地铁盾构隧道下穿铁路站场技术分析

摘要：本文以广州地铁十一号线天河东站~广州东站盾构区间下穿广深铁路广州东站场为例，对区间下穿站场段施工过程进行了三维数值模拟。数值计算结果表明，盾构施工引起的既有铁路沉降值在规定范围内，同时施工过程中各项监测数据均正常，为同类工程施工控制提供了技术参考。

关键词：盾构隧道 铁路站场 施工监测 三维数值分析

随着城市轨道交通线网的的延伸，地铁线路与既有铁路线路的交叉已愈加频繁[1]。尽管盾构施工技术不断提高，但仍然难以避免的对周边环境造成一定扰动，引起周围地层损失、路基沉降[2]。对于运营铁路线路，对变形沉降敏感[3-4]，尤其是道岔群区段，电务信号多，一旦出现接触不良就有可能造成铁路信号的中断，影响行车安全[5-6]，必须降低地铁盾构掘进施工过程中对既有铁路路基扰动，确保地铁盾构掘进过程中运营铁路线的安全[7-8]。

1、工程概况

天河东~广州东区间出天河东站后，下穿石牌涌，下穿天河北隧道，侧穿江河大厦.然后下穿省水科院，珠委大院，广州市党校和广州东站铁轨区后进入广州东站。天河东站~广州东站区间长1.526公里，区间采用盾构法施工，隧道内径为5.4m，外径为6.0m。下穿位置为广深铁路广州东站东端站场的部分，相交里程为Z(Y)DK11+477~ Z(Y)DK11+780，穿越长度约280m，共下穿约20处股道、7处道岔、42处信号机、34处立柱等。隧道与铁路交角约为30度，隧道顶距铁路轨底覆土约18~26m，其中拱顶覆盖微风化岩层厚度7~12m。隧道处于R=450m的平曲线段，隧道纵向坡度为27.5‰。

图1 天广区间下穿广州东站场示意图

图2 天广区间下穿广深铁路平面图

图3 天广区间盾构下穿广深铁路工程纵断面图 2、设计及施工措施

（1）道岔区设备运营状态调查

广州东站场内设备在长时间运营使用过程中可能产生一些既有变形、沉降、锈蚀、磨损等病害。在盾构下穿广州东站场前，需对下穿范围内道岔区设备运营使用状态进行调查，尤其对于道岔转辙机如发现病害，需提前进行病害整治。

（2）铁路路基加固设计

根据盾构隧道掘进的施工经验，天广区间下穿铁路段盾构机已在微化风岩层中穿越，隧道埋深18~26m，暂先不对铁路进行预注浆加固，但需加强沉降监测，采用自动化检测，控制掘进速度、加强背后注浆等措施。出现沉降超限及其它险情时，应立即停止盾构掘进分析原因，排除险情后方可再次掘进；如出现路基沉降有报警的情况时，应立即对路基进行注浆、扣轨保护等应急措施。

（3）盾构试验段设计

为取得合理的注浆液的配合、注浆压力等参数，为后期下穿广州东站场注浆作为参考，在盾构下穿广州东站场前选取50m掘进段作为实验段。盾构通过地层主要为<9-1>微风化砾砂岩，隧道埋深18~26m。根据盾构通过地层、地下水及隧

道埋深情况，试验段掘进过程中实时监测地面沉降，通过监测结果判断掘进参数合理性，并根据试验段数据调整掘进参数。

（4）盾构开仓换刀设计

地铁天广盾构区间主要穿越微风化砂岩、砾岩，天然强度20~25MPa，切削砾石颗粒与刀盘摩擦大，易造成刀盘（刀具）磨损严重，配置高强度、耐冲击、耐磨损的刀具。下穿广州东站场范围盾构区间平面拐弯半径450m，为保证掘进连续性及减小对土体的扰动，提前制定开仓检查换刀方案，加大施工掘进过程中对刀具的检查频率（必要时根据地质情况可在穿越段进行检查刀具），保证刀具完好前提下顺利下穿大铁曲线掘进。

（5）加强监测

为保证广深铁路的运营及施工安全，施工期间需在地铁盾构外边线2倍隧道埋深范围内主要设施进行全方位、自动化实时监测（其中广深正线釆用自动行实时监测，其余釆用人工监测），根据监测数据及时调整各项施工参数，实行信息化施工。

表1 监测精度、预警值、控制值表

序号 监监测项目 测精度 预警值 制值 控化速率 变注 备1网柱沉降监测 铁路路基及接触0.3mm mm 70mm 12mm/d 全站仪 2网柱水平位移监测 铁路路基及接触0.7mm 4.2mm mm 62mm/d 全站仪 3柱沉降监测 机车整备场结构0.3mm 3.5mm mm 52mm/d 全站仪 4柱倾斜监测 机车整备场结构- 0.35% .5% 0倾- 角仪/全站仪 表2 监测工期及监测频率表

