地铁区间隧道下穿铁路沉降控制技术的应用

建筑技术开发　工程技术　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　第４４卷第９期　２０１７年５月　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　地铁区间隧道下穿铁路沉降　控制技术的应用　吴雷雷　（中铁建（海南国际旅游岛先行试验区）投资管理有限公司，海南三亚　５７２４００）　［摘要］地铁区间隧道下穿铁路在现代化技术发展的今天成为地铁施工中影响路基稳定性的重要问题，直接影响铁路的沉　降和变形。由此可见，研究地铁下穿铁路引起的地表沉降具有重要意义。　［关键词］地铁区间；下穿铁路；沉降控制　［中图分类号］Ｕ４５５．４３　［文献标志码］Ｂ　［文章编号］１００１－５２３Ｘ（２０１７）０９￣００９３－０２　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｓｕｂｗａｙ　Ｕｎｄｅｒｐａｓｓ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｗｕ　Ｉ　ｅｉ．１ｅｉ　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｓｕｂｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒｐａｓｓ　ｒａｉｌｗａｙ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔｒｏ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｄｅｍ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒａｉｌｗａｙ．　Ｔｈｕｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｓｕｂｗａｙ　ｒａｉｌｗａｙ．　［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｓｕｂｗａｙ　ｓｅｃｔｉｏｎ；ｕｎｄｅｒｐａｓｓ　ｒａｉｌｗａｙ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１地铁区间下穿铁路的沉降机理　地铁区间下穿铁路引起的地表沉降是基于地层损失和周　围土体固结所造成的，是地铁区间下穿铁路过程中不可避免的　问题。地铁区间下穿铁路引起的地表沉降分为两个方面，一　方面是区间断面开挖造成的地层损失，周围土体对缺失土体　的地层进行弥补，进而造成地表沉降。另一方面，区间断面　开挖造成周围原状土扰动，易导致原状土水土失衡，造成土　体内部压力分布发生变化，进而导致土体产生排水固结引起　地表沉降。只有充分认识地铁区间下穿铁路的沉降机理，才　能采取有效的沉降控制技术应对。　地层初始应力改变发生的地表土体沉降是地铁区间下穿　铁路中常遇到的问题，是基于地铁区间下穿铁路造成的初始　应力状态的再分布，易导致开挖的附加应力场和地层初始应　力场叠加形成叠加的应力场。地铁区问隧道施工引起的土层　扰动、地层损失、附加应力及地下水渗漏造成的水位变化和　渗流压力均属于地层初始应力改变造成的地表土体沉降。基　于地铁区间隧道下穿铁路引起的地层初始应力改变的特点和　机理，结构力学的计算理论、数值分析法理论及连续介质理　论均是地表沉降控制的重要理论，可采取荷载和地层结构方　法进行地层初始应力改变的沉降控制。荷载结构方法认为结　构在荷载作用下产生的内力和变形是影响地表沉降的主要因　素；地层结构方法则认为按连续介质来处理地层结构和周围　地层的内力和变形有助于实现地表沉降预测和控制的精确性。　土体固结沉降造成的地表沉降，是因区间断面开挖造成　的周围原状土扰动，容易导致原状土内部颗粒、孔隙水等重　新排列，导致土体内孔隙水渗出，有效压力增加，造成土体　骨架发生变形和蠕动，进而导致土体产生排水固结引起地表沉　降。土体孔隙水压力变化、地下水位下降、土体的次固结和　流变等均是造成土体固结沉降的重要因素，在土体固结沉降　中居重要地位。只有充分认识地表沉降的机理，方可利用太　沙基固结理论、比奥固结理论进行有效的土体固结沉降防治。　