浅埋暗挖隧道穿越既有铁路安全控制技术研究

浅埋暗挖隧道穿越既有铁路安全控制技术研究摘要：浅埋暗挖隧道下穿既有铁路线时，开挖过程中不可避免地会产生地层的损失、引起不同程度的地面沉降，危及正常运营的既有铁路线的安全，本文通过有限差分数值软件flac3d对深圳地铁5号线长深区间暗挖隧道下穿南平铁路线的隧道施工进行三维数值模拟，通过不同施工方法、注浆效果、注浆圈厚度以及管棚效果的模拟比较，分析得出适合本工程的施工方法及施工工艺，在此基础上提出具体的控制措施，很好的控制了地表沉降，保证了南平铁路既有线的安全运营，对同类工程具有一定的指导意义。

关键词：浅埋暗挖，既有线，隧道，安全控制中图分类号： u451.3 文献标识码： a 文章编号：1 工程简介深圳地铁5号线长深区间暗挖隧道在左dk18+980、左dk18+990处下穿平南铁路和平南铁路下排洪涵，铁路与线路相交里程为zdk18+994（影响的铁路范围dk16+120～+160）。

平南铁路为单行线，平均行车频率约42分钟/列，该段为填方路基，盖板箱涵均为1-5m ×5m的排洪涵。

平南铁路轨顶距离隧道拱顶约16.65m，隧道在左dk18+980下穿平南铁路盖板箱涵入口翼墙（该箱涵已废弃）处拱部围岩为全风化、强风化花岗岩，拱顶覆土厚度为6.114m（距离涵基础底）。

隧道在左dk18+990下穿平南铁路和盖板箱涵处拱部围岩为强风化、中风化花岗岩，拱顶覆土厚度为1.348m（距离涵基础底）。

该段隧道底为中风化花岗岩（或微风化花岗岩）。

盖板箱涵基础为100号浆砌片石基础。

隧道与平南铁路平面、剖面关系情况分别如图1所示。

图1 隧道与平南铁路位置关系剖面图2 确定控制标准我国铁路线路维护标准较为严格，达到作业验收的标准为：（1）线路轨距：＋6mm、－2mm；水平：4mm；高低：4mm：（2）道岔轨距：＋3mm、－2mm；水平：4mm；高低：4mm。

（3）线路轨面变化：±3mm/2h、±10mm/24h；累计隆沉量：±20mm；（4）地面累计沉降量：30mm，累计隆起：10mm。

石家庄铁道学院的李文江，朱永全等以规范规定的既有构造物允许不均匀沉降值作为控制指标，采用数学力学的基本分析方法，建立相应隧道施工地表沉降控制标准。

《铁路线路维修规则》规定：线路轨道前后高低差用l=10m弦量测的最大矢度值不应超过4mm。

根据peck沉降曲线规律，由轨道前后高低不平顺决定的地表允许沉降为：（1）其中w为沉降槽的宽度，l为量测弦长，［δ］为铁路轨道允许10m弦量测的最大矢度值。

从以上公式可以看出，研究假定开挖产生的沉降曲线即为线路的变形曲线，即线路与土层特性相比，可以视为完全弹性。

根据及沉降槽的计算公式可推测地表最大允许沉降量为7.4mm。

3 隧道下穿既有铁路施工过程影响预测分析对隧道穿越既有铁路线路施工的影响预测即是运用一定方法对新建隧道施工对既有铁路的影响进行预测分析，与上述控制标准进行比较，若其承受影响的能力大于所受的影响，则既有铁路结构安全、承受安全风险较小；否则即表示既有铁路处于安全风险较大状态，必须采取特殊措施以控制隧道施工影响，以安全通过既有线。

由此还可判定新建隧道施工的影响范围。

隧道施工对于既有铁路的影响是通过施工产生地层变形来传递的，是通过改变既有结构的外力条件和支撑状态对其施加影响的。

根据影响预测分析，可以进行隧道施工方案的优化，从技术上讲，选取的施工方案应该对既有铁路影响最小。

根据现状评估结果和影响预测分析，综合确定施工过程中既有铁路变形的控制指标及控制标准。

3.1 数值计算模型新建两隧道所处的地质条件由三层不同土层构成，从上至下依次为：素填土、砾质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中等风化花岗岩和微风化花岗岩。

隧道在拱部围岩为强风化、中风化花岗岩，隧道底为中风化花岗岩（或微风化花岗岩）。

隧道穿过平南铁路，采用留核心土台阶法施工，每循环开挖长度应不大于0.5～1.0m。

支护结构喷混凝土采用c20早强混凝土厚220mm；二次衬砌采用c30钢筋混凝土，厚300mm。

由于两条分离隧道相离较远，相互间开挖引起的影响较小，计算时只考虑左线单条隧道。

计算参数如表1所示。

（2）计算模型根据圣维南原理和实际需要，整个模型计算范围为80 m×50 m ×36 m（宽×高×长），计算模型网格划分如所示，整个模型共12766个单元，14648个节点。

表1 材料参数表3.2 不同施工方法计算结果分析本次计算采取单洞台阶法、cd法及crd法的比较，图2为各种工法施工下的地表沉降（模型中间截面）以及隧道轴线上方地表沉降情况。

