0 引言

　　随着轨道交通和高速铁路网络逐渐密集化，在轨道交通建设过程中不可避免会遇到盾构隧道下穿高速铁路的情况^[1,2]。高速铁路运营繁忙，对沉降控制要求严格，加上各工程特点不一以及较短的天窗时间，对加固方案的制定和实施形成了较多约束^[3,4]。目前，对于盾构下穿运营铁路沉降控制，相关学者进行了较多研究，其中王强、谢雄耀等^[5,6]、刘欢^[7]和卢华喜等^[8]针对南宁地铁1号线盾构下穿南宁火车站股道工程，验证了桩+筏板基础加固方案能够满足铁路沉降控制要求;卢裕杰^[9]依托昆明市轨道交通首期工程环城南路站—昆明火车站盾构区间隧道下穿铁路工程，采用专家分析法和数值模拟法对其下穿昆明火车站股道的施工风险进行综合分析，并提出了纵向轨束梁吊轨加固、土体改良等相应对策;肖立等^[10]依托天津津滨轻轨天津站—七经路站盾构施工区间下穿铁路工程，通过数值模拟和监测数据分析，得到了盾构施工各阶段的地表沉降规律及盾构掘进对地表的扰动范围;孙连勇等^[11]等依托济南轨道交通R3线一期工程某区间隧道下穿铁路工程，利用Abaqus软件模拟了不主动加固和加固两种工况下，盾构隧道近距离下穿胶济铁路线桥梁与路基引起的变形情况;戴志仁等^[12]等依托国内首例富水砂卵石地层盾构隧道穿越铁路咽喉区道岔群工程，通过工程类比、数值计算与现场监测数据分析相结合的手段，基于列车通过速度与道床形式，提出道岔区道床与轨道变形控制标准以及一系列主动控制措施，施工反馈较好;李围等^[13]等针对深圳地铁7号线笋洪区间盾构重叠隧道下穿高铁26条轨道群工程，提出了轨道支撑+路基加固+夹层土体加固+下隧道内支撑的沉降控制措施，确保了运营安全，并验证了该加固技术体系的可靠性和实用性。

　　综上可以看出，盾构下穿会对上方的铁路运行造成较大影响，为了确保施工中铁路的运营安全，需要结合实际工程背景采取相应的加固措施。本文针对南宁市轨道交通3号线工程某区间隧道下穿柳南、南广铁路工程，提出了弹性基础梁+D型便梁的轨道加固方案，大大节省了盾构下穿铁路轨道的掘进工期，也确保了盾构安全平稳地通过铁路，对类似工程具有一定的指导意义。

　　1 工程概况

　　南宁地铁3号线某盾构区间隧道左线长539m，右线长542m，区间正下穿柳南、南广铁路轨道。柳南城际高速铁路是广西第1条城际高速铁路，线路全长226km，设计时速250km/h，区间线路穿越处设计时速为120km/h;南广高速铁路跨桂、粤两省区，设计时速200～250km/h，区间线路穿越处设计时速为110km/h。

　　柳南、南广高铁区间路段地质较差，为粉细砂泥岩复合地层，盾构掘进以350m小曲线半径施工，同时，柳南、南广高铁为南宁市主要铁路干道，列车经过频次较高，每10min均有3趟列车经过。在该工程背景下，盾构施工难度较大，对于沉降量控制、成型隧道线型控制等都相对困难。

　　1.1 盾构与既有铁路相对位置关系

　　某区间与铁路轨道斜交，夹角约65°。柳南、南广铁路左、右线间距均为4m，南广右线与柳南左线间距5m，盾构隧道左、右线间距约18m，直接下穿长度约23.8m。如图1所示，区间隧道下穿铁路轨道部分上覆地层主要为圆砾填土、素填土、粉细砂、泥岩等，左右线上覆各地层层厚不一，隧道埋深约为8.9～9.6m。