其中，基于变形协调条件固结过程总应力影响的忽视，太沙　基固结理论适用于一维条件下土体固结沉降；比奥固结理论　增加了固结过程中法向总应力和不随时间变化的假定，使得　收稿日期：２０１７￣）１－０５　研究方向为隧道工程。　其适用条件进一步扩展。　２地表沉降的预测方法　基于地铁事业的不断蓬勃发展，许多学者和沉降工作者　对隧道开挖造成的地表沉降预测方法进行了深入研究，地表　沉降预测方法不断发展和完善，从初始的经验公式法逐渐发　展为包含各向异性等假定的数值模拟，为地表沉降控制技术　提供了参考。　２．１经验公式法　经验公式法包括横断面地表沉降和纵断面地表沉降，是　地表沉降控制技术发展最久远的方法，是在充分结合实际情　况的条件下进行的地表沉降计算。　横断面地表沉降是基于沉降槽数学形式的经验推断形成　的，横断面地表沉降中最著名的就是的Ｐｅｃｋ公式，Ｐｅｃｋ是　假定隧道施工的地表沉降横向分布是正态分布曲线（图１），　Ｐｅｃｋ公式为：　＝　式中：Ｓ　为距中心线距离为　（ｍ）的地表沉降值；ｉ为　沉降曲线拐点距中心线的距离，沉降槽的宽度的一半可以取　为２．５ｆ；　为地表沉降最大值，利用稳定的隧道单位长度地　层损失与沉降槽的宽度的一半相比计算得到。　隧道中心线　图１隧道地表沉降曲线　Ｐｅｃｋ公式中稳定的隧道单位长度地层损失、地表沉降槽　宽度系数是影响地表沉降预测结果的重要参数，在地表沉降　中具有重要作用。还有许多学者从地层强度、范围、土体性　质等方面对地表沉降槽宽度系数和稳定的隧道单位长度地层　损失进行了深入研究，不断丰富和发展了横断面地表沉降预　纵断面地表沉降是依据隧道开挖过程中地表沉降的纵向　・作者简介：吴雷雷（１９７３一），男，浙江绍兴人，高级工程师，主要　测方法。　９３・　第４４卷第９期　２０１７年５月　工程技术　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　建筑技术开发　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　变化过程将其分为微小变形阶段、变形急剧增大阶段、缓慢　变形阶段及变形基本稳定阶段４个阶段，纵向变形阶段划分是　纵向地表沉降的基础。Ａｔｔｅｗｅｌｌ　ａｎｄ　Ｗｏｏｄｍａｎ在假定变形过程　中土体体积不变的条件下，利用累积概率曲线对纵断面地表　沉降曲线进行描述，给出了地表沉降预测的公式，使纵断面　地表沉降预测方法不断发展和完善，在纵断面地表沉降预测　方法中占重要地位。不论哪些纵断面地表沉降预测方法，只　要充分考虑周边荷载等因素对沉降曲线的影响，合理假定沉　降曲线条件，就能得到较精确的地表沉降预测。　２．２数值模拟法　混凝土强度达到一定强度的情况下才能进行。基于后续成拱　和搭接问题，预成拱要想外倾斜一定的角度，有助于提升后　续工作的效率。与盾构法、分部开挖法相比，机械预切槽法　对地层的扰动作用较小，对地层的初始应力和自然特性改变　较小，是地铁施工的常用方法。基于混凝土对与成功的填充　和强化，机械预切槽法具有施工安全、地表沉降小、拱整体　性好、施工迅速、成本低、适应性强等特点，在围岩性质处　于软弱和中硬的地质状况及围岩整体性好的情况下得到广泛　应用。在城市等敏感性周边环境的条件下，机械预切槽法具　有广阔的施展空间。　３．２超前支护、地层加固的控制技术和措施　数值模拟法是在计算机不断应用和发展的条件下产生的，　有助于综合考虑地表沉降的影响因素，弥补传统计算方法的　缺陷，提高地表沉降预测的准确性，为进行有效的地表沉降　控制提供基础。有限单元法、半解析元法等是数值模拟常用　的计算方法。随着地表沉降控制技术的不断发展，数值模拟　不断丰富和发展，数值模拟与实测模型的结合有助于进一步　提高地表沉降预测的准确性，为地铁区间隧道下穿铁路提供　保障。　３地铁区间下穿铁路的地表沉降控制技术　３．１地铁施工的主要开挖方法　基于地质状况、开挖方式、施工方法、支护形式、断面形　式等引起的地表沉降，坚持“管超前、严注浆、短进尺、强支护、　早封闭、勤量测”等浅埋暗挖法施工原则，结合地质状况进　行隧道开挖的合理控制和选择，除了依赖于施工条件外，施　工操作和设计也是地表沉降的控制要点。浅埋暗挖法施工原　则的施工原则是分别从地铁区间施工的方法、开挖尺度、注　浆技术、支护等方面进行的合理规划和设计，在浅埋暗挖法　施工过程中处于基础地位。其中，超前支护、地层加固在地　铁隧道开挖过程中具有重要的作用。　（１）超前支护是控制地表沉降的重要组成部分，在地铁　区间隧道下穿铁路中处于重要地位。