内容提要：北京地铁某盾构区间隧道先后下穿直径线U型槽结构及既有京九铁路路基段，为尽量减少盾构隧道施工对铁路运营的影响，在充分比较的基础上，采用了深埋隧道下穿方案。本文利用数值分析方法，论证了盾构隧道对U型槽结构的影响，提出了变形控制指标。
关键词：盾构,深埋,数值分析,变形控制指标
1、引言
北京地铁某盾构区间隧道于YK9+848～YK9+910段先后垂直下穿直径线U型槽结构及既有京九铁路路基。从理论上讲，盾构隧道的施工过程可以简单概括为工作面开挖、盾尾衬砌环的拼装和盾尾空隙注浆充填三大工序，伴随着对土体的扰动、支护及再加固，不可避免地引起地层损失甚至地面沉降。区间隧道施工引起的地表沉降对既有铁路线路的影响主要表现在两个方面：一方面可能造成水平(指线路两股钢轨顶面的相对高差)超限;另一方面可能造成前后高差(指沿线路方向的竖向平顺性)超限。2006年10月1日施行的《铁路线路修理规则》明确规定，在υmax≤120km/h条件下，正线及到发线的线路轨道顶面静态水平及轨向容许偏差管理值为4mm。
一般情况下，超过允许限值的水平差，可以引起车辆摇晃和两股钢轨的受力不均，导致钢轨的不均匀磨损。但如果在延长18m的距离内出现水平差超过4mm的三角坑，将导致一个车轮减载或悬空，如果此时出现较大横向力作用，有可能发生脱轨事故。
前后高低不平顺对线路运营危害较大。列车通过这些地方时，冲击动力可能成倍增加，加速道床变形，从而更进一步扩大轨道不平顺，加剧机车车辆对轨道的破坏，形成恶性循环。一般情况下，前后高低不平顺的破坏作用同不平顺(坑洼)的长度成反比，而同它的深度成正比。规范规定：线路轨道前后高低差用L=10m弦量测的最大矢度值不应超过4mm。
因此，如何最大限度地减少地铁区间隧道施工对地层的扰动，控制地表沉降，满足铁路运营要求，保证运输绝对安全，是本区间隧道设计需要重点考虑的问题。
2、直径线U型槽及京九铁路路基情况
区间隧道穿越范围内直径线U型槽为钢筋混凝土结构，侧墙厚1.0m，底板厚1.2m，道床为0.7m厚的混凝土结构。U型槽段基坑深7.4～7.7m，采用φ800@1000mm钻孔灌桩桩结合喷锚支护，钻孔灌桩桩桩长13m，桩顶冠梁为1000×800mm钢筋混凝土结构。
在U型槽结构下方，敷设了2条新改移的污水方涵，其结构尺寸为3000×1250mm，与U型槽垂直。污水方涵为钢筋混凝土盖板箱涵:底板为1.5m素混凝土、侧墙为1.3m素混凝土(两侧局部配有钢筋)、顶盖为0.27m～0.29m厚钢筋混凝土。在U型槽基坑两侧共设有4座污水方涵闸门井与直径线两侧污水管沟相连。
3、工程地质及水文地质概况
3.1工程地质
根据岩土工程勘察报告，工程范围内地层按地层沉积年代、成因类型划分为人工堆积层(Qml)、新近沉积层(Q42+3al+pl)、第四纪全新世冲洪积层(Q41al+pl)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q3al+pl)、第三纪基岩四大类。本段地层自上而下依次为：
粉土填土①，稍密，含砖渣、灰渣。
杂填土①1，稍密，含砖块、碎石、砖渣、灰渣，表层多为路基填土。
粉细砂②3，稍密～中密，低压缩性。
圆砾卵石②5，稍密～中密，低压缩性，最大粒径不小于120mm，一般粒径为5～40mm，粒径大于2mm的颗粒占总质量的70%，亚圆形，中粗砂填充。
粉质粘土④，中压缩性，含少量碎石。
粉土④2，密实，中压缩性，含氧化铁、云母。
卵石⑤，密实，低压缩性，最大粒径不小于500mm，一般粒径为20～60mm，粒径大于20mm的颗粒占总质量的60%，亚圆形，中粗砂填充。
卵石⑦，密实，低压缩性，最大粒径不小于600mm，一般粒径为20～60mm，粒径大于20mm的颗粒占总质量的65～70%，亚圆形，中粗砂填充。
砾岩⑬，密实，低压缩性，强风化，胶结程度差，胶结物以粘粒组为主，局部为砂粒、大粒径漂石;岩芯采取率80%左右，RQD﹥30%，R=0.21～0.22 MPa，极软岩。
泥岩⑬1，密实，低压缩性，强风化、薄层状，胶结程度差，遇水易软化，有弱膨胀性，岩芯采取率85%左右，RQD﹥60%左右，δef=36.0～53.0%，R=0.08～0.46 MPa，极软岩。
3.2水文地质