图2 各种工法地表沉降曲线（1）通过对台阶法、cd法及crd施工工法的计算表明，cd法、crd法在控制沉降方面比台阶法要稍好，其中以crd法最佳。

（2）本次计算中考虑到隧道断面积比较小，如果采用控制沉降效果稍好的cd、crd施工工法，则在上述的①部、②部、③部及④部中场地狭小，特别是隧道下半部分的开挖，不适宜于用机械设备挖掘，且施工工法比台阶法复杂，工期方面比台阶法要长。

根据前面采用的台阶法施工过程中沉降监测情况以及施工速度来看，建议本段采取台阶法施工。

3.3 注浆效果模拟在模拟过程中，施工方法按台阶法，每次开挖9m直至整个模型贯通。

模拟过程先考虑土在自重作用下产生的初始应力场，再考虑建筑物施工的影响，然后再考虑隧道施工对建筑物的影响。

模拟过程分别对不注浆和注浆进行模拟。

图3 不注浆情况下衬砌施工完成后隧道轴线上方与模型中间截面地表沉降曲线图4 注浆情况下衬砌施工完成后隧道轴线上方与模型中间截面地表沉降线①不考虑注浆分析通过计算可知，在未采用注浆加固的情况下，隧道上方地表的最大沉降达到16.6mm左右，隧道上方铁路线对应位置的沉降在4.8～18.6mm范围内，铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为13.8mm。

②考虑注浆分析从上述计算可知，采用注浆加固措施后，隧道上方地表的最大沉降和拱顶沉降量均在7.3mm左右，隧道上方铁路线对应位置的沉降在2.0～8.0mm范围内，铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

上文针对新建隧道穿过既有铁路线路的四种位置情况，通过计算分析结果知：（1）未采取小导管注浆加固措施的情况下，隧道上方地表的最大沉降在16.6mm左右，隧道上方铁路线对应位的沉降在6.3～18.6mm范围内，铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为13.8mm。

（2）在采用注浆加固措施之后，隧道上方地表的最大沉降控制在7.3mm左右，隧道上方铁路线对应位置的沉降可控制在2.0～8.0mm范围内，铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

由此可见，采用超前小导管注浆的加固方式有效控制了地表沉降和铁路轨道线路的沉降值，增强了结构的稳定性，提高了施工的安全性。

（3）根据浅埋暗挖隧道施工对既有铁路线的影响预测，根据控制标准，地表沉降控制在7.4mm，可知隧道施工对既有铁路线的运营存在着一定的影响，建议采取其它控制措施，以保证既有线路的正常安全运营。

3.4 不同注浆圈厚度比较图5和图6为不同注浆圈厚度下隧道施工引起的地表沉降曲线，图7为铁路两侧轨道差异沉降曲线。

图5 模型中间截面地表沉降曲线图6 隧道轴线上方沉降曲线图7 铁路两侧轨道差异沉降曲线由上图可知随着注浆圈厚度的增加，注浆控制地表沉降和铁路轨道线路的沉降值作用越大，结构的稳定性越强，但是随注浆圈的加大沉降值的变化率越来越小，说明注浆圈不是越厚越好，注浆圈太厚固然能进一步减小地表沉降但是并不明显，反而会造成不经济。

3.5 管棚效果模拟图8为采用管棚注浆与未采用管棚注浆情况下隧道施工引起的地表沉降曲线，管棚在数值计算时采用桩单元和1m的注浆圈进行模拟。

图8 有无管棚情况下地表沉降曲线由上图可以看出，在管棚作用下地表最大沉降值减小了近9mm，有效地控制了地表沉降，减小了地表变形曲率，这也说明管棚可以起到阻隔沉降和均匀地层沉降的作用。

4既有铁路线变形过程控制技术通过将铁路线轨道沉降（或差异沉降）控制标准值以及地面沉降控制标准值在上述台阶法（见图9）、cd法以及crd（见图10）施工工法中的各个施工步序中具体量化，见表2、表3及表4，这样在施工过程中便于通过采取注浆等控制手段，将各个步序的沉降值控制在规定的范围之内，进而最终实现总的沉降值（或差异沉降值）在规定的范围之内。

图9 隧道台阶法施工步序示意图表2 台阶法施工各关键步序地表沉降值（mm）图10 cd及crd法施工步序示意图表3 cd施工各关键步序地表沉降值（mm）表4 crd施工各关键步序地表沉降值（mm）5 结论（1）通过对台阶法、cd法及crd施工工法的计算表明，cd法、crd法在控制沉降方面比台阶法要稍好，其中以crd法最佳。

根据工程的实际情况，考虑施工速度及机械设备所需的场地，本段最终采取台阶法施工。

（2）采用超前小导管注浆的加固方式有效控制了地表沉降和铁路轨道线路的沉降值，增强结构的稳定性，提高了施工的安全性。

在采用注浆加固措施之后，隧道上方地表的最大沉降控制在7.3mm 左右，隧道上方铁路线对应位置的沉降可控制在2.0～8.0mm范围内，铁路位置沿隧道轴向最大不均匀沉降为6.0mm。

（3）通过对大管棚的数值模拟，在管棚作用下地表最大沉降值减小了近9mm，有效地控制了地表沉降，减小了地表变形曲率，这也说明管棚可以起到阻隔沉降和均匀地层沉降的作用。

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