基于地铁开挖过程中出　现地表沉降的机理，重视围岩开挖中的应力释放情况和孔隙　水压降低情况是控制地表沉降的基础。开挖中的应力释放情　况直接影响上方围岩的承载拱形成情况，在隧道开挖过程中　处于重要地位。孔隙水压降低易导致土体中地下水水位，进　而导致地表沉降。要想预防开挖中的应力释放和孔隙水压降　低，只有通过辅助工法进行掌子面稳定和拱顶稳定等超前支　护方可防止地表沉降。　（２）地层加固是控制地表沉降的重要组成部分，包括地表　旋喷桩、地表垂直锚杆等地层加固措施。不同地层加固措施　具有不同的适用条件和优缺点，只有充分了解不同加固措施，　才能保障掌子面的稳定性、围岩的松弛性，达到控制地表沉降　的目的。地表旋喷桩法是通过钻孑Ｌ进行高压浆液喷射的方式　进行地层加固的措施，适用于地质环境较差的地层，有助于　改善路基岩土体强度，进而提升地基承载力，具有不占用掌　子面施工时间等特点。地表垂直锚杆法是通过钻孔、插入钢筋、　砂浆锚固等措施进行围岩补强的方法，具有维持掌子面稳定、　降低隧道周边围岩的松弛等作用，还可与开挖作业同时进行，　但在施工过程中要注意控制施工管理，防止围岩破坏。　此外，还可通过设置带肋钢支撑等措施进行地表整体沉　降控制，加强全过程的围岩、结构等施工环境的监测，及时　调整施工方案和技术，抑制地表沉降，保障施工安全。　４结论　本文从地铁区间下穿铁路的沉降机理、地表沉降的预测　方法两个方面出发，进行地铁区间下穿铁路的地表沉降对策　研究。研究认为，充分认识地表沉降的机理、地表沉降的预　测方法、地铁施工方法，坚持“管超前、严注浆、短进尺、　强支护、早封闭、勤量测”等浅埋暗挖法施工原则。方可通　过采取超前支护、地层加固、地表整体沉降控制及施工沉降　监测等措施抑制地表沉降，以保障施工安全。　浅埋暗挖法是地铁施工中常用的方法，地铁往往建在人　口密集的城市，采取浅埋暗挖法有助于最小程度地影响居民　的生活和日常出行，在地铁施工中广泛应用。基于全段面开　挖的缺陷、最小程度的减少地层变形，常见的浅埋暗挖法有　盾构法、分部开挖法及机械预切槽法等。　（１）盾构法包括压缩空气盾构法、泥水加压盾构及土压　平衡盾构等，在科学技术不断发展的今天具有广阔的适用空　间。盾构法是指通过施加空气等力维持掌子面的稳定而采取　的隧道开挖方法。基于空气盾构法对地层的预加固作用，空　气盾构法适用于地层含水量较高或地层自稳能力较差的地层，　在这些地层中能够发挥盾构法的优势，提高地铁隧道开挖的　效率。　基于压缩空气盾构法对周围岩层的压力作用，压缩空气　盾构法存在一定的危险性，且导致施工环境恶劣，使得泥水　加压盾构、土压平衡盾构取代空气盾构法。其中，泥水加压　盾构适用于富含粘土的冲积层和富含砂土的洪积层等地质条　件；土压平衡盾构法适用于粉土、砂土及软弱冲积土等地层。　这两种盾构法弥补了压缩空气盾构法造成的危险性和施工环　境恶劣，在地表沉降控制中占重要地位。　（２）分部开挖法有助于通过增加开挖步骤的方式稳定掌　子面，最大程度地降低地表沉降。分部开挖法适用于开挖涉　及地下水的条件，结合开挖土体地质条件、断面大小、控制　沉降的标准等进行合理的开挖顺序选择，有助于最大程度地　进行地表沉降抑制，为地铁安全施工提供技术保障。台阶法、　双侧壁导坑法及中隔墙法（ＣＤ法）是分部开挖法的重要方法。　三种方法具　有不同的优势，双侧壁导坑法在地表沉降控制中　作用最好，其次是ＣＤ法。　台阶法的施工过程中要依据施工场地空间和初支闭合断　面的时间要求进行台阶分层，还要注意下级台阶必须在上级　台阶达到足够强度后方可进行开挖。基于双侧壁导坑法在地　表沉降中的优势和成本高、速度慢的特点，双侧壁导坑法适　用于Ⅵ级、Ｖ级围岩等施工环境恶劣和地表沉降要求较高的　参考文献　地铁隧道施工中。基于中隔墙法的整体性、对围岩的有效柔　Ｄ】．西安：西南　性支撑等特点，中隔墙法在围岩性质较差、跨度较大及受力　［１】冯冀蒙．地铁区间隧道下穿铁路沉降控制技术研究［交通大学，２００９．　不均匀的施工环境中被较多应用。　２】张晓君．地铁隧道下穿既有铁路沉降控制技术研究【Ｄ】．西安：西安　（３）机械预切槽法最早出现在法国，是一种利用预切机　［科技大学，２０１３．　械进行隧道断面切割的方法，主要依据围岩性质确定槽的长　度，最后形成具有一定厚度和一定宽度的切割槽。切割槽形　【３】银英姿，刘斌．深基坑开挖是零几级有地铁隧道的监测分析［Ｊ］．建　筑技术，２０１６，４７（９）：７８５—７８７．　成后，利用混凝土喷射技术填充切割槽，开挖施工作业要在　・９４・