地鐵盾構(gòu)隧道下穿寧啟鐵路的變形影響規(guī)律及控制技術(shù)

馮 超，高志剛

(1.中鐵七局集團(tuán)西安工程公司，陜西西安 710032;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054)

0 引言

南京地鐵S8線需要下穿既有寧啟鐵路高填方路基和橋涵，為保證盾構(gòu)下穿期間的既有鐵路安全，需要對(duì)其展開(kāi)研究，制定可靠的安全措施。文獻(xiàn)［1－4］指出，新建隧道開(kāi)挖后首先引起隧道周圍地層應(yīng)力的變化，隧道周圍土體產(chǎn)生變形和破壞，隨隧道的不斷開(kāi)挖所影響的范圍也不斷擴(kuò)大，最終通過(guò)地層傳遞到地表和鄰近既有線。文獻(xiàn)［5－10］表明，盾構(gòu)穿越施工是一項(xiàng)存在多項(xiàng)不確定因素的綜合工程，或多或少會(huì)引起軌道的前后不平順以及軌道整體沉降和差異沉降等現(xiàn)象，這些都會(huì)給鐵路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大的不確定因素。文獻(xiàn)［6］提到，蘇州某盾構(gòu)地鐵隧道穿越高鐵路基采取板樁結(jié)構(gòu)和注漿聯(lián)合支護(hù)的方法;北京地鐵5號(hào)線崇文門(mén)站下穿2號(hào)線崇文門(mén)渡線段，采取大管棚和注漿聯(lián)合支護(hù)的方法。本工程中盾構(gòu)下穿既有鐵路與以往隧道下穿地上鐵路工程的不同點(diǎn)在于:盾構(gòu)下穿區(qū)段不統(tǒng)一，其中盾構(gòu)左線下穿鐵路高填路基，而盾構(gòu)右線下穿鐵路剛構(gòu)橋涵。探究盾構(gòu)下穿時(shí)二者及其結(jié)合處的地表變形規(guī)律和保護(hù)措施是本文研究重點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 環(huán)境條件

南京地鐵S8線一期工程作為南京市2014年青奧會(huì)交通配套工程之一，始自南京市大橋北路，終至六合區(qū)金牛湖風(fēng)景區(qū)。全線共設(shè)17座車站，高架站11座，地下站6座。其中方州廣場(chǎng)站－沈橋站區(qū)間為盾構(gòu)施工隧道，在K28+951.770處左右線(線間距20 m)均需下穿寧啟鐵路路基和橋涵。其中左線穿越路基段長(zhǎng)度約為33 m(28管環(huán))，從路基表面算起埋深為16 m左右;右線穿越橋涵長(zhǎng)度約為16 m(13環(huán))，從地面算起埋深為10.5 m左右 (見(jiàn)圖1)。

圖1 地鐵隧道與寧啟鐵路關(guān)系Fig.1 Relationship between Metro tunnel and existing Ning－Qi railway

寧啟鐵路全長(zhǎng)約351 km，是國(guó)家"八縱八橫"鐵路主通道之一的組成部分，為寧西(南京至西安)鐵路的延伸，是國(guó)家I級(jí)單線鐵路。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告所揭示土層，隧道上部地質(zhì)情況從上到下依次為①－3填土，②－1c2－3粉土，②－2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，②－3b2粉質(zhì)黏土，③－1b1－2粉質(zhì)黏土，③－3b1－2粉質(zhì)黏土，④－1b1粉質(zhì)黏土，閃長(zhǎng)玢巖等。隧道穿越地層為②－2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②－3b2粉質(zhì)黏土，隧道底部為③－1b1－2粉質(zhì)黏土。其中隧道埋深為10.5 m左右，所處地層為粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，工程地質(zhì)一般。

1.3 支護(hù)條件

隧道采用盾構(gòu)施工，選用盾構(gòu)為小松TM634PSX－43型號(hào)，盾構(gòu)外徑6.34 m，盾尾間隙量30 mm，最大推力37 730 kN。采用整環(huán)管片做支護(hù)的方式進(jìn)行掘進(jìn)，管片依次拼裝3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊A，然后安裝2塊鄰接塊B，最后安裝K塊即楔形塊。其中管片外徑6 200 mm;管片內(nèi)徑5 500 mm;管片厚度350 mm;管片環(huán)寬1 200 mm。整環(huán)管片拼裝完后，在盾尾密封刷內(nèi)填塞密封油脂，以保護(hù)盾尾密封刷不被磨壞，然后將管片往盾尾后推出1 200 mm，并及時(shí)進(jìn)行同步注漿。

