地鐵隧道下穿既有鐵路施工時的地基加固分析

高志剛 馮 超

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，710054，西安;2.中鐵七局集團(tuán)西安工程公司，710032，西安∥第一作者，講師)

新建地鐵隧道下穿既有鐵路線施工時，會對既有鐵路線的結(jié)構(gòu)和軌道產(chǎn)生影響。不同的施工方法、控制技術(shù)措施在不同的施工階段對既有鐵路線變形的影響是不同的。地鐵隧道盾構(gòu)下穿施工是一項存在多項不確定因素的綜合工程，或多或少會引起鐵路軌道的前后不平順及整體沉降或差異沉降等現(xiàn)象，這些都會給鐵路的安全運(yùn)營帶來很大的不確定因素［5-8］。蘇州某地鐵隧道盾構(gòu)下穿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號線崇文門站下穿2號線崇文門渡線段，采取大管棚和注漿聯(lián)合支護(hù)的方法。無論采取何種方法進(jìn)行地基加固，保證地鐵隧道施工不影響既有軌道線路的運(yùn)營安全一直是倍加關(guān)注的工程問題。

本文對南京地鐵S8 線某段盾構(gòu)隧道下穿既有寧啟鐵路施工時的地基加固作數(shù)值分析。該地鐵盾構(gòu)左線下穿鐵路高填路基，而右線下穿鐵路剛構(gòu)橋。探究盾構(gòu)下穿時二者及其結(jié)合處的地表變形規(guī)律和保護(hù)措施是本文研究的重點(diǎn)。

1 工程概況

南京地鐵S8 線一期工程作為南京市2014年青奧會交通配套工程之一，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，其中高架站11 座，地下站6 座。該線的方州廣場站—沈橋站區(qū)間為盾構(gòu)施工隧道，在K28 +951.770 處左右線(線間距為20 m)分別下穿既有的寧啟鐵路路基和鋼構(gòu)橋。其中，左線穿越鐵路路基段長度約33 m(28 管環(huán))，從鐵路路基表面算起埋深約16 m;右線穿越鋼構(gòu)橋長度約16 m(13 環(huán))，從地面算起埋深約10.5 m。地鐵隧道與既有寧啟鐵路的平面關(guān)系示意圖見圖1所示。

圖1 地鐵隧道與既有寧啟鐵路的平面關(guān)系示意圖

根據(jù)勘察報告按成因及年代可將該施工段的地層整合成4 層，其物理力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

地鐵隧道所處地層為粉質(zhì)黏土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，工程地質(zhì)一般。

地鐵隧道采用盾構(gòu)施工，選用盾構(gòu)機(jī)型號為小松TM634PSX-43，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 個標(biāo)準(zhǔn)塊A，然后安裝2塊鄰接塊B，最后安裝楔形塊K。管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為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。并及時進(jìn)行同步注漿。

表1 施工段各地層物理力學(xué)指標(biāo)

2 地鐵隧道盾構(gòu)施工的數(shù)值模擬計算

寧啟鐵路的沉降控制要求嚴(yán)格。為確保施工的安全性，做到萬無一失，決定建立三維模型進(jìn)行盾構(gòu)下穿施工的數(shù)值計算分析，以確定是否需要采取地基加固措施及采取什么樣的地基加固參數(shù)。

2.1 三維數(shù)值模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析)軟件是由學(xué)者Cundall和美國ITASCA 公司研發(fā)的有限差分?jǐn)?shù)值計算程序，主要適用于巖土工程問題分析。本次計算采用該軟件進(jìn)行數(shù)值分析工作。模型共劃分為53 726個單元、57 806 個節(jié)點(diǎn)。盾構(gòu)管片采用C50 混凝土材料參數(shù)。巖土體的模擬采用德魯克-普拉格本構(gòu)模型，對塊體單元進(jìn)行空化和激活來模擬土體的開挖和填筑，用梁單元模擬剛構(gòu)橋，用線彈性模型模擬隧道管片結(jié)構(gòu)。其中，土體和地鐵隧道鋼筋混凝土管片的接觸通過壁后等代層來實(shí)現(xiàn)。等代層中的材料是土、水泥漿及土與水泥漿的混合體，其彈性模量應(yīng)介于土和水泥之間，一般可參考水泥土的壓縮模量來取值。它與土的性質(zhì)、漿體材料及其組成比例等有關(guān)。

計算時作如下假定:

