內容提要：北京地鐵某盾構區間隧道先后下穿直徑線U型槽結構及既有京九鐵路路基段，為盡量減少盾構隧道施工對鐵路運營的影響，在充分比較的基礎上，采用了深埋隧道下穿方案。本文利用數值分析方法，論證了盾構隧道對U型槽結構的影響，提出了變形控制指標。
關鍵詞：盾構,深埋,數值分析,變形控制指標
1、引言
北京地鐵某盾構區間隧道于YK9+848～YK9+910段先后垂直下穿直徑線U型槽結構及既有京九鐵路路基。從理論上講，盾構隧道的施工過程可以簡單概括為工作面開挖、盾尾襯砌環的拼裝和盾尾空隙注漿充填三大工序，伴隨著對土體的擾動、支護及再加固，不可避免地引起地層損失甚至地面沉降。區間隧道施工引起的地表沉降對既有鐵路線路的影響主要表現在兩個方面：一方面可能造成水平(指線路兩股鋼軌頂面的相對高差)超限;另一方面可能造成前后高差(指沿線路方向的豎向平順性)超限。2006年10月1日施行的《鐵路線路修理規則》明確規定，在υmax≤120km/h條件下，正線及到發線的線路軌道頂面靜態水平及軌向容許偏差管理值為4mm。
一般情況下，超過允許限值的水平差，可以引起車輛搖晃和兩股鋼軌的受力不均，導致鋼軌的不均勻磨損。但如果在延長18m的距離內出現水平差超過4mm的三角坑，將導致一個車輪減載或懸空，如果此時出現較大橫向力作用，有可能發生脫軌事故。
前后高低不平順對線路運營危害較大。列車通過這些地方時，沖擊動力可能成倍增加，加速道床變形，從而更進一步擴大軌道不平順，加劇機車車輛對軌道的破壞，形成惡性循環。一般情況下，前后高低不平順的破壞作用同不平順(坑洼)的長度成反比，而同它的深度成正比。規范規定：線路軌道前后高低差用L=10m弦量測的最大矢度值不應超過4mm。
因此，如何最大限度地減少地鐵區間隧道施工對地層的擾動，控制地表沉降，滿足鐵路運營要求，保證運輸絕對安全，是本區間隧道設計需要重點考慮的問題。
2、直徑線U型槽及京九鐵路路基情況
區間隧道穿越范圍內直徑線U型槽為鋼筋混凝土結構，側墻厚1.0m，底板厚1.2m，道床為0.7m厚的混凝土結構。U型槽段基坑深7.4～7.7m，采用φ800@1000mm鉆孔灌樁樁結合噴錨支護，鉆孔灌樁樁樁長13m，樁頂冠梁為1000×800mm鋼筋混凝土結構。
在U型槽結構下方，敷設了2條新改移的污水方涵，其結構尺寸為3000×1250mm，與U型槽垂直。污水方涵為鋼筋混凝土蓋板箱涵:底板為1.5m素混凝土、側墻為1.3m素混凝土(兩側局部配有鋼筋)、頂蓋為0.27m～0.29m厚鋼筋混凝土。在U型槽基坑兩側共設有4座污水方涵閘門井與直徑線兩側污水管溝相連。
3、工程地質及水文地質概況
3.1工程地質
根據巖土工程勘察報告，工程范圍內地層按地層沉積年代、成因類型劃分為人工堆積層(Qml)、新近沉積層(Q42+3al+pl)、第四紀全新世沖洪積層(Q41al+pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)、第三紀基巖四大類。本段地層自上而下依次為：
粉土填土①，稍密，含磚渣、灰渣。
雜填土①1，稍密，含磚塊、碎石、磚渣、灰渣，表層多為路基填土。
粉細砂②3，稍密～中密，低壓縮性。
圓礫卵石②5，稍密～中密，低壓縮性，最大粒徑不小于120mm，一般粒徑為5～40mm，粒徑大于2mm的顆粒占總質量的70%，亞圓形，中粗砂填充。
粉質粘土④，中壓縮性，含少量碎石。
粉土④2，密實，中壓縮性，含氧化鐵、云母。
卵石⑤，密實，低壓縮性，最大粒徑不小于500mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質量的60%，亞圓形，中粗砂填充。
卵石⑦，密實，低壓縮性，最大粒徑不小于600mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質量的65～70%，亞圓形，中粗砂填充。
礫巖?，密實，低壓縮性，強風化，膠結程度差，膠結物以粘粒組為主，局部為砂粒、大粒徑漂石;巖芯采取率80%左右，RQD﹥30%，R=0.21～0.22 MPa，極軟巖。
泥巖?1，密實，低壓縮性，強風化、薄層狀，膠結程度差，遇水易軟化，有弱膨脹性，巖芯采取率85%左右，RQD﹥60%左右，δef=36.0～53.0%，R=0.08～0.46 MPa，極軟巖。
3.2水文地質
