1. 引言
近年来，随着城市轨道交通建设快速发展，地铁与运营铁路交叉工程越来越多，下穿运营铁路设计与施工也愈加复杂[1]-[3]。运营铁路安全控制要求高，地铁区间隧道下穿施工会对运营铁路产生很大影响，极易发生安全风险事故。本文以北京地铁19号线新宫站~新发地站区间下穿丰双、大李铁路为背景，介绍了地铁盾构区间下穿运营铁路采取的盾构加强注浆措施、铁路线路加固、接触网改移及监控量测等措施，并通过数值模拟分析及现场监测分析了防护措施的实施效果，为类似工程提供借鉴。
2. 工程概况
北京地铁19号线新宫站~新发地站区间下穿既有丰双、大李铁路路基，平面交角为68.5˚，垂直净距约16.65 m，见图1。下穿段地铁区间隧道采用盾构法施工，盾构管片外径6.4 m，内径5.8 m，管片厚0.3 m，环宽1.2 m。下穿铁路段采用两台土压平衡盾构于新宫站始发，从北向南依次穿越丰双铁路下行线、上行线，大李铁路，左右线掘进间隔约1个月。
Figure 1. Engineering plan
图1. 工程平面图
3. 安全控制措施
3.1. 既有铁路路基加固措施
为防止盾构掘进过程中刀盘上方路基可能出现的塌方引起路基破坏，确保运营铁路线路的正常运营，区间隧道穿越丰双、大李铁路采用扣轨加固措施，加固范围为左、右线影响范围以外各延长5 m，见图2。根据区间施工组织安排，左右线分别穿越铁路，先左线后右线，结合区间下穿对地表沉降影响范围及钢轨模数要求，区间下穿时铁路单线扣轨长度均为75 m。
无缝线路实施线路加固前后，据实对无缝线路进行应力放散，并检测轨温变化，扣轨加固期间列车通过盾构施工影响段落限速慢行，慢行速度不大于45 km/h。
Figure 2. Line reinforcement plan
图2. 线路加固平面图
3.2. 铁路设备保护措施
1) 接触网
区间下穿影响范围内接触网立柱距区间较近，为保证施工过程中接触网安全，对接触网立柱拆改。丰双铁路拆除K9+537附近95#杆，增设X1#、X2#桥钢柱；大李铁路拆除K3+090附近35#杆，增设X3#、X4#桥钢柱；拆改过程中更换接触线并对接触网进行粗调，细调，精调。
2) 其他铁路设施保护
盾构施工前结合现场实际情况，核实铁路线缆具体位置，将地埋线缆挖出地面，扣混凝土电缆槽防护，地铁施工完成后恢复原样。盾构施工影响范围内信号箱盒、接触网杆、电线杆基础土体进行注浆防护。
3.3. 地铁区间专项保护设计
1) 设置掘进试验段
为确保盾构机在正式穿越铁路地段将姿态及相关参数调整到最佳，在盾构穿越丰双、大李铁路前，设置盾构推进试验段，试验段左右线长度分别为77 m和70 m。试验段掘进过程中，针对性地设定多种推进参数、尝试不同推进模式，掌握不同类型地层的地质特性、沉降规律。根据实际施工过程中的出土量、地表沉降量、深层土体变化情况等不断对土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量及注浆压力、泡沫或土体改良剂配比等掘进参数进行调整，总结出合适的推进模式与参数，为正式下穿铁路提供经验和依据[4] [5]。
2) 掘进参数控制
盾构机姿态控制：在盾构机进入影响区之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，盾构不应向上抬头，及时进行盾构姿态调整和纠偏，保证盾构连续稳定推进，在铁路下纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差15 mm内，一次纠偏量不超过5 mm；针对土层的变化设定合理的土压仓压力，出土量严格按理论出土量出土，每环出土量偏差不超过1 m3，尽量减少土体扰动保持土体密实；下穿应缓慢匀速掘进，且不得停机，控制推进速度，建议推进速度10~15 mm/min，每天进尺控制在8~10环。
3) 加强洞内注浆
下穿段落盾构区间管片同步注浆量不小于理论空隙体积的180%~220%，二次补浆量不小于同步注浆量25%。下穿铁路影响段落，管片新增壁后注浆管，拱顶180˚范围深度3 m，仰拱1 m范围进行二次深孔加强注浆。单孔注浆扩散半径不小于0.5 m，注浆量不小于理论加固体所需孔隙填充量的120%。
