软土地质条件下盾构穿越高速铁路对路基工后沉降的影响

　　摘 要：依托南京地铁4号线一期工程徐金区间隧道下穿京沪高铁联络线及仙宁铁路项目，运用理论分析与现场变形观测相结合的方法，分析铁路路基在盾构隧道施工期及工后期的沉降规律。研究表明：Peck沉降理论计算的地表沉降极大值发生在两个隧道中心对应的地表处，随地层损失率的增加而增加，具对称性;与一般黏性土或者砂性土不同，软土地质条件下盾构隧道穿越高速铁路路基引起的沉降量主要发生在工后，沉降比率最大达75.64%，沉降稳定时间长、沉降槽的深度和宽度较大;实际观测的沉降值远大于理论计算值，受施工影响沉降槽曲线呈现出非对称性。研究成果可为软土地质条件下盾构隧道掘进变形控制以及运营期高速铁路沉降变形控制提供参考。

　　关键词：软土;盾构隧道;高速铁路;路基工后沉降;运营期;peck沉降曲线

　　0引言

　　随着我国立体交通网络的发展，城市轨道交通建设不断取得新的突破。但是，地铁隧道施工过程中面临的新问题和新挑战也不断涌现，如盾构隧道对地上建筑物的下穿、对地下结构物的侧穿等，地铁盾构隧道下穿运营期高速铁路是此类问题中的高风险问题，直接影响建设的成本、进度、工期及高铁的运营安全[1-4]。

　　目前，盾构隧道下穿高速铁路的研究日益增多[5-6]，王科甫[7]以广州地铁9号线广花区间下穿武广客运专线无砟轨道路基为案例，在穿越砂层、粉质黏土层条件下，分析盾构施工对高速铁路路基变形影响，指出采用MJS旋喷桩可有效降低沉降;王文谦等[8]针对某高铁盾构隧道下穿沪宁高速铁路路基为案例，分别采用管幕注浆、竖井底部注浆和保压循环对场区的粉质黏土、粉土和粉砂进行注浆加固，分析既有高铁路基的变形规律，研究各加固方法的加固效果，确定了大直径盾构隧道的施工参数。

　　王俊生[9]采用数值模拟的方法，以北京地铁14号线马永区间穿越京津城际铁路为背景，研究粉质黏土、粉土地质条件下，铁路路基的纵、横向沉降，计算时考虑了高速列车振动荷载的影响;范明猛[10]以天津地铁6号线穿越津秦高速铁路为例，研究了粉质黏土、黏土和粉土条件下采用地表双液注浆、洞内同步注浆和二次注浆等方式对土层加固，并采用自动化监测手段对铁路路基沉降进行监测，以控制路基变形。

　　从现有的盾构隧道穿越高速铁路成功案例来看，研究的主要目的是为盾构隧道的掘进确定加固方案、施工参数、加固参数，以控制高速铁路的变形，研究的内容也主要集中在施工阶段，工后沉降阶段的研究较少，研究的地层也主要集中在普通的黏性土层、粉土层和砂土层，针对软土地层的工程经验较少[2-3，11]。

　　然而，由于工程建设的单一性，每个工程都存在自身的独特边界条件，涉及岩土条件也各不相同。在地表高速铁路循环往复的振动荷载作用下，软土与普通黏性土施工期及工后的变形规律是否一致，缺乏可靠的经验认识及工程总结。本文依托南京地铁4号线一期工程徐庄·苏宁总部至金马路站区间隧道下穿京沪高铁联络线以及仙宁铁路项目，运用理论分析以及现场变形观测相结合的方法，分析铁路路基在盾构隧道施工期以及工后的沉降规律。

　　1工程概况

　　1.1盾构隧道与高速铁路路基的相互关系

　　南京地铁4号线一期工程徐庄·苏宁总部至金马路站区间隧道为分离式隧道，左、右线起止里程均为DK9+703.50～DK10+819.50，线路全长1116.0m。隧道采用2台泥水平衡盾构机掘进，右线、左线依次从金马路站始发井开始掘进，始发间隔时间为15天。

　　在仙林大道附近，以缓和曲线穿越仙宁铁路(双线)和京沪高铁联络线(单线)，下穿长度约为60.0m;京沪高铁联络线与仙宁线上行线间距为17.0m，仙宁线上、下行线间距为4.0m，盾构隧道与铁路线的交叉角度约为40°，下穿位置左、右线盾构隧道的中心间距约为30.0m，上覆土层厚度约为24.0m，随后以直线掘进后达到徐庄·苏宁总部接收井。盾构隧道外掘进外轮廓为6.7m，内轮廓直径为5.7m，管片厚度为45cm，每片管片长度为1.2m。

