盾構隧道下穿高鐵路基中水平旋噴樁加固施工及效果分析

王科甫

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西西安 710043)

在城市軌道交通建設進程中，將不可避免地遇到越來越多的地鐵盾構隧道下穿既有路面軌道交通線路的情況。在盾構隧道下穿既有軌道線路的施工過程中，為保障底面交通的安全穩(wěn)定運行。有必要對盾構隧道下穿區(qū)間的地層進行加固，一方面提高地層承載能力，另一方面降低盾構施工對路面軌道交通的影響。當前，在加固工法中，全方位高壓旋噴技術(MJS)已逐漸被工程人員所應用。

MJS工法目前已被廣泛應用于實際工程中。在軟弱地基加固中，通過高壓流體切削地層并與地層形成水泥-砂混合物，從而可選擇性的對地層進行不同方位的加固。在MJS技術中，通過樁體之間形成的地下結構在眾多地下工程中發(fā)揮著重要的作用。比如城市暗挖隧道中地層加固及止水[1]、較小地層沉降[2]和提高地層承載能力[3]等多方面均采用了MJS技術。在MJS施工過程中，旋噴樁的成樁效果是施工的關鍵所在。此外，在盾構隧道下穿高速鐵路施工過程中，采用MJS工法加固地層后對盾構施工下穿高鐵路基施工的效果是工程中最為關心的問題[3]。因此，有必要設計合理的加固方案，并研究旋噴樁加固條件下盾構隧道下穿高鐵路基區(qū)間段隧道施工后土層的變形和破壞情況。

因此，本文首先對旋噴樁加固地層方法進行了設計，隨后提出了盾構隧道下穿高鐵路基區(qū)間段地層加固方案。應用數值計算方法對不加固和架構后盾構下穿施工過程中地層變形、路基沉降和開挖塑性區(qū)進行了對比研究。研究結果論證了本文提出的加固方案能夠有效地控制盾構隧道下穿高鐵路基施工過程對高速鐵路路基的影響。本文研究成果對后續(xù)類似工程具有一定的參考和意義。

1　工程概況

廣州市軌道交通九號線全部為地下線，自西向東全長20.1 km，線路在廣州北～花城路區(qū)間的隧道以大約74°斜角下穿武廣高鐵和京廣線的股道，總共下穿范圍共約100 m。

根據對該區(qū)間的巖土工程勘察得到了各層的地質參數，下穿區(qū)域屬于河流沖積平原，地層自上而下包含了四層土體，分別為軌道碎石墊層、人工填土層、沖洪積砂層、灰?guī)r中風化帶和灰?guī)r微風化帶。四層地層厚度自上而下大約為1 m、2.5 m、8.5 m、5.3 m、和7.7 m。各層土體的物理力學參數如表1所示。

表1　土層參數表

2　水平旋噴樁加固

利用武廣高鐵西側廣州北站貨場位置施工臨時豎井，從基坑內自西向東施做MJS水平旋噴樁對區(qū)間隧道上方一定范圍內土體進行加固。MJS工法加固范圍為：加固區(qū)高度4.5 m,寬度23.5 m。武廣高鐵MJS工法加固區(qū)域以及加固范圍如圖1、圖2所示。

圖1　加固平面示意

圖2　加固范圍示意(單位:m)

加固過程中的鉆孔布置方式：在擬改良區(qū)域均勻布置，旋噴范圍為下半圓170°，有效改良體直徑2.0 m，橫向樁間距1.7 m，咬合0.3 m，豎向樁間距為0.7 m，咬合0.3 m，由下至上逐排旋噴。水平旋噴樁主要工藝參數：固化材料噴射壓力40 MPa，固化材料排出量130 L/min，空氣壓力0.7 MPa，空氣排出量1.0 N·m3/min。加固過程中的實際參數可根據上一小節(jié)所述的步驟獲得。