根據巖土工程勘察報告，工程范圍內地下水主要為潛水(二)，含水層巖性為卵石⑤層，水位埋深為12.95～14.35m，隔水層為粉質粘土⑥層、礫巖?層、泥巖?1層。該層主要接受大氣降水及側向徑流補給，以側向徑流、向下越流補給的方式排泄。受大氣降水的影響，該層水在雨季水位會有所上升，水量會增大。
4、區間隧道設計思路
(1)本區間隧道主要沿規劃三里河南延路敷設，道路兩側建筑密集，主要有鐵道部通訊中心、公安大學、中土大廈等高層建筑。道路下方管線眾多，主要有電力隧道、污水方涵、高壓燃氣等。區間隧道需要下穿永定河引水渠、蓮花池東路、鐵路直徑線U型槽、京九鐵路等。因此綜合地質條件及周邊環境情況，本段區間隧道北段左、右線均采用盾構法施工。
(2)根據地勘報告，本區間京九鐵路以南段屬于基巖隆起區，主要以第三紀礫巖為主，泥質膠結的礫巖中存在不小于300mm左右的礫石。根據北京地鐵10號線二期新興橋附近的施工資料，礫石最大粒徑可達1000mm。這對盾構施工極為不利。因此本段區間隧道采用暗挖法施工。在京九鐵路南側約35m處設盾構始發井向北掘進，可以利用始發井與京九鐵路之間的段落作為盾構試驗段，調整好盾構掘進參數，為盾構下穿京九鐵路、直徑線U型槽創造有利條件。
(3)為盡量減少盾構隧道施工對地下管線及直徑線U型槽結構、京九鐵路的影響，本段區間宜盡量深埋。從地質條件來看，區間隧道深埋后穿越的地層主要為強風化的泥巖和礫巖，均屬于極軟巖，不會對盾構隧道施工增加難度。由于蓮花池東路、直徑線U型槽、京九線相對較近，本段隧道深埋后也不會對未來線網規劃及地下空間開發帶來不利影響。因此經綜合考慮，將區間隧道置于基巖中，盾構主要穿越地層為泥巖?1層，局部為礫巖?層。隧道頂距離直徑線U型槽結構底約17.063m，在U型槽段隧道頂部以上泥巖厚度約7m。
5、數值模擬計算
區間隧道深埋后，下穿京九鐵路段盾構隧道覆土厚度約24.5m，圍巖分級為Ⅵ級，按照鐵路隧道設計規范，深、淺埋隧道分界深度為：
hq=0.45×2(6-1)×[1+0.1(6-5)]=15.84m
因此本段隧道屬于深埋隧道，盾構隧道施工對京九鐵路的影響較小。因此選取盾構隧道下穿U型槽段進行模擬計算。
5.1力學模型
利用MIDAS-GTS巖土計算軟件，采用地層-結構模式×對盾構隧道下直徑線U型槽段的施工過程進行模擬計算。計算模型長78m、寬81.2m、高45m，劃分為約300000個單元。計算模型如圖5所示。
5.2模型材料參數
根據勘察報告各土層及結構參數見表1。
5.3結構計算
盾構隧道下穿直徑線U型槽結構按“開挖—加載—襯砌——開挖”工序進行數值模擬。
開挖——開挖土體表面為直徑6m的圓。長度為1.2m，即盾構管片寬。
加載——開挖后按200kN/m2作用于土體表面，相當于開挖面側向土壓力。
襯砌——施作外徑為6m、厚300mm、寬1.2m的鋼筋混凝土結構。
盾構隧道施工引起的地表沉降如圖所示：
6、結論及建議
《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》中給出了地鐵工程周邊環境控制指標參考數值，下穿既有鐵路時，既有鐵路路基沉降10-30mm，路基位移平均速率1.0mm/d，路基最大速率1.5mm/d，軌道坡度允許控制值1/2500。這是基于一般情況下穿既有鐵路給出的。從以上數值模擬情況可見，盾構隧道施工時對U型槽結構影響很小，這與區間隧道采用了深埋方案、盾構隧道進入泥巖約7m的情況密切相關。因此，根據本工程的特點，結合目前國內盾構隧道施工水平，盾構區間穿越直徑線U型槽結構工程施工時，U型槽結構變形控制指標為：
U型槽結構橫向最大沉降≤5mm、隆起≤3mm;U型槽結構縱向不均勻沉降≤3mm/15m。
同時，為盡量減少盾構施工對U型槽結構的影響，鑒于當時U型槽圍護結構已施工完成，二次結構尚未施工，我們及時提出了U型槽結構不設變形縫的建議，得到了直徑線U型槽設計方、建設方的認可并付諸實施。
參考文獻
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[2] 路明鑒,盾構穿越臨近建(構)筑物施工控制技術, 鐵道標準設計,2007(增刊2)
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[5] 張永,盾構下穿地鐵線路地層加固技術, 鐵道建筑技術,2011(1)
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