1工程概况
盾构隧道与铁路交角为60°，隧道中心线水平间距为28m，埋深18m，主要穿越地层为第④工程地质层，以黏性土为主，间夹砂性土，该土层含水量相对较高，土体相对软弱。盾构隧道下穿施工将不可避免对沪宁铁路带来一定影响，为了保证沪宁铁路的正常安全运营，本设计参考国内外相关工程经验及相关规定，同时结合沪宁铁路实际情况，要求路基最大隆起量应控制在5mm以内，最大沉降量不得大于15mm[1]。表1为主要地层物理参数力学表目前用于预测盾构法掘进引起土体变形的主要方法有以现场实测资料为基础的经验公式法和考虑施工过程的数值模拟方法。
2经验公式法计算
对于盾构隧道引起的地面沉降预测，Peck（1969）年提出地层损失的概念和估算方法，后经过大量工程实践及修正完善，该方法成为最常用的估算盾构正常施工引起的地面沉降方法[2,3]。该方法认为在不考虑土体排水固结与蠕变的条件下，盾构推进后地面横向沉降基本为似正态曲线，地面沉降关系如下：式中：SX—距离隧道中心线x处的地表沉降，m；x—距隧道中心线的距离，m；i—沉降槽半宽度，m；VS—盾构隧道单位长度地层损失，m3/m。地层损失VS通常标示为：式中：V1—地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比；r0—盾构机外径，m。V1的取值与地质条件和施工条件密切相关。有关研究[2]通过对上海地区工程实测资料分析，认为隧道盾构施工引起的地面沉降，横断面上可按Peck公式计算，V1取0.35~0.7%。Peck等人同时提出2i/D与Z/D之间的关系公式：考虑到本工程的实际情况，盾构隧道正常施工时，地层损失率按照0.1%进行计算。左右隧道开挖完成后其地面最大沉降位置出现盾构隧道的正上方，最大沉降值为20.35mm，大于15mm。图1为Peck法计算的沉降槽。由此可见，盾构隧道开挖对铁路路基沉降影响较大，因此有必要采用适当的措施保证盾构施工期间的沪宁铁路正常的正常运营。
3数值模拟计算
3.1计算模型的建立
为进一步分析盾构隧道施工对沪宁铁路的影响，除Peck理论外，同时进行地层有限元分析，本次计算运用有限差分软件FLAC3D进行三维影响分析，采用土体弹塑性Mohr-coulomb本构模型，对土体进行钝化来模拟隧道开挖，根据盾构隧道的实际工序来模拟隧道开挖[4]（图2）。数值模型如图3、4所示，模型长、宽、高分别为80m×80m×65m。盾构采用的岩、土层物理力学参数见表1。
3.2计算及模拟方法
为了模拟盾构机在隧道中的推进，采用FLAC3D内置的Shell单元模拟盾构机壳体，赋予盾壳的力学属性。盾壳采用Shell单元模拟，其中盾构管片厚度为350mm。盾尾空隙、超挖影响、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范围概化为均质、等厚、弹性的等代层[5]（图5）。等代层均采用弹性材料模拟，其弹性模量取400MPa。等代层厚度可按下式取为：=（4）式中：为计算的盾尾空隙；即盾构外径与衬砌外径之间的差值的一半；对于软粘土，1.6~2.0。两条盾构隧道分别进行开挖，待右侧（左侧）隧道开挖完成后，再进行左侧（右侧）隧道开挖，本次计算假定先进行右侧隧道开挖，再进行左侧隧道开挖。
3.3模拟工况
经验公式计算表明盾构施工必然会引起线路下沉，进而不可避免对铁路正常运营带来一定影响。为了保证沪宁铁路的正常安全运营，并结合既有工程经验，因此有必要采取一定措施降低隧道开挖对铁路的影响，本文对盾构开挖从以下三个工况进行数值模拟：（1）工况一：盾构隧道直接进行开挖，未采取辅助措施；（2）工况二：盾构开挖后，对隧道周围4.5m土体进行注浆加固；（3）工况三：盾构开挖前，对隧道周围土体进行预加固，加固范围为盾构机周围4.5m以内土体。
3.4计算结果分析
通过计算分析，可以发现在未采取辅助施工措施的情况下左右侧隧道穿越铁路后路基最大沉降为21.1mm，与经验公式法计算结果基本一致，均超过15mm。可见在未采取辅助施工措施的情况下，盾构隧道开挖引起铁路路基沉降较大（图6～图8），直接影响到铁路的正常运营，因此有必要采取适当的加固措施。在盾构隧道开挖后对盾构周围4.5m土体进行加固注浆的工况下，铁路路基最大沉降为15.3mm，可见盾构隧道开挖后对周边土体进行加固对减少路基沉降有着较为明显效果，但路基沉降仍较大，超过15mm。在盾构隧道开挖前对盾构周围4.5m土体进行预注浆加固的工况下，铁路路基沉降最大值为10.4mm，可见在盾构开挖前对周围土体进行预注浆加固可以有效地将铁路路基沉降控制在较低水平，保证盾构施工期间铁路的正常运营。通过方案对比研究可以发现，对盾构周边土体进行加固可以有效地控制铁路路基沉降。其中采用隧道开挖前进行预注浆加固的方法可以将铁路路基沉降控制在10.4mm的水平，低于15mm，进而保证既有铁路的正常运营。盾构推进时的施工参数对于地表沉降同样有着较为明显的影响。综合国内外类似工程经验，盾构隧道施工产生地表沉降的主要原因是地层损失和固结沉降，具体表现为：（1）超挖引起的地层变位；（2）前仓压力设定不合理引起的掌子面失稳；（3）盾构姿态控制缺陷扩大对地层扰动；（4）注浆量不足或不及时形成壁后空隙；（5）注浆材料固化收缩造成的空隙；（6）盾壳与地层摩擦和剪切引起的地层损失；（7）地层固结沉降等。因此为了控制盾构施工造成的铁路路基沉降有必要采取以下措施：（1）盾构穿越前对铁路下方土体进行预加固；（2）严格控制盾构推进时的施工参数，减少施工对地层的扰动。
4结论与建议
通过以上计算分析可以发现，在盾构隧道正常施工时将对沪宁铁路产生不可忽视的影响，由于盾构施工造成的地面沉降超过20mm，大于15mm。而盾构穿越前对铁路路基下方土体进行预加固的方法可以有效的降低地面沉降水平，同时还应严格控制盾构推进时的施工参数并加强管理来控制地表沉降，具体措施如下：（1）严格控制土压力。盾构通过时的沉降是无法避免的，但是如果沉降超过设定预警值时，可以采取控制掘进速度和出土量，调整土仓压力，控制同步注浆的压力及注浆量等措施，从而有效控制地层的弹塑性变形。（2）严格控制注浆量。必须严格按"确保注浆压力，兼顾注浆量"的双重保障原则，紧密结合施工监控量测的反馈信息，不断优化注浆压力。（3）尽量减少盾构推进方法的改变。盾构推进过程中严格执行"勤纠偏，小纠偏"的严重，严谨大幅度纠偏，尽量减少施工原因造成的盾构推进方向的改变。（4）减少对地层的扰动。隧道管片的变形量与管片拼装的质量紧密相关，在施工过程中，必须强化施工管理，保证一次紧固结实。每环掘进过程中，应适时对螺栓进行二次紧固。
作者：孙峰 单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院