2 隧道下穿對(duì)寧啟鐵路的變形影響規(guī)律

寧啟鐵路的重要性已經(jīng)在前文有所體現(xiàn)，因此對(duì)施工過(guò)程中的鐵路變形控制要求就更為嚴(yán)格。為確保施工的安全性，做到萬(wàn)無(wú)一失，決定建立三維模型進(jìn)行盾構(gòu)穿越的數(shù)值計(jì)算分析，得出穿越對(duì)其帶來(lái)的變形影響規(guī)律。從而確定是否需要采取地基加固措施，以及采取什么樣的地基加固參數(shù)。

2.1 三維數(shù)值模擬

FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國(guó)ITASCA公司開(kāi)發(fā)出的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算程序，主要適用于巖土工程問(wèn)題分析。本次計(jì)算采用該軟件進(jìn)行數(shù)值分析工作。

2.1.1 數(shù)值模型

在鐵路沿向和隧道沿向上都是平面應(yīng)變問(wèn)題，根據(jù)圣唯南原理，將模型尺寸取為大于地鐵隧道開(kāi)挖洞徑的3～5倍最合理，既能滿足求解精度要求，也能滿足計(jì)算速度要求。建立90 m×45 m×45 m(長(zhǎng)×寬×高)尺寸模型，模型劃分53 726個(gè)單元，57 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型采用塑性摩爾－庫(kù)侖模型來(lái)模擬土體。三維數(shù)值模型見(jiàn)圖2。

圖2 三維數(shù)值模型Fig.2 3-D numerical model

2.1.2 計(jì)算參數(shù)和假定條件

根據(jù)勘察報(bào)告，為方便建模，按成因及年代將土層整合成4層。土層參數(shù)一覽表見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)一覽表Table 1 Parameters of different soil strata

計(jì)算假定:

1)由文獻(xiàn)［11］可知，盾構(gòu)推力的大小和隧道上方最大沉降位置無(wú)關(guān)。參考當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)推力為掌子面水土壓力，側(cè)壓力系數(shù)取0.7。

2)圍巖荷載釋放率［12－15］。根據(jù)參考文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，荷載釋放率定為0.2。

3)等代層模擬注漿［2］。計(jì)算中認(rèn)為注漿材料可及時(shí)完全填充圍巖荷載釋放一定程度后剩余盾尾空隙。注漿形成的等代層厚度取0.07 m，等代層采用彈性體，彈性模量為 1.2 MPa，泊松比取 0.17。

根據(jù)計(jì)算假定，采取表2所示的參數(shù)模擬地鐵隧道的支護(hù)條件。

表2 支護(hù)參數(shù)一覽表Table 2 Parameters of different materials

2.1.3 計(jì)算步驟和工況

在計(jì)算中使用FLAC中的 "空模型"(Null Model)功能來(lái)模擬土體開(kāi)挖和支護(hù)施工:自重應(yīng)力求解平衡－開(kāi)挖(將開(kāi)挖部分設(shè)置為"空單元")－進(jìn)行管片支護(hù)－等代層設(shè)置(注漿)－計(jì)算，使之達(dá)到平衡－下一環(huán)開(kāi)挖、支護(hù)計(jì)算、等代層設(shè)置，循環(huán)直至結(jié)束。

計(jì)算分為2種工況:

1)地層未加固狀態(tài)。計(jì)算得出地表沉降規(guī)律，同時(shí)決定是否進(jìn)行地基加固。

2)地層加固狀態(tài)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 第1種工況計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求和鐵道部《鐵路線路維修規(guī)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，地表隆沉值分別為 +8 mm和－25 mm。圖3(a)是在未對(duì)鐵路路基及剛構(gòu)橋涵采取任何加固措施的工況下，左線隧道開(kāi)挖計(jì)算的地表沉降曲線，曲線變化趨勢(shì)表明在隧道開(kāi)挖通過(guò)后，地表形成沉降槽，符合Peck提出的地層沉降理論。在線路中心處沉降曲線最低點(diǎn)的沉降值達(dá)到18 mm。由于地表沉降造成隧道腰部橫向變形，引起橋涵西端有隆起現(xiàn)象，隆起值達(dá)到10 mm。