　　图1 区间隧道与铁路轨道纵断面  

　　由区间隧道与下穿铁路轨道的纵断面图可以看出，在铁路轨道两侧设有接触网立柱，但其埋深较浅，不会对盾构隧道的施工产生影响，其中南广铁路左线边侧立柱结构距轨道间距为3.5m，柳南铁路右线边侧立柱结构距轨道间距为7.8m，位于预加固设计D型便梁线位外侧，不影响D型加固便梁的施做。

　　1.2 工程与水文地质条件

　　南宁市地形是以邕江宽广河谷为中心的盆地形态，本工程属于邕江Ⅱ级阶地地貌，详勘揭示，区间隧道下穿铁路范围内地层自上而下主要为:(1)₁圆砾填土、(4)_1-1粉砂层、(7)_1-2、(7)_1-3泥岩层、(7)₄泥煤岩，具体参数如表1所示。勘探揭露范围内场地地下水类型主要是上层滞水、第四纪松散岩类孔隙承压水和碎屑岩类孔隙裂隙水。

　　表1 岩土主要物理力学参数 

　　表1 岩土主要物理力学参数

　　2 盾构下穿铁路轨道施工影响分析

　　依据设计图纸以及柳南、南广火车轨道等资料，利用MIDAS软件建立三维有限元数值分析模型。在三维建模中，取盾构隧道开挖方向为z轴，y轴垂直于岩层，x轴沿着盾构隧道方向。在本模型中，左右线隧道中心间距18m，在左右线隧道中心各往外取27m，沿隧道方向取72m;在盾构隧道穿越铁路轨道过程中，对4个轨道分别进行分析，共选取60m;在高度方向取40m，左右线隧道按平行建立，埋深9.6m。

　　数值模拟网格模型如图2所示，土体采用实体单元，强度准则为Mohr-Coulomb准则，铁轨采用梁单元模拟，管片采用壳单元模拟。由于本次计算主要考虑盾构推进过程中地表面以及轨道的位移变化，因此，模型忽略盾构机与周围土体之间的摩擦力以及盾构机的顶推力。在本模型中，采用4节点的四面体单元，整个模型共有单元109 188个，节点18 863个，模型侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，上表面为自由边界。根据施工方案，先进行盾构隧道左线施工，通过后再进行右线施工，具体有限元参数如表2所示。

　　图2 三维数值模拟网格模型  

　　表2 有限元分析参数取值 

　　表2 有限元分析参数取值

　　2.1 盾构隧道施工对铁路轨道的影响分析

　　本次线路轨道容许偏差值采取经常保养管理值作为控制指标，根据《高速铁路有砟轨道线路维修规则》规定:两股钢轨顶面水平的容许偏差、正线及到发线不得大于5mm。另外，如果在延长不足10m的距离内出现水平差超过4mm的三角坑，将导致1个车轮减载或悬空，如果此时出现较大横向力的作用，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。因此本工程中轨道沉降控制的标准为每股相邻轨道横向水平差不超过5mm，线路轨道前后高低差不超过4mm/10m。

　　本次计算定义隧道穿越的第1条钢轨为轨1，第2条钢轨为轨2，由于其他2条钢轨的变形情况类似，在此不做比较。从双线盾构穿越后土层沉降云图和钢轨沉降云图以及右线盾构穿越后钢轨沉降曲线(见图3)可以看出，盾构隧道上方钢轨最大沉降位置在左线隧道上方，最大沉降为9.00mm;左右线盾构穿越后，轨1与轨2的竖向沉降值基本相同，最大沉降差值<1.00mm，表明盾构隧道施工对沿钢轨横向方向上的差异变形影响较小;钢轨沿铁路轨道走向的沉降值呈现“W”状变化趋势;盾构隧道上方钢轨最大沉降位置为右线隧道上方，沉降最大值为9.01mm;钢轨沿轨道方向的最大竖向差异沉降值为6.42mm/10m，不满足沉降控制标准及要求，因此有必要在盾构下穿施工前采取预加固处理措施。

