摘 要：依托南京地鐵4號線一期工程徐金區(qū)間隧道下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線及仙寧鐵路項目，運用理論分析與現(xiàn)場變形觀測相結(jié)合的方法，分析鐵路路基在盾構(gòu)隧道施工期及工后期的沉降規(guī)律。研究表明：Peck沉降理論計算的地表沉降極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處，隨地層損失率的增加而增加，具對稱性;與一般黏性土或者砂性土不同，軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路路基引起的沉降量主要發(fā)生在工后，沉降比率最大達(dá)75.64%，沉降穩(wěn)定時間長、沉降槽的深度和寬度較大;實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值，受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性。研究成果可為軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道掘進(jìn)變形控制以及運營期高速鐵路沉降變形控制提供參考。

　　關(guān)鍵詞：軟土;盾構(gòu)隧道;高速鐵路;路基工后沉降;運營期;peck沉降曲線

　　0引言

　　隨著我國立體交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)不斷取得新的突破。但是，地鐵隧道施工過程中面臨的新問題和新挑戰(zhàn)也不斷涌現(xiàn)，如盾構(gòu)隧道對地上建筑物的下穿、對地下結(jié)構(gòu)物的側(cè)穿等，地鐵盾構(gòu)隧道下穿運營期高速鐵路是此類問題中的高風(fēng)險問題，直接影響建設(shè)的成本、進(jìn)度、工期及高鐵的運營安全[1-4]。

　　目前，盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路的研究日益增多[5-6]，王科甫[7]以廣州地鐵9號線廣花區(qū)間下穿武廣客運專線無砟軌道路基為案例，在穿越砂層、粉質(zhì)黏土層條件下，分析盾構(gòu)施工對高速鐵路路基變形影響，指出采用MJS旋噴樁可有效降低沉降;王文謙等[8]針對某高鐵盾構(gòu)隧道下穿滬寧高速鐵路路基為案例，分別采用管幕注漿、豎井底部注漿和保壓循環(huán)對場區(qū)的粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂進(jìn)行注漿加固，分析既有高鐵路基的變形規(guī)律，研究各加固方法的加固效果，確定了大直徑盾構(gòu)隧道的施工參數(shù)。

　　王俊生[9]采用數(shù)值模擬的方法，以北京地鐵14號線馬永區(qū)間穿越京津城際鐵路為背景，研究粉質(zhì)黏土、粉土地質(zhì)條件下，鐵路路基的縱、橫向沉降，計算時考慮了高速列車振動荷載的影響;范明猛[10]以天津地鐵6號線穿越津秦高速鐵路為例，研究了粉質(zhì)黏土、黏土和粉土條件下采用地表雙液注漿、洞內(nèi)同步注漿和二次注漿等方式對土層加固，并采用自動化監(jiān)測手段對鐵路路基沉降進(jìn)行監(jiān)測，以控制路基變形。

　　從現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路成功案例來看，研究的主要目的是為盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)確定加固方案、施工參數(shù)、加固參數(shù)，以控制高速鐵路的變形，研究的內(nèi)容也主要集中在施工階段，工后沉降階段的研究較少，研究的地層也主要集中在普通的黏性土層、粉土層和砂土層，針對軟土地層的工程經(jīng)驗較少[2-3，11]。

　　然而，由于工程建設(shè)的單一性，每個工程都存在自身的獨特邊界條件，涉及巖土條件也各不相同。在地表高速鐵路循環(huán)往復(fù)的振動荷載作用下，軟土與普通黏性土施工期及工后的變形規(guī)律是否一致，缺乏可靠的經(jīng)驗認(rèn)識及工程總結(jié)。本文依托南京地鐵4號線一期工程徐莊·蘇寧總部至金馬路站區(qū)間隧道下穿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線以及仙寧鐵路項目，運用理論分析以及現(xiàn)場變形觀測相結(jié)合的方法，分析鐵路路基在盾構(gòu)隧道施工期以及工后的沉降規(guī)律。

　　1工程概況

　　1.1盾構(gòu)隧道與高速鐵路路基的相互關(guān)系

　　南京地鐵4號線一期工程徐莊·蘇寧總部至金馬路站區(qū)間隧道為分離式隧道，左、右線起止里程均為DK9+703.50～DK10+819.50，線路全長1116.0m。隧道采用2臺泥水平衡盾構(gòu)機掘進(jìn)，右線、左線依次從金馬路站始發(fā)井開始掘進(jìn)，始發(fā)間隔時間為15天。

　　在仙林大道附近，以緩和曲線穿越仙寧鐵路(雙線)和京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線(單線)，下穿長度約為60.0m;京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線與仙寧線上行線間距為17.0m，仙寧線上、下行線間距為4.0m，盾構(gòu)隧道與鐵路線的交叉角度約為40°，下穿位置左、右線盾構(gòu)隧道的中心間距約為30.0m，上覆土層厚度約為24.0m，隨后以直線掘進(jìn)后達(dá)到徐莊·蘇寧總部接收井。盾構(gòu)隧道外掘進(jìn)外輪廓為6.7m，內(nèi)輪廓直徑為5.7m，管片厚度為45cm，每片管片長度為1.2m。

