论文部分内容阅读
摘要：本文通过对沈阳地铁2号线下穿沈阳北站铁路站场的变形进行计算，根据计算结果提出对铁路轨道、接触网及其它建筑物等采取一定的保护措施。以期能对类似的工程有借鉴意义。
关键词：沈阳地铁;沈阳北站;盾构施工;下穿铁路;变形计算;保护措施
中图分类号：U455.43 文獻标识码：A
一、工程概况及问题的提出
沈阳地铁2号线岐山路站～沈阳北站站盾构区间在里程K6+660～K6+680下穿铁路沈阳北站轨道，西侧邻近沈阳北站道岔区（最近点约50m），东侧邻近沈阳北站无柱雨棚，共16股线路；在里程约为K6+845～K6+880下穿沈阳北站无柱雨棚；在里程K6+920～K7+000范围下穿沈阳北站行包房。
在岐沈盾构区间施工时，不可避免对穿越既有铁路线路、雨棚桩基、行包房产生影响，为了消除或减少对铁路沈阳北站站场的影响，必须加强监测并提出相应的预防及处理措施。下面主要根据计算结果对毒盾构施工及相关建（构）筑物采取相应的措施，以保证建（构）筑物的安全。
二、盾构过沈阳北站对建（构）筑物的变形计算及分析
（一）选用Plaxis岩土工程专业有限元软件进行模拟计算的沉降量
1、计算模型及土体参数
土层参数及模型见图表
土体参数
Mohr-Coulomb
1
① 2
③-3 3
③-4 4
④-1 5
④-3 6
④-4
sat [kN/m3] 19.00 15.20 18.10 19.00 19.80 19.80
Eref [kN/m2] 8000.000 10000.000 16540.00 6000.00 11090.00 30000.00
cref [kN/m2] 10.00 6.40 7.20 37.40 9.00 5.00
[°] 10.00 36.00 35.60 6.00 34.00 31.00
梁单元参数
No. Identification EA EI w
[kN/m] [kNm/m] [kN/m/m] [-]
1 衬砌管片 7.5E6 56250.00 7.80 0.20
计算模型以及计算假定
（1）计算模型及计算假定
计算模型为弹塑性模型；
隧道的受力和变形是平面应变问题；
围岩认为是各向同性的理想弹塑性物质，符合莫尔库仑屈服准则；
围岩初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；
荷载主要是自重；
（2）计算选用的软件
选用Plaxis岩土工程专业有限元软件进行模拟计算。
模拟开挖步骤
（1）模拟左侧盾构开挖；
（2）模拟土体损失；
（3）模拟右侧盾构开挖；
（4）模拟土体损失。
计算结果
工况1，下钻沈阳北站铁路轨道
下穿铁路里程约为K6+660～K6+820， 覆土厚度H=18.8～19.5m，两隧道中心最小间距9.9m，管片外径R=3m。隧道主要穿越砾砂层③-4，土体内摩擦角加权平均值35°。覆土在H=18.8m处最浅，也最危险的。地表竖向沉降最大值约8.0mm，水平变形最大位移约2.6mm，详见下图。
竖向变形最大值出现在盾构衬砌的拱顶。地表变形曲线见下图。
水平变形云图
工况2：下钻雨棚处
雨蓬处埋深H+D/2=21.9m，下钻里程约为K6+845~K6+880，下钻地层同上，两隧道中心间距15m，地表竖向沉降最大值约7.5mm，水平变形最大位移比工况1略小，详见下图。
工况3：下穿行包房处
最不利埋深H+D/2=19.2m，下钻里程K6+920~K7+000，下钻地层同上，地表竖向沉降最大值4.89mm，位于两隧道中间地表，两隧道中心间距17m。水平变形最大值出现在距隧道轴线15m处，水平位移6.75mm。
结论
综上所述：盾构下穿北站地面最大沉降位置出现在两隧道间距最小处（里程在K6+700左右），最大竖向沉降值约为8.0mm。
（二）应用Peck经验公式法的地表沉降量计算
公式为：
常规情况盾构法施工造成的地层土体损失率为1~2%之间。沈阳地铁外径6m，土体损失量为Vs=3.14*3^2*0.015=0.424 m2
地层损失Vs=3.14*(6+0.15)*0.15*0.2=0.6m2
地表竖向沉降最大值10.12mm，位于隧道正上方。水平变形最大值出现在距隧道轴线17m处，水平位移6.25mm。
三、盾构施工时对建（构）筑物采取的保护措施
对铁路沈阳北站轨道采取的措施
1、 铁路沈阳北站轨道概况