1)圍巖荷載釋放率:在盾構(gòu)盾尾脫出時，如果能做到注漿與應(yīng)力釋放同步，注漿壓力等于盾構(gòu)脫出卸荷產(chǎn)生的釋放應(yīng)力，漿液不失水收縮，則可以認(rèn)為圍巖的荷載釋放率為零。而實(shí)際上，圍巖的荷載釋放率不可能為零。根據(jù)參考文獻(xiàn)和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，選擇荷載釋放率為0.2。

2)等代層模擬注漿:注漿通過等代層參數(shù)反映漿液的性質(zhì)，認(rèn)為注漿材料會及時完全填充盾尾的理論空隙值。注漿形成的等代層厚度取為0.15 m。等代層采用彈性體，彈性模量為4.5 MPa，泊松比取為 0.3。

現(xiàn)以此假定為依據(jù)進(jìn)行模擬計算，分析盾構(gòu)下穿寧啟鐵路時對其沉降的影響規(guī)律。地鐵左右線隧道盾構(gòu)施工下穿寧啟鐵路的三維數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 地鐵左右線隧道盾構(gòu)施工下穿寧啟鐵路的三維數(shù)值模型

2.2 三維數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計文件要求和《鐵路線路維修規(guī)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，地表的允許隆沉值分別為+8 mm 和-25 mm。圖3a)是在未對鐵路路基及剛構(gòu)橋采取任何加固措施的工況下，左線隧道開挖的模擬計算地表沉降曲線。其曲線變化趨勢表明在隧道開挖通過后，地表形成沉降槽，符合有關(guān)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，引起鐵路剛構(gòu)橋西端有隆起現(xiàn)象，模擬隆起值達(dá)到10 mm。圖3b)是繼地鐵左線隧道開挖之后，地鐵右線隧道開挖疊加引起的地表沉降曲線。其曲線變化趨勢表明，伴隨著地鐵右線隧道的開挖，地表沉降曲線仍然表現(xiàn)為派克(Peck)曲線，但最大沉降點(diǎn)向東側(cè)偏移至兩隧道中心線處，地表最大沉降值為22 mm。同時由于右線隧道開挖引起的地層損失導(dǎo)致鐵路剛構(gòu)橋西端由原來的隆起變?yōu)槌两担两抵禐?3 mm。

圖3 原始條件下開挖后地表沉降模擬曲線

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)，及時進(jìn)行盾構(gòu)同步注漿，仍然不可避免引起鐵路路基和剛構(gòu)橋西半部分的下沉。因?yàn)橛嬎銜r采取了一定的簡化條件，和現(xiàn)實(shí)土層狀況有差異，雖然地表沉降值未超出安全容許范圍，但從曲線變化趨勢上也揭示了盾構(gòu)下穿寧啟鐵路施工期間的潛在危險性。地層不均勻沉降容易導(dǎo)致鐵路軌頂不平順，由此引起的不平順將加大輪軌間的沖擊力，使路基內(nèi)動應(yīng)力加大，從而使地鐵隧道結(jié)構(gòu)受到的附加動應(yīng)力增大。為了保證該鐵路在地鐵盾構(gòu)下穿施工期間的絕對安全，應(yīng)該借鑒相關(guān)案例經(jīng)驗(yàn)和資料，采取地基主動加固措施，人為提高鐵路鋼構(gòu)橋基礎(chǔ)和穿越區(qū)范圍內(nèi)的地層物理參數(shù)，從而提高其地基強(qiáng)度。

經(jīng)分析研究，建議對盾構(gòu)穿越寧啟鐵路路基和剛構(gòu)橋的施工范圍內(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。從地基加固后的地層位移云圖可知，加固后雙線地鐵隧道開挖引起的路基最大沉降值為5 mm 左右，剛構(gòu)橋西側(cè)沉降在1 mm 左右，剛構(gòu)橋其余部位地基隆起值在1 mm 左右。較之地基未加固時的巖土條件，地表沉降已有很大改善，可以滿足鐵路安全運(yùn)行的要求。故在該段地鐵隧道施工時需對地基進(jìn)行加固。

3 地層沉降控制技術(shù)

3.1 地基加固

鐵路的地基加固示意圖如圖4所示。

圖4 鐵路的地基加固示意圖

經(jīng)研究討論并查閱相關(guān)資料，決定對盾構(gòu)隧道通過段的寧啟鐵路路基和剛構(gòu)橋進(jìn)行地基加固?？紤]到鐵路周邊有廠房民居等建筑物，而且穿越寧啟鐵路剛構(gòu)橋的金江公路車流量較大，不便于交通改道，同時大型施工機(jī)械不利于鐵路的運(yùn)行安全防護(hù)，故應(yīng)盡量采用小型便利的機(jī)械施工。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?？梢愿鶕?jù)地層情況調(diào)整灌漿長度，實(shí)現(xiàn)定量、定尺、可控灌漿，還可重復(fù)灌漿。鉆孔和灌漿分開，以提高鉆孔、灌漿設(shè)備的利用率。