圖3(b)是繼左線隧道開(kāi)挖之后，右線隧道開(kāi)挖疊加引起的地表沉降曲線，最大沉降值為22 mm。同時(shí)由于右線隧道開(kāi)挖引起的地層損失導(dǎo)致橋涵西端由原來(lái)的隆起變?yōu)槌两担两抵禐?3 mm。

圖3 原始條件開(kāi)挖后地表沉降曲線Fig.3 Curve of ground surface settlement after excavation under original condition

由圖3可以看出，即使嚴(yán)格遵守盾構(gòu)相關(guān)施工參數(shù)，及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)同步注漿，仍然不可避免地引起路基和剛構(gòu)橋涵西半部分的下沉。因?yàn)橛?jì)算采取了一定的簡(jiǎn)化條件，和現(xiàn)實(shí)土層狀況有差異性(一般較之實(shí)測(cè)值小)，雖然地表沉降值未超出安全容許范圍，但從曲線變化趨勢(shì)上也揭示了盾構(gòu)穿越寧啟鐵路施工期間的潛在危險(xiǎn)性。地層不均勻沉降容易導(dǎo)致軌頂不平順。由此引起的線路不平順將加大輪軌間的沖擊力，使路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力加大，從而使隧道結(jié)構(gòu)受到的附加動(dòng)應(yīng)力增大。為了保證該鐵路在盾構(gòu)下穿施工期間的絕對(duì)安全，應(yīng)該借鑒相關(guān)案例經(jīng)驗(yàn)和資料，采取地基主動(dòng)加固措施。人為提高該剛構(gòu)橋涵基礎(chǔ)和穿越區(qū)范圍內(nèi)的地層物理參數(shù)，從而加強(qiáng)其地基強(qiáng)度。

2.2.2 地基加固措施

在該段隧道施工時(shí)需要在此計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)方案，對(duì)地基進(jìn)行加固。地基加固示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 地基加固示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground reinforcement

經(jīng)計(jì)算分析并查閱相關(guān)資料，決定對(duì)寧啟鐵路路基和橋涵的盾構(gòu)隧道通過(guò)段進(jìn)行地基加固?？紤]到鐵路周邊有廠房民居等建筑物，而且穿越寧啟鐵路橋涵的金江公路車流量較大，不方便交通導(dǎo)改，同時(shí)大型施工機(jī)械不利于鐵路的運(yùn)行安全防護(hù)，應(yīng)盡量采取小型便利的機(jī)械施工，故最后決定采用袖閥管注漿技術(shù)進(jìn)行地基加固。袖閥管是一種只能向管外出漿，不能向管內(nèi)返漿的單向閉合裝置。每個(gè)灌漿段長(zhǎng)度固定為30～50 cm，還可以根據(jù)地層情況調(diào)整灌漿長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)定量、定尺、可控灌漿?？筛鶕?jù)需要灌注任何一個(gè)灌漿段，還可重復(fù)灌漿，易于控制。鉆孔和灌漿分開(kāi)，提高鉆孔、灌漿設(shè)備的利用率。

左線下穿路基長(zhǎng)33.819 m，右線下穿涵洞長(zhǎng)度為15.647 m，其中加固區(qū)左線對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度為28環(huán)，右線加固區(qū)對(duì)應(yīng)隧道長(zhǎng)度為13環(huán)。

注漿范圍分別為鐵路剛構(gòu)橋涵下地基，加固深度大于隧道下1 m;鐵路路基36 m×20 m×25 m(長(zhǎng)×寬×深)范圍內(nèi)。漿液采用水泥漿，水∶水泥為1∶2，水泥標(biāo)號(hào)為32.5普通硅酸鹽水泥。水泥摻量為被加固土體的18%。加固28 d后經(jīng)相關(guān)單位檢測(cè)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，符合計(jì)算結(jié)果。施工橋涵下地基加固時(shí)金江公路左右車道交替圍擋施工。注漿采用2套設(shè)備從南北兩側(cè)對(duì)稱同步注漿。為防止地層隆起，注漿壓力控制為0.2～0.5 MPa。注漿后土層參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 注漿后土層參數(shù)一覽表Table 3 Parameters of different strata after grouting