4. 数值分析
4.1. 模型建立
利用MIDAS构建三位数值计算模型，模型尺寸为100 m × 80 m × 43.7 m，见图3。土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型；盾构管片、盾壳采用板单元，弹性模型；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，等代层采用板单元，弹性模型；洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土体参数模拟。
4.2. 计算步设计
本次计算模拟两种工况，分别为标准工况(保持盾构正常掘进，仅采取同步注浆及二次补浆，未采取其他特殊工程措施)、采取洞内加强措施工况(保持盾构正常掘进，同步注浆及二次补浆加强的同时，拱顶180˚范围内深度3 m，仰拱1 m范围进行二次深孔加强注浆加固)。
4.3. 结果分析
1) 地表沉降
Figure 3. 3D numerical calculation model
图3. 三维数值计算模型
Figure 4. Subgrade settlement caused by construction
图4. 施工引起的路基沉降
如图4所示，盾构施工引起铁路路基最大沉降点位于盾构左右线中间，沉降曲线呈“U”形。在标准工况下，路基最大沉降值为12.75 mm，超出控制值，采取洞内加强措施后，双线贯通后路基沉降为5.2 mm。
2) 接触网基础沉降
如图5所示，标准工况下各接触网立柱基础最大基础沉降量为11.41 mm，接触网立柱倾斜度为0.35‰，区间隧道洞内采取加强措施后，基础最大沉降减小至5.43 mm。
Figure 5. Settlement of catenary column foundation
图5. 接触网立柱基础沉降
5. 现场监测
为确保施工安全，对隧道结构隆沉及收敛、地表沉降、路基沉降进行实时监测。监测断面布置以丰双、大李铁路为轴线形成交叉监测网，在路基两侧设沉降主监测断面，其余段落按不小于10 m设一个监测断面，铁路围挡范围内采取远程自动化监测。
如图6所示，据现场监控量测表明，下穿段盾构隧道施工完成后，地表沉降规律同数值模拟结果基本一致，均呈现为“凹”型分布曲线，越靠近隧道轮廓线，地表沉降越大，远离隧道轮廓线，地表沉降逐渐变小。现场实测地表累计沉降最大值为−4.32 mm，位于点DB-CJ-09 (该点位于隧道左右线中点左侧3 m)处，测点沉降速度最大为0.2 mm/d，在采取相应控制措施后，地表沉降变形满足安全控制要求。
数值计算中地表沉降最大值为−5.2 mm，基本位于隧道中心轴上方地表处，相较于现场实时监控量测结果更大，这是因为数值计算中仅通过增强地层参数不能很好地模拟注浆效果，但两种方法地表沉降差值在1 mm以内，说明数值计算较为科学合理，采取MIDAS建模计算分析能够较好地还原施工现场，数值结果可作为指导现场施工的依据。
Figure 6. Accumulated surface subsidence
图6. 地表累计沉降
6. 结论
1) 地铁盾构区间下穿运营铁路安全风险控制措施常采用洞内加固、洞外防护等措施，现场监测表明，北京地铁19号线新宫站~新发地站盾构区间下穿丰双、大李铁路工程采取洞内加强措施后，盾构隧道下穿铁路施工引起的地表最大沉降为4.32 mm，路基最大沉降为3.22 mm，均满足安全控制标准要求。
2) 数值计算与实测结果对比分析表明，正常施工条件下，盾构下穿施工引起的地表沉降实测值与数值计算分析的沉降值规律相似，累计沉降数值接近，数值模拟分析对区间隧道下穿运营铁路安全防护措施设计与施工具有良好的指导价值。
基金项目
中国铁路北京局集团有限公司科技开发课题–A类重点课题(京铁科信函[2024] 7号-59)；中国铁路设计集团有限公司科技开发课题–A类重点课题(2022A02158003)。