3　加固效果分析

本文采用FLAC3D有限差分軟件，對MJS加固后下穿高鐵路基的盾構開挖過程進行數值模擬研究，從而分析本文中提出的水平旋噴樁的加固效果。

3.1　數值計算模型

根據工程概況，本文建立的數值計算模型尺寸為X×Y×Z=長×寬×高=60 m×60 m×35 m。假定圍巖為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準則，數值計算中采用了8節(jié)點六面體三維實體單元和4節(jié)點四面體三維實體單元。根據表1中數據建立了數值計算模型(圖3)。

圖3　數值計算模型

經過MJS加固后，加固區(qū)域的力學參數如表2所示。

3.2　水平旋噴樁加固條件下地層變形情況分析

根據盾構開挖的模擬方法和步驟，在地層未加固條件下進行盾構穿越高速鐵路的模擬。將水平旋噴樁加固后地層變形情況與未加固條件下地層變形情況進行對比分析，從而分析加固效果。模擬中盾構采用常規(guī)施工參數掘進，即開挖面壓力設定為0.15 MPa，注漿層厚度為0.15 m，注漿層彈性模量為150 MPa，為了降低盾構左右線之間的相互干擾，采用先開挖左線后開挖右線的方法進行盾構模擬施工。

表2　加固后地層物理力學指標

3.2.1地層豎向位移

不加固和加固條件下，盾構下穿鐵路路基施工后的地層豎向位移分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

圖4　地層豎向位移云(單位：m)

由圖4可知，在盾構隧道開挖后，不加固條件下(圖4(a))盾構開挖后隧道上方土體發(fā)生了嚴重的變形。主要表現為地表和隧道上方高速鐵路路基的整體性沉降。隧道上方沉降較為嚴重且比較集中。高速鐵路路基下地層沉降具有整體性。盾構隧道拱頂上方圍巖的最大沉降值達到了24.98 mm。地層加固情況下(圖4(b))，盾構隧道拱頂沉降較為均勻，高速鐵路路基主要沉降范圍較小。根據廣州地鐵施工經驗，地基沉降最大值不超過10 mm，在本工程中盾構隧道拱頂上方圍巖的最大沉降值為5 mm，符合要求。

3.2.2高速鐵路路基沉降

數值計算中得到的不加固和加固條件下高速鐵路路基沉降曲線分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5　鐵路路基沉降槽曲線

由圖5可知，高速鐵路路基的最大沉降主要發(fā)生在模擬范圍內的20～40 m區(qū)間。從圖5中可以明顯看出，隧道正上方的鐵路路基因隧道施工產生的沉降基本為均勻沉降。不加固和加固條件下，左線貫通后，路基的最大沉降發(fā)生在左側隧道拱頂，雙線貫通后，路基的最大沉降發(fā)生于兩隧道的對稱線位置。不加固條件下(圖5(a))，盾構施工完成后，高速鐵路路基最大沉降量達到了大約16 mm, 而加固后(圖5(b))高速鐵路路基沉降最大值大約為4.85 mm，相對于不加固條件下，鐵路路基最大沉降水平減小了大約400 %。同時，根據廣州鐵路路基工后沉降累計不超過5 mm，因此采取水平旋噴樁加固能夠很大幅度的降低鐵路路基沉降，保證路基安全穩(wěn)定。

基于以上分析結果，通過對地層不加固和加固條件下地層變形和高速鐵路路基沉降進行了對比研究，在盾構下穿高速鐵路路基施工過程中，采用水平旋噴樁對地層進行加固后，能夠有效減小地層的變形，降低高速鐵路路基沉降水平和減小盾構施工后地層的擾動范圍。因此采用水平旋噴樁加固地層能夠有效減小下穿盾構施工對高速鐵路路基的影響。

4　結論

本文基于數值模擬方法，對水平旋噴樁加固效果進行了仿真分析，為工程中采用旋噴注漿技術加固地層提供基礎理論與研究方法。結合實際工程，水平旋噴樁加固技術取得了良好的效果，保證了盾構順利的下穿高速鐵路路基，為今后的類似下穿工程提供一定的指導與技術參考。