　　1.2工程地质

　　根据勘察揭示：场区为典型的侵蚀堆积岗地地貌，地表起伏较小，在盾构隧道下穿铁路路基范围内，覆盖层主要为Q4ml第四系近期堆填土(<1>素填土)和Q4al第四系冲积层(<2>粉质黏土、<3>淤泥质粉质黏土、<4>−2b2粉质黏土、<4>−3b1粉质黏土、<4>−4b1粉质黏土)，其中<2>粉质黏土层呈流塑−软塑状态，<3>淤泥质粉质黏土为流塑状态，两层土含水量高，力学性质差，属高压缩性土，受施工扰动和高速铁路列车的反复动荷载作用影响明显，稳定时间长。

　　场区地层物理力学指标。南京地铁4号线徐金区间下穿铁路地质剖面。在洞身范围内，隧道主要穿越<4>−3b1粉质黏土，该层土的力学性质较好，压缩模量为10.5MPa，呈可塑-硬塑状态，上部和下部土层分别为<4>−2b2粉质黏土、<4>−4b1粉质黏土，压缩模量分别为8.6，11.0MPa。

　　2Peck沉降理论预测沉降曲线

　　2.1理论公式

　　上世纪70年代，Peck经过大量的工程数据总结了隧道开挖引起的地表沉降曲线规律，沉降曲线可采用高斯拟合的方法计算，大致呈“盆槽状”，隧道中心正上方为沉降槽的最低点和对称中心，沉降值最大。Peck沉降理论假设地层为均匀的连续介质，且开挖在不排水条件下进行，忽略水的损失，地层的损失与地表沉降槽体积一致等。

　　2.2理论计算结果

　　地层损失率δ=2‰～8‰时的地表沉降曲线。在右线单洞贯通时，沉降极大值随着地层损失率的增加而增加，但沉降的影响范围基本不变，大致为隧道中心左右各25m;双线贯通后，由于左线隧道掘进产生的沉降槽对右线单洞贯通沉降槽的叠加影响，地表沉降曲线呈“W”状，仍具对称性，沉降极大值发生在两个隧道中心对应的地表处，且两个最大沉降值一致，地表沉降极大值随地层损失率的增加而增加，但沉降的影响范围基本不变，大致为两隧道中心左右各25m。

　　3高速铁路路基施工期和工后沉降监测及分析

　　3.1现场监测点布置

　　在铁路路基走向上布置5条观测断面，分别沿着铁路路基边线、京沪高铁联络线轨道中心线、仙宁铁路上行线轨道中心线和仙宁铁路下行线轨道中心线布置，以Peck沉降理论分析可知：隧道掘进对地表沉降的影响范围在隧道轮廓外25m，因此，监测测点布置范围应不小于隧道外轮廓25m。在京沪高铁联络线轨道中心线及邻近路基边线的观测断面，每个断面布置20个测点，测点间距为5m;在仙宁铁路上、下行线轨道中心线及邻近路基边线的观测断面，每个断面布置21个测点，测点间距为5m。现场铁路路基沉降监测点平面布置。

　　3.2监测结果分析

　　为观测京沪高速铁路联络线以及仙宁铁路路基的变形情况，对盾构地铁隧道的沉降监测划分为三个阶段：第一阶段，盾构掘进至监测点前30m至监测点前10m;第二阶段，盾构掘进至监测点前10m至监测点后10m;第三阶段，盾构掘进至监测点后10m至监测点后30m，铁路路基进入工后沉降阶段。施工时，右线盾构隧道盾尾离开路基边缘15天后，左线盾构隧道开始进入下穿节点，为保证数据曲线的可比性，均将盾构机掘进至监测点前30m为时间起点，监测总时长为200天。

　　在第一阶段，土体首先出现轻微沉降，随后逐渐隆起，但隆起量较小;进入第二阶段后，受到盾构施工过程中水泥注浆、双液注浆、控制掘进速率和出渣速率等工程措施的影响，地表沉降曲线出现了不同程度的波动，但整体而言变形值较小，均小于4.0mm;在第三阶段，盾构机掘进离开监测点10m后，铁路路基进入工后沉降阶段，在80～200小时内路基的沉降出现持续缓慢地增长，但并没有达到收敛状态。软土地质条件下的地表沉降主要是由于软土在隧道掘进过程中，受到扰动应力发生调整，产生超孔隙水压力，随着孔隙水压力的消散产生固结沉降，同时土体固体颗粒骨架发生蠕变产生次固结沉降。

　　其次，为高速铁路列车活荷载对软土的振动密实，使得土体内孔隙水的排出，产生永久累积变形，引发轨道的不平顺，进一步加剧了轮轨冲击，导致土体受到的荷载更剧烈。因此，在隧道掘进扰动和高速列车的活荷载的双重作用下，软土的地表沉降表现出工后沉降大、影响范围广和达到稳定时间长等特点。监测点JH16处沉降曲线由于隧道掘进速度的影响，土体表现出较为明显的隆起，因此造成土体较为明显的扰动，在后续沉降中位移变化幅度比监测点XN23和XN19大。

