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盾構(gòu)下穿既有鐵路對(duì)線路結(jié)構(gòu)的影響研究

文檔作者：梅江兵文檔來源：中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司		更新日期： 2026年04月10日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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2021 年第 4 期 工程前沿 9
盾構(gòu)下穿既有鐵路對(duì)線路結(jié)構(gòu)的影響研究
梅江兵
中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050
摘　要：為解決地鐵隧道盾構(gòu)施工穿越鐵路線時(shí)引起的地面沉降對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全性的影響問題，文章依托南通地鐵2 號(hào)
線南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)間隧道盾構(gòu)施工下穿國(guó)鐵南通東站工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，采用巖土有限元分析軟件
Midas GTS 對(duì)盾構(gòu)施工全過程進(jìn)行了三維仿真數(shù)值模擬，對(duì)鐵路線區(qū)域不加固和采取地面注漿預(yù)加固兩種工況進(jìn)行了對(duì)
比分析。結(jié)果表明，對(duì)地層采取預(yù)加固措施可有效降低隧道施工過程中地層擾動(dòng)對(duì)既有鐵路路基的影響，對(duì)減小軌道變
形控制效果顯著，能夠滿足結(jié)構(gòu)物變形控制要求。同時(shí)，文章結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)施工控制提出了相關(guān)建議與措施。
關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)；沉降監(jiān)測(cè)；數(shù)值分析；注漿加固
中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-2789（2021）04-0009-04
隨著我國(guó)地方經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市地鐵隧道的開發(fā)
建設(shè)如火如荼，隧道穿越既有鐵路線的工程案例也不斷涌
現(xiàn)。一方面，盾構(gòu)法因其經(jīng)濟(jì)、安全及高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，
在穿越土質(zhì)地層的地鐵隧道開挖工程中得到廣泛應(yīng)用；
另一方面，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工會(huì)改變?cè)纪翆拥某跏紤?yīng)力
場(chǎng)，擾動(dòng)土體使地下水流失，導(dǎo)致土體位移，引起地面變
形沉降，進(jìn)而加劇鐵路線路變形和軌道的不平順，增加輪
軌間的沖擊力，破壞軌道架構(gòu)和基床，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)
生嚴(yán)重影響[1]。因此，下穿鐵路線的隧道盾構(gòu)施工中地面
的沉降控制對(duì)于鐵路的運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。
1 文獻(xiàn)綜述
現(xiàn)階段各國(guó)研究人員在研究隧道盾構(gòu)施工地層變形規(guī)
律時(shí)，依托具體的工程實(shí)例，提出了經(jīng)驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)法、
數(shù)值模擬法、模型實(shí)驗(yàn)法等方法，并取得寶貴的成果[2-5]。
目前，對(duì)于地表橫斷面沉降預(yù)測(cè)應(yīng)用最廣泛的是Peck 公
式[6]，該公式是根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)公
式，其地表沉降形狀近似高斯曲線。Attewell[7] 認(rèn)為隧道
的開挖導(dǎo)致地層沉降曲線類似高斯曲線，其采用不同的計(jì)
算公式計(jì)算沉降槽寬度，對(duì)Peck 公式進(jìn)行了修正。姜忻良
等[8] 以天津地鐵1 號(hào)線某區(qū)間盾構(gòu)施工為例，在區(qū)間端頭
布設(shè)分層沉降以及土體測(cè)斜孔，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理發(fā)
現(xiàn)距離隧道越近的土體受盾構(gòu)施工擾動(dòng)越大。璩繼立等[9]
對(duì)上海地鐵某軟土地層區(qū)間進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，得到沉降曲線
形狀除了受施工參數(shù)的影響，隧道埋深也是影響沉降分布
特征的重要因素。鄭宜楓等[10] 以上海大型泥水平衡盾構(gòu)在
上中路隧道的施工為例，對(duì)泥水平衡盾構(gòu)施工中周邊土壓
力、地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)沉降主要發(fā)生在后期沉降
階段。孫玉永等[11] 在上海某區(qū)間雙線隧道采用土壓盾構(gòu)施
工時(shí)布設(shè)了分層沉降監(jiān)測(cè)和土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)