沈阳北站轨道铺设混凝土轨枕、碎石道床、“弹条Ⅰ型扣件”或者“70型扣板式扣件”、普通线路（非无缝线路）。已经运营十余年，路基基本稳定。线路为进出站地段，行车速度不高。
地铁盾构穿越施工对铁路的影响
根据变形计算资料分析：盾构区间施工过程中，地面竖向变形控制在+10－-10m m范围内，地面沉降范围及最大水平位移亦在允许范围内，因此岐沈盾构区间施工过程中轨道沉降按+10－-20m m范围考虑。
在岐沈盾构区间施工过程中有必要对地面进行监测。通过对地面的监测，了解地面的沉降、既有铁路轨道位移等情况，对监测结果进行分析，掌握地铁盾构施工期间既有铁路运营是否安全，是否需要采取补救措施等。
由于地铁穿越施工将对既有铁路轨道产生高低、水平方向的影响，既有铁路轨道位移容许偏差管理值，应满足中华人民共和国《铁路线路维修规则》（铁运【2001】23号部令发布），“第六章线路质量评定”的规定，根据超出管理值的大小提出整治紧急预案。
既有铁路轨道采用的碎石道床具有便于维修的特点，可采用起道、拔道的方法对轨道进行整治。
3、铁路沈阳北站轨道整治预案
根据上述地面沉降计算结果，地面沉降引起轨道位移的整治预案采用“利用扣件调整轨道”的方式。
铁路沈阳北站轨道采用弹条Ⅰ型扣件，轨距调整量-8－+12 m m、调高量10 m m；70型扣板式扣件，轨距调整量0－+16 m m、调高量0 m m。
轨道整治首先利用扣件的调整量，将轨道变形恢复到管理值范围内，尽量不扰动道床。对轨道局部出现上拱量（即沉降量正值）较小时，可利用扣件调整顺坡解决。
（二）对接触网采取的措施
沈阳地铁2号线隧道下穿沈阳北站电化线路所涉及的接触网安装形式利用雨篷结构的倒立柱悬挂方式和软横跨安装。
隧道施工过程中，如果出现基础或轨道沉降，接触线相对轨面的距离或导线坡度会发生相应变化，对接触网的运行状态均会产生一定的影响，影响程度与既有接触网导线高度和沉降程度及均匀性直接相关。鉴于接触网的实际状态以及隧道施工后的沉降均为不定因素，无法作出定性的分析。因此，隧道施工时，应及时对既有沈阳北站接触网的状态进行检查，根据检查结果确定必要的调整措施。
（三）下穿雨棚、行包房时采取的措施
根据计算结果，两种计算方法中最大沉降量为10.12mm,不超过车站雨棚及行包房的沉降要求（30mm），因此对雨棚、行包房采取的保护措施为：加强监测、地表跟踪注浆加固地层的方式。
四、盾构机施工采取的加强措施
为达到控制建筑物沉降的目的，主要采取"加强监测、精心施工、局部加固"的原则，根据不同的保护要求，采取经济合理的技术措施。
1、洞内盾构机做到信息化动态施工管理。采用高精度的连通管自动监测的方法，对地面铁路加密监测。
2、随时调整盾构施工参数，保证盾构的连续推进。减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形。
3、盾构姿态和纠偏量的控制。盾构掘进坡度和平面轴线尽可能与设计轴线保持一致，采取"勤测勤纠"。
4、采用同步注浆及二次注浆：盾尾与衬砌之间的间隙造成的土体损失，应及时采取壁后同步注浆的方法进行充填。在隧道衬砌一脱离盾尾以后，应及时二次压注浆液，防止或减少因土的坍塌而增加地层损失。必要时，应采取多次压浆工艺，以减少因浆液收缩引起的沉降。
5、加强监测：地面布点加密，提高监测频率，加强铁路沉降的监测，如发生较大的沉降，应及时反馈设计、施工单位以调整施工参数，如果沉降超过警戒值，应配合铁路部门采取回填道床或调整轨道扣件等措施，保证铁路的正常运营。
6、做好针对性的紧急预案。
五.其它建议
1、除施工过程需进行监测外，沈阳地铁2号线竣工运营后，还应加强对铁路沈阳北站轨道状态的监测，监测时间大约为一年，待稳定后，转为正常维修。
2、该地段地面下沉监测期间，铁路工务部门应积极配合作好沈阳北站轨道维修工作，发现问题及时处理，做到防患于为然。
3、岐沈盾构区间西侧距离沈阳北站道岔区较大，基本不会对沈阳北站道岔产生影响，为了铁路运营安全和进一步总结经验（确定其影响范围），还应密切注意沈阳北站的道岔技术状态，如有特殊情况及时配合铁路部门处理。
参考文献：
（1）《地铁设计规范》 GB50157-2003
（2）《铁路隧道设计规范》TB10003-2005、J449-2005
（3）关宝树 《隧道工程设计要点集》.北京.人民交通出版社.2003年。
（4）《铁路线路维修规则》（铁运【2001】23号部令发布）