2.2.3 第2種工況計(jì)算結(jié)果

經(jīng)分析研究，建議對(duì)盾構(gòu)穿越寧啟鐵路路基和剛構(gòu)橋涵的施工范圍內(nèi)的地層進(jìn)行加固處理，提高其地基強(qiáng)度，以減小地層位移。圖5是經(jīng)過(guò)地基加固后的地層位移云圖(豎向位移即Y方向位移分量)。由圖5可知，加固后雙線隧道開(kāi)挖引起的路基最大沉降值約5 mm，橋涵西側(cè)沉降約1 mm，橋涵其余部位地基隆起值約1 mm。較之地基未加固時(shí)的巖土條件，地表沉降已有很大改善，故認(rèn)為可以滿足鐵路安全運(yùn)行條件。

圖5 加固開(kāi)挖后地層位移云圖Fig.5 Contour of ground displacement induced by excavation after ground reinforcement

3 盾構(gòu)下穿寧啟鐵路施工的變形控制技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)下穿寧啟鐵路時(shí)，為了能夠有效控制鐵路路基和橋涵的變形，采取以下施工措施。

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)下穿掘進(jìn)施工中主要控制的施工參數(shù)是土艙壓力、推力、刀盤(pán)扭矩及掘進(jìn)速度。當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)首先打開(kāi)泡沫注入系統(tǒng)進(jìn)行渣土改良，其次調(diào)整盾構(gòu)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，使刀盤(pán)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，再次緩緩增加4組千斤頂?shù)挠蛪?，用于平衡盾?gòu)前體和刀盤(pán)的重力，防止盾構(gòu)低頭。

當(dāng)?shù)侗P(pán)扭矩過(guò)大時(shí)，應(yīng)調(diào)整泡沫和水的注入量，或反轉(zhuǎn)刀盤(pán)，待扭矩在設(shè)定范圍之內(nèi)再增加推力，當(dāng)掘進(jìn)速度控制在設(shè)定值時(shí)，停止增加推力。盾構(gòu)掘進(jìn)同時(shí)觀察土艙壓力的變化，當(dāng)土艙壓力慢慢升高到設(shè)計(jì)壓力時(shí)開(kāi)始出土，通過(guò)首環(huán)掘進(jìn)調(diào)整出土量。

當(dāng)土艙壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)低，減少出土量，使土艙壓力提高。當(dāng)土艙壓力高于設(shè)定壓力時(shí)，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速提高，增加出土量，正常掘進(jìn)階段螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整量不宜過(guò)大，防止土艙壓力上下波動(dòng)值過(guò)大，對(duì)掌子面地層產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起地面沉降。

將盾構(gòu)下穿寧啟鐵路的前后90 m作為控制性區(qū)域，其中左線對(duì)應(yīng)第274環(huán)到第349環(huán)，在此期間，嚴(yán)格遵循表4的掘進(jìn)參數(shù)，右線參考左線施工及其監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果依此類推。

表4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)一覽表Table 4 Parameters of shield tunneling

3.2 同步注漿和二次注漿控制措施

盾構(gòu)穿越寧啟鐵路區(qū)間施工期間，采用同步注漿與二次注漿結(jié)合的方式，分別采用表5和表6所示配比，同步注漿的用水量按照控制漿液稠度為10～12 cm進(jìn)行控制。

表5 同步注漿配合比(每方)Table 5 Mixing proportion of grout for simultaneous grouting(for very m3 grout)

表6 二次注漿配合比Table 6 Mixing proportion of grout for secondary grouting

3.3 其他控制措施

3.3.1 檢查盾尾密封裝置控制措施

在過(guò)寧啟鐵路前，統(tǒng)計(jì)前100環(huán)的施工工況，如盾尾漏漿發(fā)生超過(guò)2次，需盾構(gòu)進(jìn)入寧啟鐵路界限30 m范圍前，在當(dāng)前環(huán)將油缸推進(jìn)至最大行程。