观测阶段 观测频率 备注 施工准备阶段 次/3天 10初始值采集于邻近施工开始前完成，三天内不少于10次，取平均值为初始值 下穿施工期间 8~12次/天 根据现场施工工况适当调整 完工一个月内 2~4次/天 根据监测情况适当调整 完工一个月后 — 根据监测数据收敛情况确定是否继续监测 （6）其他施工注意事项

(1)注浆钻孔时先探明地下管线的位置，钻孔位置可根据管线位置进行调整。 (2)在非广深正线的线路段提前进行试验注浆，试验段长度50m，取得合理的注浆液的配合、注浆压力等参数，为后期广深正线注浆作为参考。

(3)下穿前后50m范围内，列车建议限速45km/h行驶。

(4)下穿前后50m范围内，对地面沉降进行加密监测，调整盾构施工控制，调整到最佳状态下穿广深铁路。

（5）施工及监测队伍需具有铁路施工相关资质。优先委托铁路原监测维保单位实施。

（6）监测数据平台共享。 3、数值模拟

采用MIDAS GTS进行三维有限元数值模拟，模型三维尺寸400m（长）*280m（宽）*60m（深）。

图4 盾构隧道与铁路股道关系图

图5 盾构隧道施工后铁路股道竖向位移图

随着盾构 隧道的施工，隧道上方铁路股道竖向沉降逐步增加，当左右线盾构完成穿越铁路股道后，股道最大沉降0.623 mm，满足规范要求。

4、现场监测结果

天广区间盾构下穿广州东站场第三方监测，从2022年1月开始，2022年7月地铁隧道盾构下穿完成后延续监测至2022年10月结束，历时210天，累计监测1365次。

（1）路基、接触网柱、整备场柱沉降

受盾构工程下穿施工的影响，沉降累计变化在-3.22mm~2.87mm内，未达到预警值。下穿完工后，沉降变化速率在-0.90mm/月~0.84mm/月内，沉降趋于稳定。

（2）路基、接触网柱、整备场柱水平位移

受盾构工程下穿施工的影响，纵向水平位移累计变化在-2.86mm~2.97mm内，横向水平位移累计变化在-2.38mm~2.45mm内，均未达到预警值。下穿完工后，纵向位移、横向位移趋于稳定。

（3）结构柱倾斜率

受盾构工程下穿施工的影响，结构柱纵向倾斜累计变化在-0.03%~0.09%内，结构柱横向倾斜累计变化在-0.04%~0.11%内，均未达到预警值，下穿完成后倾斜趋于稳定。

5、结论

本文结合实际工程，分析提出了地铁盾构隧道下穿运营铁路站场设计及施工措施，包含既有病害调查处理﹑盾构试验段设计、下穿前开仓换刀设计、下穿施工掘进控制﹑加强变形监测及跟踪加固、过站列车限速等。通过三维有限元数值模拟分析、现场实施过程实际监测数据显示，盾构隧道下穿站场引起的各类变形均控制在预警值内，下穿完工后变形均趋于稳定，表明下穿范围站场达到稳定状态。本工程的成功实施为类似工程提供技术支持与经验。

参考文献：

[1]彭向伟.滨海软土地区盾构下穿铁路站场沉降控制分析[J].施工技术,2015,v.44(S2):388-391.

[2]贺斯进,蔺云宏.地铁盾构区间穿越铁路站场设计与施工分析[J].现代隧道技术,2012,v.49;No.344(03):166-170.

[3]范明猛.软土地层下盾构穿越高速铁路技术探究[J].天津建设科技,2018,v.28;No.158(05):43-47.

[4]朱亦墨,丁华光,杨光武.盾构重叠地铁隧道长距离下穿铁路轨道施工监测技术[J].四川建筑,2020,v.40;No.193(03):217-219.

[5]付艳军,魏百术,杨光武.叠线盾构隧道下穿准高速铁路站场轨道群施工技术[J].云南水力发电,2017,v.33;No.166(06):126-132.

[6]顾明.盾构隧道下穿铁路站场施工影响研究[D].中国铁道科学研究院,2016.

[7]蒲泽彬,张洪波,刘洋,徐创霞.盾构隧道下穿铁路站场风险防控技术[J].四川建材,2020,v.46;No.233(01):157-158.

[8]安旭.地铁盾构下穿铁路站场施工变形监控[D].石家庄铁道大学,2017.