（5）朱伟译·日本土木学会编·《隧道标准规范（盾构篇）及解说》.北京.中国建筑工业出版社.2002年
关键词：沈阳地铁;沈阳北站;盾构施工;下穿铁路;变形计算;保护措施
中图分类号：U455.43 文獻标识码：A
一、工程概况及问题的提出
沈阳地铁2号线岐山路站～沈阳北站站盾构区间在里程K6+660～K6+680下穿铁路沈阳北站轨道，西侧邻近沈阳北站道岔区（最近点约50m），东侧邻近沈阳北站无柱雨棚，共16股线路；在里程约为K6+845～K6+880下穿沈阳北站无柱雨棚；在里程K6+920～K7+000范围下穿沈阳北站行包房。
在岐沈盾构区间施工时，不可避免对穿越既有铁路线路、雨棚桩基、行包房产生影响，为了消除或减少对铁路沈阳北站站场的影响，必须加强监测并提出相应的预防及处理措施。下面主要根据计算结果对毒盾构施工及相关建（构）筑物采取相应的措施，以保证建（构）筑物的安全。
二、盾构过沈阳北站对建（构）筑物的变形计算及分析
（一）选用Plaxis岩土工程专业有限元软件进行模拟计算的沉降量
1、计算模型及土体参数
土层参数及模型见图表
土体参数
Mohr-Coulomb
1
① 2
③-3 3
③-4 4
④-1 5
④-3 6
④-4
sat [kN/m3] 19.00 15.20 18.10 19.00 19.80 19.80
Eref [kN/m2] 8000.000 10000.000 16540.00 6000.00 11090.00 30000.00
cref [kN/m2] 10.00 6.40 7.20 37.40 9.00 5.00
[°] 10.00 36.00 35.60 6.00 34.00 31.00
梁单元参数
No. Identification EA EI w
[kN/m] [kNm/m] [kN/m/m] [-]
1 衬砌管片 7.5E6 56250.00 7.80 0.20
计算模型以及计算假定
（1）计算模型及计算假定
计算模型为弹塑性模型；
隧道的受力和变形是平面应变问题；
围岩认为是各向同性的理想弹塑性物质，符合莫尔库仑屈服准则；
围岩初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；
荷载主要是自重；
（2）计算选用的软件
选用Plaxis岩土工程专业有限元软件进行模拟计算。
模拟开挖步骤
（1）模拟左侧盾构开挖；
（2）模拟土体损失；
（3）模拟右侧盾构开挖；
（4）模拟土体损失。
计算结果
工况1，下钻沈阳北站铁路轨道
下穿铁路里程约为K6+660～K6+820， 覆土厚度H=18.8～19.5m，两隧道中心最小间距9.9m，管片外径R=3m。隧道主要穿越砾砂层③-4，土体内摩擦角加权平均值35°。覆土在H=18.8m处最浅，也最危险的。地表竖向沉降最大值约8.0mm，水平变形最大位移约2.6mm，详见下图。
竖向变形最大值出现在盾构衬砌的拱顶。地表变形曲线见下图。
水平变形云图
工况2：下钻雨棚处
雨蓬处埋深H+D/2=21.9m，下钻里程约为K6+845~K6+880，下钻地层同上，两隧道中心间距15m，地表竖向沉降最大值约7.5mm，水平变形最大位移比工况1略小，详见下图。
工况3：下穿行包房处
最不利埋深H+D/2=19.2m，下钻里程K6+920~K7+000，下钻地层同上，地表竖向沉降最大值4.89mm，位于两隧道中间地表，两隧道中心间距17m。水平变形最大值出现在距隧道轴线15m处，水平位移6.75mm。
结论
综上所述：盾构下穿北站地面最大沉降位置出现在两隧道间距最小处（里程在K6+700左右），最大竖向沉降值约为8.0mm。
（二）应用Peck经验公式法的地表沉降量计算
公式为：
常规情况盾构法施工造成的地层土体损失率为1~2%之间。沈阳地铁外径6m，土体损失量为Vs=3.14*3^2*0.015=0.424 m2
地层损失Vs=3.14*(6+0.15)*0.15*0.2=0.6m2
地表竖向沉降最大值10.12mm，位于隧道正上方。水平变形最大值出现在距隧道轴线17m处，水平位移6.25mm。
三、盾构施工时对建（构）筑物采取的保护措施
对铁路沈阳北站轨道采取的措施
1、 铁路沈阳北站轨道概况
沈阳北站轨道铺设混凝土轨枕、碎石道床、“弹条Ⅰ型扣件”或者“70型扣板式扣件”、普通线路（非无缝线路）。已经运营十余年，路基基本稳定。线路为进出站地段，行车速度不高。