　　图3 右线盾构穿越后钢轨沉降曲线  

　　2.2 盾构隧道施工对轨道与管片的应力分析

　　由盾构双线穿越后铁路轨道的轴力和弯矩图可以看出，盾构左线开挖后铁路轨道弯矩、轴力较大值均位于盾构左线隧道上方部位，其中最大轴力为153kN，最大弯矩为4.5kN·m;在盾构双线均穿越后，轴力及弯矩较大部位分别位于双线盾构隧道拱顶上方部位，轴力最大值最终为146kN，弯矩最大值最终为4.2kN·m，盾构隧道施工过程中，右线隧道开挖使得上方铁路轨道弯矩、轴力最大值减少幅度较小，说明右线隧道开挖后，形成一定的连续梁效应，使得左线隧道上方铁路轨道的弯矩、轴力值减少。

　　隧道施工支护之后，衬砌管片主要以受压应力为主，其中以边墙位置压应力较为集中。左右线隧道先后施工后，管片衬砌的最大拉应力和最大压应力基本没有太大变化，最大拉应力约为0.23MPa，最大压应力约为1.42MPa。盾构施工过程中管片衬砌所受应力较小，其最大拉应力及压应力都能满足混凝土结构的安全要求。

　　3 既有铁路加固措施及加固效果分析

　　本工程中既有的柳南、南广铁路为广西重要的货运和客运专线，为了在隧道施工过程中，最大限度减少施工对铁路运输的干扰，确保在不中断行车的前提下既保证行车安全，又能保证下穿盾构隧道施工作业的顺利进行，本文针对实际工程特点首次提出了弹性基础梁+D型便梁加固的方案，取得了良好的经济和社会效益。

　　3.1 加固措施对比分析

　　目前针对盾构隧道下穿既有铁路的加固措施主要有混凝土板+桩加固、袖阀管注浆加固、扣轨加固、传统D型便梁加固以及洞内注浆等。如表3所示，本文对这几种加固措施在本工程中的适用性进行了对比分析，从表中可以看出，仅传统的D型便梁加固方法在本工程中适应性较好，能满足施工及沉降控制要求，然而该方案中需要预先施工桩基础支撑便梁，由于本工程轨道线间距仅5m，在保证铁路正常运营的基础上，完全没有桩基施工空间。为了尽可能降低风险，提出了弹性基础梁+D型便梁加固的方案，既避免了大型成桩设备进场，对铁路上方的接触网造成影响，也能适应线间距过小桩基无法施工的客观条件。

　　3.2 弹性基础梁+D型便梁加固方案

　　弹性基础梁+D型便梁加固设计如图4所示。在铁轨两侧路基开挖施做D型便梁基础，D型便梁基础采用800mm×1 400mm和1 200mm×1 600mm的共3条钢筋混凝土条形基础，即弹性基础梁，之后于基础梁上安装纵向束梁(D24型便梁)，然后再安装横抬束梁(H型钢横梁)。施工过程中，可根据实际定测局部调整D型便梁的布设。弹性基础梁施工需对铁路路基进行开槽，会影响铁路运行的安全性，可利用夜间天窗时间，采用人工挖槽分段开挖，挖1段即安放1段预制钢筋混凝土U形槽，U形槽既作为开槽临时支护，也作为地基梁模板，待地基梁开槽拉通后，绑扎钢筋并浇筑混凝土基础梁，最后再安装D型便梁系统。

　　图4 弹性基础梁+D型便梁加固设计  

　　3.3 弹性基础梁+D型便梁加固计算分析

　　D24便梁长24.5m,H型钢横梁长3.52m。便梁结构材料采用16Mnq钢，容许应力240MPa,E=2.0×105MPa，μ=0.3，ρ=7 850kg/m。根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》，高速铁路列车设计活荷载采用ZK活荷载，ZK活荷载为列车竖向静活载，ZK标准活荷载如图5所示。

