目前，我国城市轨道交通建设规模已跃居世界前列 ^[1,2,3,4,5]。城市轨道交通线路不可避免地在空间上与其他既有结构发生交叉，其中，盾构隧道下穿既有铁路路基为典型工况，相关工程实例越来越多 ^[6,7,8,9,10]。盾构隧道在施工过程中将引起地层扰动，造成地表沉降，进而使既有铁路结构发生沉降变形。铁路结构微小的沉降变形可能对列车运营安全造成非常大的影响，故列车运行对铁路结构沉降变形的要求非常严格。20世纪90年代，国内外学者开展相关研究，Zanten等 ^[11]采用有限元软件对某盾构隧道下穿铁路路基进行数值模拟分析，得出路基和轨道沉降变形规律;肖广良 ^[12]采用数值模拟方法对上海11号线区间盾构穿越沪宁铁路施工引起的路基沉降进行预测，并以此为基础改进辅助加固措施;邢烨炜 ^[13]采用有限元软件模拟分析北京地铁14号线穿越京津城际铁路路基对轨道结构变形和列车行驶时动力特征的影响;Yang等 ^[14]采用桩筏基础加固铁路路基，并使用经验和数值方法对隧道下穿铁路路基引起的地面沉降进行预测，实测数据表明路基加固设计方法可行。

　　 目前的研究成果多集中于某一具体工程实践所采取的控制措施，而关于盾构掘进参数对路基沉降变形影响的研究较少。基于此，依托某地铁盾构区间下穿铁路路基实际工程，采用数值模拟计算方法，对包括注浆压力、注浆层弹性模量、注浆层厚度、盾构推力在内的掘进参数进行分析。同时，采用正交试验对掘进参数进行极差分析，得出各参数的影响程度。

　　 某地铁线路位于冲淤积平原，第四系覆盖层厚度较大。盾构隧道下穿铁路路基区间土层自上而下依次为人工填土层、淤泥层、粉质黏土层、淤泥质土层。正线双线隧道埋深16～19m，出入段线埋深10～12m，隧道轴间距约30m，穿越国家Ⅰ级铁路，正常行车速度为120km/h，盾构隧道轴线与铁路线路夹角约63°。

　　 重点研究新建盾构隧道下穿铁路路基对既有铁路沉降变形的影响，因此将既有铁路结构进行简化处理 ^[15]。考虑软土变形量大的特性 ^[16]，为避免边界效应，模型尺寸相应增加，左、右边界至隧道边缘的距离取7倍盾构直径，底部边界至隧道边缘的距离取4倍盾构直径，模型尺寸为100m×84m×45m(长×宽×高)。盾构隧道管片长1.2m，隧道开挖方向长度取管片环长度的整数倍，管片厚350mm，采用C50混凝土，利用“等代层”考虑盾尾空隙对地层沉降的影响 ^[17]。根据TB 10623—2014《城际铁路设计规范》 ^[18]的规定，列车竖向活荷载应采用中国城际(ZC)活荷载。按换算土柱的方法，可将列车及轨道荷载等效为静荷载，查规范可得等效荷载约为60kPa，计算模型如图1所示。

　　 淤泥层和淤泥质土层均采用FLAC3D软件中提供的修正剑桥模型(MCC)模拟，其余土层采用莫尔-库仑模型(MC)模拟 ^[19]，结合谢敏等 ^[20]的研究成果，土层及管片等基本参数如表1～3所示。

　　 盾构施工过程中，合理选取管片壁后注浆压力是保证施工安全的关键。参考齐静静等 ^[21]的研究成果，假定注浆压力沿管片整环均匀布置，在保持其他掘进参数不变的情况下，选取注浆压力为0.1,0.2,0.3,0.4MPa进行数值模拟分析。

　　 图2所示为不同注浆压力下双线隧道开挖完成后路基表面中轴线测点沉降曲线，由图2可知，路基沉降曲线均近似呈正态分布，最大沉降均在中轴线中心点附近，分别为9.68,8.59,7.39,6.44mm，可知在一定范围内，随着注浆压力的增加，路基沉降不断减小。这是因为较大的注浆压力能更好地保证注浆浆液填充至盾尾空隙中，从而有效控制地层变形，减小地层沉降。但在实际工程中，注浆压力并非越大越好，注浆压力过大，易发生劈裂注浆现象，使地层隆起，且对施工期间的衬砌管片受力不利。

　　 在数值模拟过程中，对浆液强度的变化过程进行简化，直接采用长期固化弹性模量(详见文献[22])。在保持其他掘进参数不变的情况下，选取注浆层弹性模量为100,150,200,250MPa进行数值模拟分析。