地铁盾构穿越施工对铁路的影响
根据变形计算资料分析：盾构区间施工过程中，地面竖向变形控制在+10－-10m m范围内，地面沉降范围及最大水平位移亦在允许范围内，因此岐沈盾构区间施工过程中轨道沉降按+10－-20m m范围考虑。
在岐沈盾构区间施工过程中有必要对地面进行监测。通过对地面的监测，了解地面的沉降、既有铁路轨道位移等情况，对监测结果进行分析，掌握地铁盾构施工期间既有铁路运营是否安全，是否需要采取补救措施等。
由于地铁穿越施工将对既有铁路轨道产生高低、水平方向的影响，既有铁路轨道位移容许偏差管理值，应满足中华人民共和国《铁路线路维修规则》（铁运【2001】23号部令发布），“第六章线路质量评定”的规定，根据超出管理值的大小提出整治紧急预案。
既有铁路轨道采用的碎石道床具有便于维修的特点，可采用起道、拔道的方法对轨道进行整治。
3、铁路沈阳北站轨道整治预案
根据上述地面沉降计算结果，地面沉降引起轨道位移的整治预案采用“利用扣件调整轨道”的方式。
铁路沈阳北站轨道采用弹条Ⅰ型扣件，轨距调整量-8－+12 m m、调高量10 m m；70型扣板式扣件，轨距调整量0－+16 m m、调高量0 m m。
轨道整治首先利用扣件的调整量，将轨道变形恢复到管理值范围内，尽量不扰动道床。对轨道局部出现上拱量（即沉降量正值）较小时，可利用扣件调整顺坡解决。
（二）对接触网采取的措施
沈阳地铁2号线隧道下穿沈阳北站电化线路所涉及的接触网安装形式利用雨篷结构的倒立柱悬挂方式和软横跨安装。
隧道施工过程中，如果出现基础或轨道沉降，接触线相对轨面的距离或导线坡度会发生相应变化，对接触网的运行状态均会产生一定的影响，影响程度与既有接触网导线高度和沉降程度及均匀性直接相关。鉴于接触网的实际状态以及隧道施工后的沉降均为不定因素，无法作出定性的分析。因此，隧道施工时，应及时对既有沈阳北站接触网的状态进行检查，根据检查结果确定必要的调整措施。
（三）下穿雨棚、行包房时采取的措施
根据计算结果，两种计算方法中最大沉降量为10.12mm,不超过车站雨棚及行包房的沉降要求（30mm），因此对雨棚、行包房采取的保护措施为：加强监测、地表跟踪注浆加固地层的方式。
四、盾构机施工采取的加强措施
为达到控制建筑物沉降的目的，主要采取"加强监测、精心施工、局部加固"的原则，根据不同的保护要求，采取经济合理的技术措施。
1、洞内盾构机做到信息化动态施工管理。采用高精度的连通管自动监测的方法，对地面铁路加密监测。
2、随时调整盾构施工参数，保证盾构的连续推进。减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形。
3、盾构姿态和纠偏量的控制。盾构掘进坡度和平面轴线尽可能与设计轴线保持一致，采取"勤测勤纠"。
4、采用同步注浆及二次注浆：盾尾与衬砌之间的间隙造成的土体损失，应及时采取壁后同步注浆的方法进行充填。在隧道衬砌一脱离盾尾以后，应及时二次压注浆液，防止或减少因土的坍塌而增加地层损失。必要时，应采取多次压浆工艺，以减少因浆液收缩引起的沉降。
5、加强监测：地面布点加密，提高监测频率，加强铁路沉降的监测，如发生较大的沉降，应及时反馈设计、施工单位以调整施工参数，如果沉降超过警戒值，应配合铁路部门采取回填道床或调整轨道扣件等措施，保证铁路的正常运营。
6、做好针对性的紧急预案。
五.其它建议
1、除施工过程需进行监测外，沈阳地铁2号线竣工运营后，还应加强对铁路沈阳北站轨道状态的监测，监测时间大约为一年，待稳定后，转为正常维修。
2、该地段地面下沉监测期间，铁路工务部门应积极配合作好沈阳北站轨道维修工作，发现问题及时处理，做到防患于为然。
3、岐沈盾构区间西侧距离沈阳北站道岔区较大，基本不会对沈阳北站道岔产生影响，为了铁路运营安全和进一步总结经验（确定其影响范围），还应密切注意沈阳北站的道岔技术状态，如有特殊情况及时配合铁路部门处理。
参考文献：
（1）《地铁设计规范》 GB50157-2003
（2）《铁路隧道设计规范》TB10003-2005、J449-2005
（3）关宝树 《隧道工程设计要点集》.北京.人民交通出版社.2003年。
（4）《铁路线路维修规则》（铁运【2001】23号部令发布）
（5）朱伟译·日本土木学会编·《隧道标准规范（盾构篇）及解说》.北京.中国建筑工业出版社.2002年