.泥水盾构穿越既有隧道的影响及施工参数研究[D].上海:上海交通大学,2009.2019/19 CHENGSHIZHOUKAN城市周刊51