　　图5 ZK标准活荷载  

　　表3 加固措施对比分析 

　　表3 加固措施对比分析

　　本节在第3节计算模型的基础上，增加了弹性基础梁构件，弹性基础梁与地面直接接触，并在地基梁之上建立D型便梁。施加荷载时，将便梁结构的横抬束梁质量、轨枕质量及列车荷载，转化为均布荷载直接施加于纵梁结构之上，纵向束梁采用梁单元进行模拟。

　　经过计算，在隧道开挖并施加列车荷载等外部荷载后，中间弹性基础梁产生的变形最大，为7mm，轴线方向的竖向最大差异沉降值为0.6mm/10m;D24型便梁产生的最大跨中挠度值约为1/3 500(位于中间弹性基础梁处)，远小于容许值，满足使用要求。弹性基础梁沉降曲线如图6所示。

　　图6 弹性基础梁沉降曲线  

　　4 弹性基础梁+D型便梁加固效果分析

　　长—东区间右线双螺旋土压平衡盾构机于1月12日19:00开始下穿高铁轨道，累计21环，原计划5d穿越，截至1月15日凌晨04:30穿越轨道的最后一环拼装完成，仅用3d时间成功下穿高速铁路。长—东区间左线双螺旋土压平衡盾构机自1月26日19:00开始穿越高铁轨道，累计18环，原计划4d穿越，截至1月28日下午17:30穿越轨道的最后一环拼装完成，仅用2d时间成功下穿高速铁路。

　　盾构左右线分别穿越轨道时各监测项目阶段变化及累计变化最大值如表4所示，从表中可以看出，各监测项目阶段变化量、累计沉降量及变化速率较小，均在控制值以内;另外，该工程成功穿越柳南、南广高速铁路，创造了盾构平均每天掘进10环的穿越高铁的掘进新速度，大大节省了工期，确保了春运时铁路的正常运行;同时下穿高铁时各控制监测项目累计变化量均控制在2.00mm以内，保证了施工过程中高速铁路运营安全。

　　综上可以看出，弹性基础梁+D型便梁的方案不仅大大节省了盾构下穿铁路轨道的掘进工期，在轨道沉降及差异沉降的控制上也表现非常好，同时考虑到弹性基础梁相对桩基不仅工艺较简单、不需要大型机械进场，还能实现分段施工，充分利用天窗时间，该方案值得在其他铁路保护方案中推广。

　　5 结语

　　本文依托南宁地铁3号线工程某区间隧道下穿柳南、南广铁路工程，针对其实际工程特点，首次提出了弹性基础梁+D型便梁加固方案，并对其进行了计算分析和施工效果评价。主要结论如下。

　　1)盾构隧道上方钢轨最大沉降位置为右线隧道上方，沉降最大值为9.01mm;钢轨沿轨道方向的最大竖向差异沉降值为6.42mm/10m，不满足沉降控制标准及要求，如不采取有效加固措施，盾构掘进过程将面临较大风险。

　　2)弹性基础梁+D型便梁的方案施工方便、快捷，不仅能大大缩短盾构下穿铁路轨道的前期加固工期，在轨道沉降及差异沉降的控制上也能满足铁路安全运营的要求。

　　表4 盾构左右线分别穿越轨道时各监测项目最大值统计 

　　注:沉降测点变形值为正表示隆起，为负表示下沉;水平位移变形值为正表示向轨道北偏移，为负表示轨道向南偏移

　　表4 盾构左右线分别穿越轨道时各监测项目最大值统计

　　3)本文提出的弹性基础梁+D型便梁加固方案，既能解决铁路股道线间距过小，D型便梁桩基础难以实施的问题，同时还能实现分段施工，充分利用天窗时间，具备在类似铁路保护方案中推广的实用价值。