　　 图3所示为不同注浆层弹性模量下双线隧道开挖完成后路基表面中轴线测点沉降曲线，由图3可知，路基沉降曲线均近似呈正态分布，最大沉降均在中轴线中心点附近，分别为9.17,8.59,7.84,7.29mm，可知在一定范围内，路基沉降随着注浆层弹性模量的增加而减小。这是因为弹性模量较大的浆液具有较低的压缩性，从而为地层提供更好的维护作用。因此，施工时在保证工程成本的前提下，应采用弹性模量较大的浆液，特别是初期强度高且发展较快的浆液。

　　 注浆量的确定以盾尾建筑空隙量为基础，理想状态下，浆液应刚好填充满整个建筑空隙。但在松软地层中，浆液能渗入周围土体。因此，在实际工程中，确定注浆量时需考虑注浆材料渗入土体、超挖、地层参数及掘进方式等因素的影响，使得注浆量大于盾尾空隙值。王鹏 ^[23]指出，在软土地层中，注浆量一般设为空隙值的180%～250%。将盾尾空隙视为等厚环形空隙进行模拟，并假设浆液充满整个盾尾空隙。在保持其他掘进参数不变的情况下，选取注浆层厚度为14,24,34cm进行数值模拟分析。

　　 图4所示为不同注浆层厚度下双线隧道开挖完成后路基表面中轴线测点沉降曲线，由图4可知，路基沉降曲线均近似呈正态分布，最大沉降均在中轴线中心点附近，分别为8.59,7.44,6.52mm，可知在一定范围内，路基沉降随着注浆层厚度的增加而减小。这是因为注浆量的增加能使浆液更好地填充盾尾空隙，防止周围土体向隧道方向移动，同时，过量的浆液还能较好地限制浆液压缩变形，有利于保证地层安全。但在实际工程中，注浆量过大可能导致局部压力过大，引发管片损坏或劈裂注浆等严重事故，因此注浆量不能过大。

　　 盾构施工时，为维持掌子面稳定，需对掌子面施加临时支护力(土仓压力)，支护力过大易使掘进前方地表产生过大的隆起变形;支护力过小易引起盾构超挖，从而产生较大的地层沉降。为研究土仓压力对地表沉降的影响，在保持其他掘进参数不变的情况下，选取盾构推力为100,150,200,250,300kPa进行数值模拟分析。

　　 图5所示为不同盾构推力下双线隧道开挖完成后路基表面中轴线测点沉降曲线，由图5可知，路基沉降曲线均近似呈正态分布，最大沉降均在中轴线中心点附近，分别为9.38,8.59,7.83,7.11,8.37mm，可知在一定范围内，路基沉降随着盾构推力的增加而减小;当推力大于一定范围时，路基沉降随着推力的增加而增大。这是因为盾构推力设置合理时能较好地平衡掌子面前方的水土压力，维持掌子面稳定;当盾构推力设置过大时，会对前方土体上部结构造成破坏，对土体的扰动增强，造成前方土体隆起，使得最终的沉降较大。因此，在实际盾构工程中，需时刻监测地表沉降或隆起变化，将监测数据反馈至盾构机舱，及时调整盾构推力，使盾构推力处于较合理的范围内，确保盾构施工安全。

　　 前面的研究均采用控制单一变量的方法，由于盾构下穿铁路路基受多种因素的共同作用，且影响因素随着施工的进行不断变化，因此分析结果具有局限性，故通过正交试验解决多因素同时作用问题 ^[24]。

　　 根据正交试验设计原理，根据本研究的4个掘进参数因素，选取4因素3水平构造L₉3⁴正交试验方案。通过数值模拟得到路基沉降最大值，通过极差分析对掘进参数影响程度进行排序，从而得到影响显著的参数，如表4所示。

　　 由表4可知，注浆压力极差为1.30，注浆层弹性模量极差为0.71，注浆层厚度极差为1.79，盾构推力极差为0.75，即注浆层厚度对路基沉降变形的影响最大，其次分别为注浆压力、盾构推力、注浆层弹性模量。因此，在盾构推进过程中，及时填充盾尾间隙，保证相对富余的注浆量是确保盾构下穿施工变形控制和安全的最重要因素之一。同理，在合理范围内设置注浆压力和盾构推力，对减小地表沉降变形也可起到显著效果。

　　 采用数值模拟计算方法，研究盾构掘进参数对既有铁路路基沉降变形的影响，并通过正交试验设计和极差分析得到各因素影响程度，得出以下结论。

　　 1)不同盾构掘进参数引起的铁路路基沉降曲线均近似呈正态分布，在一定范围内，路基沉降随着注浆压力、注浆层弹性模量、注浆层厚度及盾构推力的增大而减小。

　　 2)下穿铁路路基施工过程中，各盾构掘进参数对路基沉降变形的影响程度由大至小依次为注浆层厚度、注浆压力、盾构推力、注浆层弹性模量。在盾构推进过程中，应及时填充盾尾间隙，并保证相对充足的注浆量。同时，在合理范围内设置注浆压力和盾构推力，也可减小地表沉降。