地鐵隧道左線下穿鐵路路基長為33.819 m，右線下穿鐵路剛構(gòu)橋長為15.647 m，其中地基加固區(qū)的左線對應(yīng)隧道長度為52 環(huán)，右線地基加固區(qū)對應(yīng)隧道長度為35 環(huán)。

注漿范圍為:鐵路剛構(gòu)橋下地基的加固深度大于隧底1 m;鐵路路基的地基加固區(qū)長、寬、深分別為36 m、20 m、25 m。根據(jù)模擬數(shù)值計算可知，將地基承載力提高7～10 倍即可滿足要求。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，漿液采用水泥漿，水與水泥的重量比為1∶2，采用32.5號普通硅酸鹽水泥。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，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，符合計算結(jié)果。對鐵路剛構(gòu)橋下進(jìn)行地基加固時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)對稱同步注漿，為防止地層隆起，注漿壓力控制為 0.2～0.5 MPa。

3.2 盾構(gòu)施工技術(shù)

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，除了適時調(diào)整土倉壓力、推力、刀盤扭矩及掘進(jìn)速度外，在進(jìn)入鐵路路基下前10 環(huán)時，刀盤壓力每環(huán)增大0.012 MPa;在越過路基10 環(huán)時，刀盤壓力每環(huán)減小0.01 MPa。此外，在下穿寧啟鐵路前，統(tǒng)計前100 環(huán)的施工工況，如盾尾漏漿發(fā)生超過2 次，則需盾構(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;并檢查第三道盾尾密封刷的完好狀況，如有損壞則對此道盾尾刷進(jìn)行更換。盾構(gòu)下穿寧啟鐵路段的地鐵隧道平面線型為緩和曲線與直線段，穿越區(qū)縱斷面為4‰的上坡。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;應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿，及時檢查滲漏漿并結(jié)合地表沉降現(xiàn)場監(jiān)測情況，做好二次注漿。

4 鐵路地基加固效果檢驗(yàn)

為了對鐵路地基的加固效果進(jìn)行檢驗(yàn)，特設(shè)置地基沉降監(jiān)測點(diǎn)，其平面布置見圖5所示。地基沉降實(shí)測結(jié)果如表2所示。

圖5 地基沉降監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

表2 鐵路地基沉降觀測一覽表mm

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，鐵路地基沉降規(guī)律和未加固之前的數(shù)值模擬計算相比基本一致，但是沉降值已經(jīng)有了很大的改觀。結(jié)合圖5 和表2 可知，隧道左線開挖后，隧道頂部鐵路路基產(chǎn)生沉降，并在左線上方巖土層形成典型沉降槽，沉降最大值約3 mm，位置為隧道的頂部鐵路正上方。剛構(gòu)橋底部由于隧道腰部的變形擠壓而出現(xiàn)微小隆起，單獨(dú)開挖左線對剛構(gòu)橋的擾動并不顯著。隨著右線的開挖，鐵路路基頂部的沉降繼續(xù)發(fā)展，靠近剛構(gòu)橋側(cè)沉降值明顯增大，而剛構(gòu)橋西下角則由于右線的開挖由隆起變?yōu)槌两?，其沉降值約為0.7 mm。兩隧道成型后對剛構(gòu)橋的影響明顯比單一隧道開挖要大，但剛構(gòu)橋整體沉降值明顯在安全可控范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

1)在地鐵隧道施工中，無論采取哪種施工方法，都不可避免對周邊圍巖造成一定程度的擾動。擾動大小與開挖方法、隧道埋深、隧道間距、地質(zhì)情況等有關(guān)。特別是地鐵隧道需下穿既有鐵路線施工時，施工前采取數(shù)值模擬預(yù)測方法是一個決定地基是否加固的有效手段。

2)考慮既有鐵路線的運(yùn)營安全，鐵路地基加固方法宜選用袖閥管注漿，既方便快捷，又容易控制注漿范圍。數(shù)值模擬計算顯示，未進(jìn)行地基加固時，地鐵隧道左線開挖引起鐵路路基段沉降，而剛構(gòu)橋和路基接茬處呈現(xiàn)隆起，接近安全控制值;而注漿加固后與未注漿工況相比，地基沉降變化趨勢一致，但沉降最大值已降為3 mm 左右，隆起最大值為0.7 mm，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于安全控制值，不影響鐵路安全運(yùn)營。

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