3.3.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制措施

盾構(gòu)穿越寧啟鐵路段縱斷面線型為4‰的直線上坡。盾構(gòu)穿越前將盾構(gòu)平面姿態(tài)控制在±20 mm之間，偏下－5～－20 mm;穿越過(guò)程中，控制盾構(gòu)姿態(tài)的糾偏量，保持以既定姿態(tài)推進(jìn)。

3.3.3 管片防水和拼裝質(zhì)量控制措施

指派專門(mén)質(zhì)檢人員，分白晚班專門(mén)監(jiān)控管片防水材料粘貼質(zhì)量，杜絕止水條脫落、起鼓以及角部不對(duì)齊現(xiàn)象，確保管片防水效果，杜絕地下水滲入現(xiàn)象發(fā)生;同時(shí)，每環(huán)拼裝完畢后、下環(huán)推進(jìn)時(shí)以及管片脫出盾尾后分別3次緊固連接螺栓，以免管片襯砌變形而誘發(fā)土體變形。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況是靠近北側(cè)的1條股道作為應(yīng)急車道，久未用，現(xiàn)役只有南邊1條股道，故將監(jiān)測(cè)斷面重點(diǎn)布置在靠近南邊。斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

鐵路沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7。經(jīng)對(duì)比分析表明，二者變化趨勢(shì)基本一致，但是由于數(shù)值模擬計(jì)算采取了一定的簡(jiǎn)化條件，無(wú)法百分之百地完全和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)、荷載等施工條件保持一致，因此地表沉降值計(jì)算結(jié)果略小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果。

地基沉降規(guī)律和未加固之前相比較變化趨勢(shì)相同，但是沉降值已經(jīng)有了很大的改觀。

圖6 地基沉降測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.6 Layout of ground settlement monitoring points

結(jié)合圖7可知，隧道左線隧道開(kāi)挖后，隧道頂部路基產(chǎn)生沉降，并在左線隧道上方巖土層形成典型沉降槽，沉降最大值約3 mm，位置為隧道頂部正上方。箱涵底部由于隧道腰部的變形擠壓而出現(xiàn)微小隆起，單獨(dú)開(kāi)挖左線隧道對(duì)箱涵的擾動(dòng)并不顯著。

隨著右線隧道的開(kāi)挖，路基頂部的沉降繼續(xù)發(fā)展，路基靠近箱涵側(cè)沉降值明顯增大，而箱涵左下角則由于右線隧道的開(kāi)挖由隆起變?yōu)槌两?，其沉降值約為0.7 mm，2隧道成型后對(duì)箱涵的影響明顯比單一隧道開(kāi)挖情形要大，但箱涵整體沉降值明顯在安全可控范圍之內(nèi)。

綜上所述，根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果采取的地基加固范圍和加固方式大大減小了盾構(gòu)隧道下穿寧啟鐵路時(shí)對(duì)其的變形影響，最大程度保護(hù)了鐵路的安全。

5 結(jié)論與建議

1)在地鐵隧道下穿既有線施工中，無(wú)論采取哪種施工方法，都不可避免對(duì)周邊圍巖造成一定程度的擾動(dòng)，從而引起鐵路沉降。鐵路沉降變形與地基強(qiáng)度關(guān)系很大，隨著地層強(qiáng)度的增強(qiáng)呈遞減趨勢(shì)。

2)考慮既有鐵路線的運(yùn)營(yíng)安全，地基加固方法首選袖閥管注漿，方便快捷，容易控制注漿范圍。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果實(shí)施地層加固后與未注漿工況相比，變形趨勢(shì)一致。地表沉降最大值約3 mm，隆起最大值為0.7 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全控制值，不影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

圖7 鐵路沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果對(duì)比曲線Fig.7 Measured settlement Vs.calculated settlement

3)本文在數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上提出的地基加固方案和制定的施工措施有效控制了鐵路變形，研究結(jié)果表明施工前采取數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法是一個(gè)決定地基是否加固以及確定加固強(qiáng)度的有效手段，可為類似項(xiàng)目提供參考。

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