　　1.2工程地質(zhì)

　　根據(jù)勘察揭示：場區(qū)為典型的侵蝕堆積崗地地貌，地表起伏較小，在盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基范圍內(nèi)，覆蓋層主要為Q4ml第四系近期堆填土(<1>素填土)和Q4al第四系沖積層(<2>粉質(zhì)黏土、<3>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、<4>−2b2粉質(zhì)黏土、<4>−3b1粉質(zhì)黏土、<4>−4b1粉質(zhì)黏土)，其中<2>粉質(zhì)黏土層呈流塑−軟塑狀態(tài)，<3>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為流塑狀態(tài)，兩層土含水量高，力學(xué)性質(zhì)差，屬高壓縮性土，受施工擾動和高速鐵路列車的反復(fù)動荷載作用影響明顯，穩(wěn)定時間長。

　　場區(qū)地層物理力學(xué)指標(biāo)。南京地鐵4號線徐金區(qū)間下穿鐵路地質(zhì)剖面。在洞身范圍內(nèi)，隧道主要穿越<4>−3b1粉質(zhì)黏土，該層土的力學(xué)性質(zhì)較好，壓縮模量為10.5MPa，呈可塑-硬塑狀態(tài)，上部和下部土層分別為<4>−2b2粉質(zhì)黏土、<4>−4b1粉質(zhì)黏土，壓縮模量分別為8.6，11.0MPa。

　　2Peck沉降理論預(yù)測沉降曲線

　　2.1理論公式

　　上世紀(jì)70年代，Peck經(jīng)過大量的工程數(shù)據(jù)總結(jié)了隧道開挖引起的地表沉降曲線規(guī)律，沉降曲線可采用高斯擬合的方法計算，大致呈“盆槽狀”，隧道中心正上方為沉降槽的最低點和對稱中心，沉降值最大。Peck沉降理論假設(shè)地層為均勻的連續(xù)介質(zhì)，且開挖在不排水條件下進(jìn)行，忽略水的損失，地層的損失與地表沉降槽體積一致等。

　　2.2理論計算結(jié)果

　　地層損失率δ=2‰～8‰時的地表沉降曲線。在右線單洞貫通時，沉降極大值隨著地層損失率的增加而增加，但沉降的影響范圍基本不變，大致為隧道中心左右各25m;雙線貫通后，由于左線隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的沉降槽對右線單洞貫通沉降槽的疊加影響，地表沉降曲線呈“W”狀，仍具對稱性，沉降極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處，且兩個最大沉降值一致，地表沉降極大值隨地層損失率的增加而增加，但沉降的影響范圍基本不變，大致為兩隧道中心左右各25m。

　　3高速鐵路路基施工期和工后沉降監(jiān)測及分析

　　3.1現(xiàn)場監(jiān)測點布置

　　在鐵路路基走向上布置5條觀測斷面，分別沿著鐵路路基邊線、京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線、仙寧鐵路上行線軌道中心線和仙寧鐵路下行線軌道中心線布置，以Peck沉降理論分析可知：隧道掘進(jìn)對地表沉降的影響范圍在隧道輪廓外25m，因此，監(jiān)測測點布置范圍應(yīng)不小于隧道外輪廓25m。在京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線及鄰近路基邊線的觀測斷面，每個斷面布置20個測點，測點間距為5m;在仙寧鐵路上、下行線軌道中心線及鄰近路基邊線的觀測斷面，每個斷面布置21個測點，測點間距為5m。現(xiàn)場鐵路路基沉降監(jiān)測點平面布置。

　　3.2監(jiān)測結(jié)果分析

　　為觀測京滬高速鐵路聯(lián)絡(luò)線以及仙寧鐵路路基的變形情況，對盾構(gòu)地鐵隧道的沉降監(jiān)測劃分為三個階段：第一階段，盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點前30m至監(jiān)測點前10m;第二階段，盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點前10m至監(jiān)測點后10m;第三階段，盾構(gòu)掘進(jìn)至監(jiān)測點后10m至監(jiān)測點后30m，鐵路路基進(jìn)入工后沉降階段。施工時，右線盾構(gòu)隧道盾尾離開路基邊緣15天后，左線盾構(gòu)隧道開始進(jìn)入下穿節(jié)點，為保證數(shù)據(jù)曲線的可比性，均將盾構(gòu)機掘進(jìn)至監(jiān)測點前30m為時間起點，監(jiān)測總時長為200天。