測(cè)數(shù)據(jù)分析得到盾構(gòu)通過測(cè)點(diǎn)不同階段時(shí)的深層土體沉降
和水平位移特征。李博等[12] 通過對(duì)成都地鐵某區(qū)間盾構(gòu)施
工地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到區(qū)間沉降寬度槽的取
值范圍。方勇等[13] 以具體工程為例，采用Flac3D 軟件對(duì)
土壓平衡盾構(gòu)開挖進(jìn)行模擬，考慮到盾構(gòu)機(jī)后面臺(tái)車的影
響，得到地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化，地層埋深不同其縱
向變化規(guī)律有差異。由上述可知，關(guān)于隧道開挖對(duì)地表的
沉降研究較為豐富，但針對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路對(duì)線路
結(jié)構(gòu)影響的研究仍涉及較少。
文章以南通地鐵2 號(hào)線工程南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)
間盾構(gòu)下穿寧啟鐵路南通東火車站站場(chǎng)為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)
沉降監(jiān)測(cè)，采用Midas 三維有限元軟件對(duì)隧道盾構(gòu)穿越鐵
路線進(jìn)行數(shù)值建模，研究了地基無加固措施及注漿加固措
施下隧道盾構(gòu)施工對(duì)地面變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，地
面注漿加固措施對(duì)控制鐵路線區(qū)域沉降效果較好，盾構(gòu)施
工工程現(xiàn)場(chǎng)采用地面注漿加固措施后取得了良好效果。
2 工程概況
南通地鐵2 號(hào)線位于江蘇南通市，南通東站站—先鋒
鎮(zhèn)站區(qū)間自地鐵南通東站站向東，下穿國(guó)鐵南通東站站場(chǎng)，
與鐵路線交角近似90°，穿越長(zhǎng)度約為77m，穿越范圍內(nèi)
鐵路建（構(gòu)）筑物有7 股道（依次為H 線、1 線、2 線、3 線、
4 線、5 線和6 線）。地鐵隧道與既有鐵路線相對(duì)位置平面
圖如圖1 所示。鐵路線區(qū)域所在地層由上至下為鐵路路基、
填土、粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)粉砂。地鐵區(qū)間
隧道拱頂至鐵路路基坡腳垂直距離為9.5m，隧道穿越的地
層為粉砂夾砂質(zhì)粉土及粉砂層，地鐵隧道與既有鐵路線相
對(duì)位置剖面圖如圖2 所示，地層中土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1
所示。隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，隧道外徑為6.2m，
內(nèi)徑為5.5m，環(huán)寬1.2m，設(shè)計(jì)管片厚度為0.35m，其彈性
模量為27.6GPa，泊松比為0.2，管片采用錯(cuò)縫拼裝，兩區(qū)
間隧道中心水平距離為15m。施工過程中，左線盾構(gòu)隧道先
行通過鐵路線區(qū)域，圖1 中箭頭為隧道盾構(gòu)施工掘進(jìn)方向。
3 數(shù)值模型
3.1 模型尺寸及邊界條件
采用Midas GTS 巖土有限元軟件對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路
10 工程技術(shù)研究 2021 年第 4 期
線工程進(jìn)行模擬分析[14]，如圖3 所示，模型尺寸（X×Y×Z）
為118m×108m×40m。兩隧道均沿X 軸負(fù)方向掘進(jìn)，左線
隧道先行穿越鐵路車站，模型中隧道穿越的粉砂夾砂質(zhì)粉
土及粉砂層簡(jiǎn)化為粉砂層，隧道外徑至模型兩側(cè)邊界的距
離大于5 倍的隧道洞徑，隧道外徑至模型底部邊界距離為
24.3m 以避免邊界效應(yīng)。模型上部梯形結(jié)構(gòu)為鐵路路基，路
基上部為軌枕，最上部為鐵路軌道。模型中土體均視為各
向同性、均值的理想彈塑性體，隧道管片視為線彈性體，
忽略巖土體的節(jié)理裂隙，不考慮地下水在開挖過程中的影
響，以模型計(jì)算土體自重應(yīng)力，使巖土體在自重應(yīng)力的作
用下達(dá)到平衡，再進(jìn)行盾構(gòu)開挖施工模擬。模型中隧道、
鐵路線尺寸、巖土體厚度等參數(shù)均與工程概況介紹一致。
地層均采用實(shí)體單元模擬，選用修正莫爾- 庫(kù)倫本構(gòu)
模型；管片、鐵路路基和道床軌枕采用實(shí)體單元，彈性本
構(gòu)模型，鐵軌采用梁?jiǎn)卧?，彈性本?gòu)模型。模型各土層材
料物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示，路基及盾構(gòu)隧道管片材料參
數(shù)如表2 所示。
圖1 地鐵隧道與既有鐵路線相對(duì)位置平面圖
圖2 地鐵隧道與既有鐵路線相對(duì)位置剖面圖
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
土層
含水
量/%
重度/
(kN?m-3)
壓縮模
量/MPa
黏聚力/
kPa
內(nèi)摩擦
角/°
靜止側(cè)壓
力系數(shù)
填土30.3 18.5 3.0 10.3 12.4 0.52
粉土25.3 19.2 11.3 9.0 29.0 0.40
粉砂夾砂
質(zhì)粉土
24.9 19.4 12.2 5.8 33.2 0.38
粉砂25.1 19.3 12.5 5.5 33.3 0.36
細(xì)粉砂23.9 19.3 13.0 5.1 33.5 0.33
圖3 數(shù)值模擬模型及尺寸