　　由于右线隧道的先行掘进，土层损失对软土的原位状态产生扰动，因此在后续沉降中，监测点JH28，XN41，XN37的后续沉降最大达到8.5mm，大于右线施工时铁路路基沉降量，且无稳定收敛迹象。为进一步认识高速铁路路基的工后沉降规律，对下穿节点持续140天的沉降监测，选取沿京沪高铁联络线轨道中心线观测断面为研究对象，时间节点分别为第二阶段结束后的5，20，50，80，110，140天，监测结果。

　　在左线完成下穿后，土层沉降随着时间的增长呈现持续增长趋势，沉降槽的深度和宽度都逐渐增加，在110天之后沉降值才趋于稳定收敛，稳定时间长，最大沉降量达到14.45mm。由于该项目软土中无排水通道，地层本身渗透系数低，导致土体固结时间长，加上高铁列车振动荷载的长期作用，使得与Peck理论计算的最大计算沉降值(7.88mm)相比，实际观测的沉降值远大于理论计算值，受施工影响沉降槽曲线呈现出非对称性，后推的左线隧道沉降极值明显大于右线隧道的沉降极值。铁路路基在施工期最大沉降值及工后沉降最大值对比。

　　工后沉降比率=(工后总沉降−施工期沉降)/工后总沉降×100%。根据一般的工程经验，普通黏性土和砂土的工后沉降比率一般在25.00%～30.00%[12]。由于软土的孔隙水排水慢、固结时间长、高速铁路列车振动的长期作用，使得软土地质条件下高铁路基的沉降量主要发生在工后，占比最大达到75.64%，远大于普通黏性土和砂土，因此，对于后期沉降的监测、高铁轨道的巡检和养护是保障铁路安全运营的重要工作。

　　4结语

　　依托南京地铁4号线徐金区间下穿仙宁铁路及京沪高铁联络线实例，研究了软土工程地质条件下高速铁路路基的工后沉降变化规律。

　　(1)由Peck沉降理论可得：沉降曲线的极大值发生在两个隧道中心对应的地表处，随着地层损失率的增加，地表沉降极大值也逐渐增加，沉降的影响范围大致为两隧道中心左右各25m。

　　(2)与一般黏性土或者砂性土不同，软土地质条件下盾构隧道穿越高速铁路路基引起的沉降规律主要表现为沉降稳定时间长、沉降槽的深度和宽度也较大，沉降量主要发生在工后，工后沉降比率最大达到75.64%。

　　(3)Peck理论计算的最大计算沉降值为7.88mm，实际观测的沉降值远大于理论计算值，最大沉降量达到14.45mm。受施工影响沉降槽曲线呈现出非对称性，后推进的左线隧道沉降极值明显大于右线隧道的沉降极值。

　　参考文献(References)：

　　[1]刘鑫榕.地铁隧道长距离下穿高速公路施工扰动影响及控制技术研究[J].中外公路,2019,39(4):192−195.LIUXR.Studyonconstructiondisturbanceandcontroltechnologyforsubwaytunnelunderpassinghighwayswithalongdistance[J].JournalofChina&ForeignHighway,2019,39(4):192−195.

　　[2]毕景佩,易领兵,杜明芳,等.天津市软土地层地铁盾构区间下穿施工对京沪高铁南仓特大桥影响的数值分析[J].科学技术与工程,2020,20(5):2000−2008.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2020.05.044.BIJP,YILB,DUMF,etal.NumericalanalysisoftheimpactofunderpassconstructionontheNancangbridgeofBeijing-ShanghaihighspeedrailwayundertheshieldsectionofTianjinsoftsoil[J].ScienceTechnologyandEngineering,2020,20(5):2000−2008.DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2020.05.044.

　　[3]孙捷城,周国锋,路林海,等.济南地铁盾构隧道小曲线叠落下穿京沪高铁桥施工控制技术[J].施工技术,2020,49(1):61−66.SUNJC,ZHOUGF,LULH,etal.ConstructioncontroltechnologyofshieldintersectedtunnelundercrossingBeijing-Shanghaihigh-speedrailwayviaductwithsmallradiuscurveinJi'nan[J].ConstructionTechnology,2020,49(1):61−66.

　　[4]GANGW.Predictionofsoilsettlementcausedbydouble-lineparallelshieldtunnelconstruction[J].DisasterAdvances,2013,6(6):23−27.

　　[5]陈晨,曹瑞琅,赵宇飞,等.列车荷载作用下高铁隧道下有小净距地铁隧道穿越时的结构动力响应特性模拟分析[J].城市轨道交通研究,2020,23(1):31−36.

　　作者：曹佳宁