　　在第一階段，土體首先出現(xiàn)輕微沉降，隨后逐漸隆起，但隆起量較小;進(jìn)入第二階段后，受到盾構(gòu)施工過程中水泥注漿、雙液注漿、控制掘進(jìn)速率和出渣速率等工程措施的影響，地表沉降曲線出現(xiàn)了不同程度的波動，但整體而言變形值較小，均小于4.0mm;在第三階段，盾構(gòu)機掘進(jìn)離開監(jiān)測點10m后，鐵路路基進(jìn)入工后沉降階段，在80～200小時內(nèi)路基的沉降出現(xiàn)持續(xù)緩慢地增長，但并沒有達(dá)到收斂狀態(tài)。軟土地質(zhì)條件下的地表沉降主要是由于軟土在隧道掘進(jìn)過程中，受到擾動應(yīng)力發(fā)生調(diào)整，產(chǎn)生超孔隙水壓力，隨著孔隙水壓力的消散產(chǎn)生固結(jié)沉降，同時土體固體顆粒骨架發(fā)生蠕變產(chǎn)生次固結(jié)沉降。

　　其次，為高速鐵路列車活荷載對軟土的振動密實，使得土體內(nèi)孔隙水的排出，產(chǎn)生永久累積變形，引發(fā)軌道的不平順，進(jìn)一步加劇了輪軌沖擊，導(dǎo)致土體受到的荷載更劇烈。因此，在隧道掘進(jìn)擾動和高速列車的活荷載的雙重作用下，軟土的地表沉降表現(xiàn)出工后沉降大、影響范圍廣和達(dá)到穩(wěn)定時間長等特點。監(jiān)測點JH16處沉降曲線由于隧道掘進(jìn)速度的影響，土體表現(xiàn)出較為明顯的隆起，因此造成土體較為明顯的擾動，在后續(xù)沉降中位移變化幅度比監(jiān)測點XN23和XN19大。

　　由于右線隧道的先行掘進(jìn)，土層損失對軟土的原位狀態(tài)產(chǎn)生擾動，因此在后續(xù)沉降中，監(jiān)測點JH28，XN41，XN37的后續(xù)沉降最大達(dá)到8.5mm，大于右線施工時鐵路路基沉降量，且無穩(wěn)定收斂跡象。為進(jìn)一步認(rèn)識高速鐵路路基的工后沉降規(guī)律，對下穿節(jié)點持續(xù)140天的沉降監(jiān)測，選取沿京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線軌道中心線觀測斷面為研究對象，時間節(jié)點分別為第二階段結(jié)束后的5，20，50，80，110，140天，監(jiān)測結(jié)果。

　　在左線完成下穿后，土層沉降隨著時間的增長呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，沉降槽的深度和寬度都逐漸增加，在110天之后沉降值才趨于穩(wěn)定收斂，穩(wěn)定時間長，最大沉降量達(dá)到14.45mm。由于該項目軟土中無排水通道，地層本身滲透系數(shù)低，導(dǎo)致土體固結(jié)時間長，加上高鐵列車振動荷載的長期作用，使得與Peck理論計算的最大計算沉降值(7.88mm)相比，實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值，受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性，后推的左線隧道沉降極值明顯大于右線隧道的沉降極值。鐵路路基在施工期最大沉降值及工后沉降最大值對比。

　　工后沉降比率=(工后總沉降−施工期沉降)/工后總沉降×100%。根據(jù)一般的工程經(jīng)驗，普通黏性土和砂土的工后沉降比率一般在25.00%～30.00%[12]。由于軟土的孔隙水排水慢、固結(jié)時間長、高速鐵路列車振動的長期作用，使得軟土地質(zhì)條件下高鐵路基的沉降量主要發(fā)生在工后，占比最大達(dá)到75.64%，遠(yuǎn)大于普通黏性土和砂土，因此，對于后期沉降的監(jiān)測、高鐵軌道的巡檢和養(yǎng)護(hù)是保障鐵路安全運營的重要工作。

　　4結(jié)語

　　依托南京地鐵4號線徐金區(qū)間下穿仙寧鐵路及京滬高鐵聯(lián)絡(luò)線實例，研究了軟土工程地質(zhì)條件下高速鐵路路基的工后沉降變化規(guī)律。

　　(1)由Peck沉降理論可得：沉降曲線的極大值發(fā)生在兩個隧道中心對應(yīng)的地表處，隨著地層損失率的增加，地表沉降極大值也逐漸增加，沉降的影響范圍大致為兩隧道中心左右各25m。

　　(2)與一般黏性土或者砂性土不同，軟土地質(zhì)條件下盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路路基引起的沉降規(guī)律主要表現(xiàn)為沉降穩(wěn)定時間長、沉降槽的深度和寬度也較大，沉降量主要發(fā)生在工后，工后沉降比率最大達(dá)到75.64%。

　　(3)Peck理論計算的最大計算沉降值為7.88mm，實際觀測的沉降值遠(yuǎn)大于理論計算值，最大沉降量達(dá)到14.45mm。受施工影響沉降槽曲線呈現(xiàn)出非對稱性，后推進(jìn)的左線隧道沉降極值明顯大于右線隧道的沉降極值。

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　　作者：曹佳寧