表2 路基與管片物理力學(xué)參數(shù)
材料參數(shù)路基盾構(gòu)管片
黏聚力/kPa 25
內(nèi)摩擦角/° 25
泊松比0.2 0.2
容重/(kN?m-3) 25
彈性模量/GPa 27.6
3.2 模型驗(yàn)證
隧道盾構(gòu)開挖未進(jìn)入鐵路線時(shí)，工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)地表的沉
降（如2O-O9）進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿股道方向設(shè)
置監(jiān)測(cè)橫斷面，每條監(jiān)測(cè)橫斷面間距（如2O-1O）為5m，
如圖4 所示。在數(shù)值模型中選取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，
與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的
預(yù)測(cè)，Peck 模型（1969 年）提出了地層損失的概念和估算
方法。經(jīng)過大量工程實(shí)踐及修正完善，該方法成為估算盾
構(gòu)正常施工引起地面沉降最常用的方法，具體公式如下：
（1）
（2）
式中：Sx 為從地面到盾構(gòu)中心處埋深為Z 的斷面上，
距離隧道中心線的沉降量；Vi 為地層損失量；i 為沉降槽寬
度系數(shù)，是土層條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。
數(shù)值模擬、Peck 公式及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降值對(duì)比如圖5 所
示。由圖5 可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果、Peck 公式預(yù)測(cè)以及
實(shí)測(cè)沉降發(fā)展規(guī)律基本相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可行性。
由于數(shù)值模擬在同一水平考慮土層參數(shù)為同一值以及模擬
的簡(jiǎn)化，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定差異。參考《鐵
路線路修理規(guī)則》（鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)）、《建筑地基基
2021 年第 4 期 工程前沿 11
礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）[15]，寧啟鐵路新建鐵路
設(shè)計(jì)時(shí)速為160km，確定該區(qū)間穿越國(guó)鐵軌道安全控制標(biāo)準(zhǔn)
為軌面沉降值不超過10mm，軌道高差不超過6mm，隧道拱
頂上方地表最大沉降量為9.5mm，地層損失率為0.5%，地
面沉降逼近控制標(biāo)準(zhǔn)。鑒于鐵路設(shè)施的重要性，下穿施工
需考慮采取對(duì)穿越范圍的土體進(jìn)行加固等措施，進(jìn)一步降
低工程風(fēng)險(xiǎn)。
4 基于地面注漿加固措施的軌道位移分析
鑒于在數(shù)值模擬的初步分析中，地面沉降值逼近控制
標(biāo)準(zhǔn)，考慮到鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性問題，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)及工
程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)控制路段地基采取地基加固措施，可在一定程
度上提升地基強(qiáng)度，控制地面沉降。根據(jù)秦愛芳等[16] 對(duì)上
海等軟土地區(qū)基坑工程注漿加固工程的研究，加固區(qū)土體
彈性模量取原土體彈性模量的2 倍，黏聚力與內(nèi)摩擦角值
不變，再次建立與3.1 節(jié)中相同隧道，加固區(qū)隧道土體彈
性模量變?yōu)樵瓉硗馏w的2 倍。在此基礎(chǔ)上使用數(shù)值模擬手
段分析盾構(gòu)隧道穿越鐵路線時(shí)軌道沉降、水平位移。數(shù)值
模型中的其他參數(shù)選取均與上節(jié)模型相同。左線隧道穿越
鐵路各軌道的沉降曲線與水平位移曲線如圖6、圖7 所示。
圖4 地表沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)
圖5 數(shù)值模擬、Peck 公式及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降值對(duì)比
圖6 軌道沉降云圖
圖7 軌道水平位移云圖
可以看出，加固后的鐵路軌道最大沉降出現(xiàn)在左線隧
道拱頂上方，線路3、4、5、6 處為5.79mm。6 條軌道線
路中線路H 沉降最小，可能原因是線路H 靠近地鐵車站端
頭加固區(qū)，地層性質(zhì)較好；軌道水平位移整體控制在3mm
以下，同一軌線間兩條軌道水平高度相差不大，差值遠(yuǎn)小
于標(biāo)準(zhǔn)控制值所規(guī)定的6mm。加固后的土體及軌道在左線
盾構(gòu)隧道穿越影響下沉降及水平位移值大幅降低，小于控
制標(biāo)準(zhǔn)，表明加固后較加固前沉降變形控制效果更好，地
面注漿加固方案能較好地保證鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。
5 現(xiàn)場(chǎng)地面注漿加固及監(jiān)測(cè)
基于地面注漿加固方案下數(shù)值模擬的初步分析可知，
實(shí)施加固措施后，沉降及水平位移得到控制?；诖?，現(xiàn)
場(chǎng)采用了袖閥管注漿加固技術(shù)對(duì)鐵路路基下方土體進(jìn)行加
