浅论盾构隧道施工对上方铁路路基沉降的影响研究
摘要：在地铁下穿既有铁路时,隧道施工产生的地层位移会导致上方铁路产生差异沉降,这个差值如果超限,就会造成铁路路基沉降、轨道结构弯曲和扭曲变形,并由此引发轨道几何形位的改变，给既有线运营造成危害。因此，有必要针对下穿隧道施工对上方铁路路基沉降的影响进行研究分析。本文以上海地铁2号线西延伸工程盾构隧道下穿沪昆线为工程背景对其进行分析研究。
关键词：盾构隧道 上方铁路 数值分析 沉降影响
一、工程简介
上海市轨道交通2号线的西延伸工程位于青浦区、闵行区、长宁区境内。共包含3站3区间，均为地下线路，线路终点与2号线淞虹路站相接。隧道覆土厚度最小为8.789m，最大为17.814 m。拟采用单圆盾构法施工，盾构隧道外径约为6.2m。该区间隧道在里程SK1+140处下穿沪昆铁路线，穿越点距离始发井诸光路站约341m，距离旁通道约44.5m，铁路与隧道间的夹角为88°，隧道顶部覆土厚度约15.2m。经勘察揭露，地基土勘察范围内均为第四纪松散沉积物，属第四系河口、滨海、浅海、湖泽相沉积层，主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，一般具有成层分布特点。
二、根据以上条件建立了三维有限元模型，模型长48.4m，宽41.2m，高40m隧道埋深为15.2m，具体尺寸及结构间相对位置关系如下图所示。
图1.1 整体模型图图 1.2隧道与铁路线位置关系图
隧道施工过程为先施工隧道下行线，挖通后，再施工隧道上行线，其具体过程如下图所示。
1.3 隧道施工过程图
模拟两条盾构隧道施工引起的地表变形时，如图1.4所示，选取了3个典型断面，即横断面1(铁路单线中心线)、纵断面1(下行线隧道中心线)、纵断面2(上行线隧道中心线)以及2个关键点(a点、b点)进行详细分析。
图1.4模型平面示意图
三、盾构施工对国铁沪昆线的影响
(1)横向地表沉降
下图分别为下行线推进完成时和两隧道全部挖通时，既有铁路路基的变形云图。
a) 下行线推进完成
b)上行线推进完成
图3.1 铁路变形云图
Ⅰ. 施工下行线隧道
施工下行线隧道引起的地表横向(即横断面1所对应地表)沉降见图3.2所示。
图3.2 横断面1地表沉降曲线(施工下行线隧道)
Ⅱ. 施工上行线隧道
施工上行线隧道引起的地表横向(即横断面1所对应地表)沉降见图3.3所示。
由图3.2、3.3可知，下行线隧道施工引起横断面1地表最大沉降为21mm，且位于下行线隧道中心对应地表处，沉降随着盾构机的推进逐渐增大，但增大的速率随盾构机的远离而逐渐减小，并且沉降趋于稳定;上行线隧道施工后，下行线隧道中心线对应地表沉降增大为24mm，而上行线隧道中心对应地表沉降值为23mm，说明上行线隧道的施工对下行线隧道对应地表变形影响不明显。
图3.3 横断面1地表沉降曲线(施工上行线隧道)
(3) 纵向地表沉降
Ⅰ. 施工下行线隧道
施工下行线隧道引起的地表纵向(纵断面1所对应地表)沉降见图3.4所示。
图3.4 纵断面1地表沉降曲线(施工下行线隧道)
Ⅱ.施工上行线隧道
施工上行线隧道引起的地表纵向(纵断面2所对应地表)沉降见图3.5所示。从图可以看出，在盾构推进过程中，在盾构前方一定距离(本次模拟为20m左右)几乎不受盾构推进的影响，而在盾构正上方地表沉降最大(10mm左右)，随着盾构不断的推进，地表的沉降不断向前方推移，待隧道挖通以后，盾构推进方向上方的沉降几乎一样(在本次模拟中，下行线隧道推进完成时地表总沉降量为20mm左右，上行线推进完成时为25mm左右)。
图3.5 纵断面2地表沉降曲线(施工上行线隧道)
Ⅲ. 关键点随隧道施工过程时程曲线
下图分别为关键点a和关键b的沉降随盾构推进过程的变化曲线。
图3.6 a点沉降时程曲线
从图3.6和3.7可以看出，关键点a和关键点b随着盾构的推进始终表现为沉降，a点的沉降变化过程为：开始沉降较快(下行线施工时)，以后就趋于平缓(上行线施工)，并且最大沉降量为25mm，这主要是由于隧道开挖是先开挖下行线然后再开挖上行线的缘故;b点的沉降变化过程为：开始沉降比较平缓(下行线施工)，以后沉降较快(上行线施工)，最大沉降量为20mm。已经超过了列车运行的限速标准。说明线路的变形已影响了车辆的正常运行安全性，需要采取相应措施。
图3.7 b点沉降时程曲线
四、小结
铁路下方盾构隧道施工会不同程度地影响上方铁路路基的沉降，主要表现在纵断面上，本文认为盾构下穿铁路前需对地基采取加固措施。
参考文献
[1]施仲衡,等.地下铁道设计与施工.陕西科学技术出版社,2007.
[2]徐祯祥.锚固技术在岩土工程中的应用.岩土锚固技术.
[3]杨旭旭等.地铁与岩土锚固技术.2010.