根据岩土工程勘察报告，工程范围内地下水主要为潜水(二)，含水层岩性为卵石⑤层，水位埋深为12.95～14.35m，隔水层为粉质粘土⑥层、砾岩⑬层、泥岩⑬1层。该层主要接受大气降水及侧向径流补给，以侧向径流、向下越流补给的方式排泄。受大气降水的影响，该层水在雨季水位会有所上升，水量会增大。
4、区间隧道设计思路
(1)本区间隧道主要沿规划三里河南延路敷设，道路两侧建筑密集，主要有铁道部通讯中心、公安大学、中土大厦等高层建筑。道路下方管线众多，主要有电力隧道、污水方涵、高压燃气等。区间隧道需要下穿永定河引水渠、莲花池东路、铁路直径线U型槽、京九铁路等。因此综合地质条件及周边环境情况，本段区间隧道北段左、右线均采用盾构法施工。
(2)根据地勘报告，本区间京九铁路以南段属于基岩隆起区，主要以第三纪砾岩为主，泥质胶结的砾岩中存在不小于300mm左右的砾石。根据北京地铁10号线二期新兴桥附近的施工资料，砾石最大粒径可达1000mm。这对盾构施工极为不利。因此本段区间隧道采用暗挖法施工。在京九铁路南侧约35m处设盾构始发井向北掘进，可以利用始发井与京九铁路之间的段落作为盾构试验段，调整好盾构掘进参数，为盾构下穿京九铁路、直径线U型槽创造有利条件。
(3)为尽量减少盾构隧道施工对地下管线及直径线U型槽结构、京九铁路的影响，本段区间宜尽量深埋。从地质条件来看，区间隧道深埋后穿越的地层主要为强风化的泥岩和砾岩，均属于极软岩，不会对盾构隧道施工增加难度。由于莲花池东路、直径线U型槽、京九线相对较近，本段隧道深埋后也不会对未来线网规划及地下空间开发带来不利影响。因此经综合考虑，将区间隧道置于基岩中，盾构主要穿越地层为泥岩⑬1层，局部为砾岩⑬层。隧道顶距离直径线U型槽结构底约17.063m，在U型槽段隧道顶部以上泥岩厚度约7m。
5、数值模拟计算
区间隧道深埋后，下穿京九铁路段盾构隧道覆土厚度约24.5m，围岩分级为Ⅵ级，按照铁路隧道设计规范，深、浅埋隧道分界深度为：
hq=0.45×2(6-1)×[1+0.1(6-5)]=15.84m
因此本段隧道属于深埋隧道，盾构隧道施工对京九铁路的影响较小。因此选取盾构隧道下穿U型槽段进行模拟计算。
5.1力学模型
利用MIDAS-GTS岩土计算软件，采用地层-结构模式×对盾构隧道下直径线U型槽段的施工过程进行模拟计算。计算模型长78m、宽81.2m、高45m，划分为约300000个单元。计算模型如图5所示。
5.2模型材料参数
根据勘察报告各土层及结构参数见表1。
5.3结构计算
盾构隧道下穿直径线U型槽结构按“开挖—加载—衬砌——开挖”工序进行数值模拟。
开挖——开挖土体表面为直径6m的圆。长度为1.2m，即盾构管片宽。
加载——开挖后按200kN/m2作用于土体表面，相当于开挖面侧向土压力。
衬砌——施作外径为6m、厚300mm、宽1.2m的钢筋混凝土结构。
盾构隧道施工引起的地表沉降如图所示：
6、结论及建议
《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》中给出了地铁工程周边环境控制指标参考数值，下穿既有铁路时，既有铁路路基沉降10-30mm，路基位移平均速率1.0mm/d，路基最大速率1.5mm/d，轨道坡度允许控制值1/2500。这是基于一般情况下穿既有铁路给出的。从以上数值模拟情况可见，盾构隧道施工时对U型槽结构影响很小，这与区间隧道采用了深埋方案、盾构隧道进入泥岩约7m的情况密切相关。因此，根据本工程的特点，结合目前国内盾构隧道施工水平，盾构区间穿越直径线U型槽结构工程施工时，U型槽结构变形控制指标为：
U型槽结构横向最大沉降≤5mm、隆起≤3mm;U型槽结构纵向不均匀沉降≤3mm/15m。
同时，为尽量减少盾构施工对U型槽结构的影响，鉴于当时U型槽围护结构已施工完成，二次结构尚未施工，我们及时提出了U型槽结构不设变形缝的建议，得到了直径线U型槽设计方、建设方的认可并付诸实施。
参考文献
[1] 刘建航, 侯学渊. 盾构法隧道[M]. 北京:中国铁道出版社, 1991
[2] 路明鉴,盾构穿越临近建(构)筑物施工控制技术, 铁道标准设计,2007(增刊2)
[3] 邓美龙，黄常波，李钟，郝本峰，王东猛, 盾构穿越铁路安全施工技术, 建筑技术，2009(11)
[4] 周江天，盾构隧道下穿铁路枢纽的风险和沉降控制技术，特种结构，第27卷第4期，2010(8)
[5] 张永,盾构下穿地铁线路地层加固技术, 铁道建筑技术,2011(1)