固，加固范圍為鐵路路基坡腳外1m，加固深度為鐵路路基
頂面下5m 至地鐵隧道結(jié)構(gòu)下3m。H 線、6 線通過路基外側(cè)
斜管對(duì)路基下地層進(jìn)行加固，加固期間對(duì)H 線進(jìn)行降速運(yùn)
營(yíng)；中間的1 線、2 線、3 線、4 線、5 線以兩側(cè)的1 線、5
線為施工場(chǎng)，加固前拆除加固范圍1 線、5 線軌道及道床，
在加固期間對(duì)運(yùn)營(yíng)中的2 線、3 線、4 線采取降速運(yùn)營(yíng)。加
固過程中加固壓力為0.3 ～ 0.5MPa，鄰近地面附近注漿時(shí)
壓力小于0.2MPa，以防止地面隆起。注漿加固完成后測(cè)得
12 工程技術(shù)研究 2021 年第 4 期
加固土體28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.8MPa。盾構(gòu)隧道穿越施
工共進(jìn)行12d，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施2h/ 次不間斷沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)儀器
為L(zhǎng)eica TM50 全站儀，標(biāo)稱精度為±0.5″，儀器精度滿
足監(jiān)測(cè)要求。盾構(gòu)隧道穿越鐵路線后各監(jiān)測(cè)面累積沉降如
圖8 所示。
圖8 注漿加固后隧道穿越鐵路線地表沉降監(jiān)測(cè)值
從圖8 中可以看出，靠近H 線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)斷面2A-A9 累
積沉降值為所有監(jiān)測(cè)斷面最小，為2.4mm；靠近6 號(hào)線的監(jiān)
測(cè)斷面2F-F9 累積沉降最大，為4.8mm。各條鐵路線累積沉
降值變化規(guī)律與加固后數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相似，沉降值由H
線向6 線逐漸加大，但最大沉降量仍遠(yuǎn)小于沉降標(biāo)準(zhǔn)控制
值10mm，地表注漿加固后，鐵路線沉降得到控制。由于注
漿加固后，土層彈性模量增大，其承受變形的能力隨之增加，
地表最大沉降值逐漸減小，因此在注漿加固過程中保證注
漿質(zhì)量十分重要。
6 結(jié)論
為保證盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，文章采
用Midas-GTS 對(duì)隧道盾構(gòu)下穿施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)
論與建議如下：
（1）隧道盾構(gòu)開挖對(duì)地層土體的擾動(dòng)符合隧道開挖的
基本規(guī)律，地層的沉降也符合相應(yīng)沉降形成機(jī)理與沉降特征。
（2）當(dāng)對(duì)穿越區(qū)域內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理后，同時(shí)采
取盾構(gòu)施工對(duì)洞內(nèi)深孔注漿以及盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)等方面加以
控制。經(jīng)計(jì)算，地鐵雙線盾構(gòu)隧道施工后，鐵路6 線軌道
豎向沉降值最大，約為4.8mm，鐵路H 線軌道水平位移最大，
約為2.81mm，小于不加固工況的9.5mm 和4.63mm，并小于
既定的控制標(biāo)準(zhǔn)，表明加固后較加固前沉降變形控制效果
更好。對(duì)地層采取預(yù)加固措施可有效減緩隧道施工過程中
地層擾動(dòng)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)減小軌道變形、保證既有
線路的運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。
（3）鑒于鐵路線路在地鐵區(qū)間隧道穿越施工前已經(jīng)存
在一定程度的沉降，因此應(yīng)加強(qiáng)線路養(yǎng)護(hù)，為保證施工期
列車運(yùn)營(yíng)安全，建議在穿越施工期間對(duì)列車進(jìn)行適當(dāng)限速。
（4）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)須加強(qiáng)施工控制及監(jiān)測(cè)，控制好推進(jìn)
速度、土倉(cāng)壓力以及出土量等施工參數(shù)，盡量減小對(duì)地層
的擾動(dòng)，加強(qiáng)同步注漿，及時(shí)進(jìn)行二次注漿。
（5）考慮該穿越段區(qū)間隧道位于砂質(zhì)粉土層，應(yīng)加強(qiáng)
盾構(gòu)機(jī)設(shè)備配置與渣土改良，防止砂性土發(fā)生噴涌。穿越
段應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，及時(shí)進(jìn)行糾偏，以減小超挖
引起的沉降。通過在穿越段區(qū)間隧道管片增設(shè)注漿孔，以
加強(qiáng)二次補(bǔ)充注漿效果。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)對(duì)
隧道周邊的土體進(jìn)行注漿以控制沉降進(jìn)一步加大
參考文獻(xiàn)：
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作者簡(jiǎn)介：梅江兵，男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檐壍?
交通的設(shè)計(jì)。

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