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地铁盾构隧道下穿货运铁路设计

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：陈鹏

[导读] 摘要：货运铁路载荷大，对环境影响要求严格，地铁盾构隧道下穿货运铁路风险较大，需专门研究分析。

        中铁上海设计院集团有限公司天津分院天津 300073
        摘要：货运铁路载荷大，对环境影响要求严格，地铁盾构隧道下穿货运铁路风险较大，需专门研究分析。本文通过采取工程加固措施，并结合有限元分析，结合铁路控制标准，确保下穿铁路安全。
        关键词：盾构隧道；货运铁路；环境风险；有限元
        1 工程概况
        呼准铁路北起呼和浩特呼西站，南至准东线周家湾站，向西延伸至有“全国产煤第一县”之称的鄂尔多斯市准格尔旗，线路为单线货运铁路，设计运输能力为2670万吨/年。
        呼和浩特市某地铁出入段线采用盾构法下穿呼准铁路。盾构隧道穿越呼准铁路范围主要穿越圆砾层、细砂层。盾构隧道左、右线与呼准铁路平面上呈斜交，夹角约为39º。呼准铁路属于重要的环境设施类别，确定环境风险等级为I级。
        呼准铁路控制标准：
        （1）轨面沉降值不得超过8mm；
        （2）相邻两股钢轨水平高差不得超过8mm；
        （3）相邻两股钢轨三角坑不得超过8mm；
        （4）前后高低（纵向水平）8mm。

        图1 盾构区间隧道与呼准铁路平面关系图
        2 工程地质及水文地质
        本场区按地层岩性及其物理力学性质分层主要有：杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、圆砾、卵石等。
        经现场实测，本场地赋存一层地下水，地下水类型为潜水（二），地下水埋深12.1m。
        3 设计方案
        地铁盾构隧道穿越呼准铁路处，呼准铁路为高路堤形式，采用碎石道床，填方路基高度约为7.9m。盾构隧道顶至呼准铁路路基顶竖向距离14.12m，至呼准铁路路基边坡竖向距离约6.2m。盾构隧道穿越呼准铁路范围主要穿越卵石层、圆砾层、细砂层。

        图2 盾构区间隧道与呼准铁路剖面关系图
        针对本区间下穿呼准铁路风险工程，特别制定了风险处理措施，方案主要内容如下：
        3.1 呼准铁路加固措施
        施工前需先对呼准铁路进行加固，采用3-5-3扣轨加固法。扣轨加固长度为60.0m。扣轨与其下的普通岔枕采用Φ22-U型螺栓联结在一起，扣轨采用50kg/m钢轨。铁路设计限速45km/h。
        3.2 盾构穿越呼准铁路施工技术措施
        （1）盾构始发前检查或更换盾构刷，并揩满密封油脂，确保同步注浆不漏浆。
        （2）穿越前调整好盾构姿态，匀速、连续地推进，减小变速推进对周围土体的扰动；
        （3）严格控制切口土压力与推进速度、出土量的协调，设定土仓压力略大于正面土压力；
        （4）盾构推进过程中及时充填隧道壁后空隙，并控制好注浆压力及注浆量。同步注浆浆液建议采用充填性好、凝结后体积收缩率小、泌水率小、早期强度高的浆液；
        （5）加强监测，若监测数据表明上部构造物变形达到预警值，采用二次注浆，注浆时，严格控制注浆压力，并按"多点、均匀、少量、多次"的原则有序进行，直至土体变形稳定。必要时可采取地面跟踪注浆的措施，确保沉降在变形控制标准范围内；
        （6）严格控制管片拼装精度，确保防水材料处于最佳工作状态，防止管片渗漏水造成上方土体的沉降；
        4 有限元分析
        采用大型分析软件对盾构隧道下穿呼准铁路建立模型进行计算。选取下穿处断面，建立二维数值模型，对盾构隧道下穿呼准铁路影响进行分析。
        计算采用“地层-结构”模型，衬砌采用梁单元，其余均为平面单元，采用位移边界条件，计算模型及网格划分如图3所示。

图3 有限元计算模型网格划分
盾构隧道下穿时产生的地层位移云图如图4所示，盾构隧道下穿呼准铁路产生的最大竖向位移2.9mm，满足呼准铁路控制要求。

        图4 有限元计算结果云图
        5 监控量测
        5.1 监测项目
        （1）呼准铁路监测项目
        ① 轨道沉降、轨距等
        ② 附近地表沉降
        （2）盾构隧道监测项目
        ① 地下水位
        ② 地表沉降
        ③ 拱顶下沉
        ④ 净空水平收敛
        5.2 监测数据的分析及反馈
        对监测结果采用反分析法和正分析法进行预测和评价，以预测该结构或地面可能出现的最大位移或沉降值，并根据图7.2-1进行位移、数率综合分析判断、预测结构的安全状况，指导施工，反馈给相关单位。

        图7.2-1 监测－预报反馈系统图
        6 结语
        呼准铁路为货运铁路，货运铁路载荷大，对环境影响要求严格，地铁盾构隧道下穿货运铁路风险较大。通过采取对铁路线路加固措施，并结合盾构穿越铁路是的技术措施，通过有限元模拟计算，结合铁路控制标准，确保下穿铁路安全。
        参考文献：
        [1]李坤.地铁盾构区间下穿铁路设计[J].天津建设科技，2014（2）：79-80.
        [2]瞿加俊.某地铁盾构下穿既有铁路沉降影响分析[J].四川建材，2018（9）：174-175.
        [3]刘斌.地铁盾构隧道下穿既有普速铁路沉降与控制分析[J].工程技术，2016（06）：62-63.
        作者简介：陈鹏（1985），男，工程师，工学学士。从事城市轨道交通设计工作。