地鐵區(qū)間隧道下穿福廈鐵路風(fēng)險(xiǎn)分析

何志軍

(中鐵四局集團(tuán)有限公司，合肥 230023)

廈門地鐵4號(hào)線下穿福廈鐵路施工期間，必須確保福廈鐵路不限速﹑不停運(yùn)，這對(duì)地鐵施工與設(shè)計(jì)提出了較高的要求，目前國(guó)內(nèi)隧道下穿鐵路已經(jīng)具備一定的經(jīng)驗(yàn)與成果。

以礦山法隧道下穿鐵路為例，隧道下穿紡織城鐵路專線時(shí)，王鳴曉[1]采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行軌道加固。隧道下穿既有滬昆鐵路路基時(shí)，石揚(yáng)釗等[2]采用CD法施工，并輔以洞內(nèi)大管棚進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)；袁良遠(yuǎn)等[3]則采用分段延時(shí)爆破等一系列減振技術(shù)措施。張俊[4]以長(zhǎng)春市快速軌道交通下穿軌道結(jié)構(gòu)為工程背景，研究掌子面加固、拱部注漿加固、鎖腳錨桿與普通錨桿對(duì)沉降的控制作用；袁竹[5]則研究管棚、注漿錨管與超前小導(dǎo)管對(duì)軌道高低偏差的影響。藺云宏等[6]通過(guò)三維計(jì)算得出，列車荷載對(duì)地表沉降的影響大于隧道施工。

再以盾構(gòu)法隧道下穿鐵路為例，天津地鐵6號(hào)線穿越復(fù)興河及陳塘莊貨運(yùn)鐵路時(shí)，李坤[7]以壓密注漿及高壓旋噴樁對(duì)鐵路路基及兩側(cè)土體進(jìn)行加固。深圳地鐵5號(hào)線下穿平南鐵路時(shí)，李昊勇等[8]通過(guò)打設(shè)1排φ600 mm鋼管樁，并在頂部增設(shè)1排預(yù)應(yīng)力錨索來(lái)加固路基。龐山等[9]對(duì)主加固區(qū)采用高壓旋噴樁加固，對(duì)次加固區(qū)采用壓密注漿加固。上海地鐵9號(hào)線下穿南新環(huán)鐵路時(shí)，鄭余朝等[10]采用分塊加固方案，軌道正下方的加固土的強(qiáng)度及剛度最高，遠(yuǎn)離軌道逐漸降低。北京地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越京通鐵路時(shí)，劉亞輝[11]合理選用土壓，并控制推進(jìn)速度、同步注漿、二次補(bǔ)償注漿等掘進(jìn)參數(shù)。武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)下穿武九鐵路時(shí)，季大雪[12]對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)得出，施工階段引起地面沉降主要因素是施工導(dǎo)致地層損失，但在盾構(gòu)通過(guò)后較長(zhǎng)一段時(shí)間后續(xù)沉降持續(xù)增大，后續(xù)沉降占總沉降的比重更大。地鐵下穿高速鐵路時(shí)，蔡小培等[13]研究結(jié)論為：沉降最大值發(fā)生在兩隧道中間，盾構(gòu)開(kāi)挖面位于線路中心線正下方時(shí)，軌道沉降變形速率、兩股鋼軌沉降差和鋼軌橫向位移最大。

本文分析廈門地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道施工對(duì)福廈鐵路路基的影響。

1 工程概況

廈門地鐵4號(hào)線為環(huán)灣快線，區(qū)間隧道下穿福廈鐵路的里程樁號(hào)為：右SDK3+000～右SDK3+155，與福廈鐵路的交角約為36°，線路整體呈東西走向，平面位于R=800 m的右拐曲線上，左右線分別采用6.603‰與6.62‰的上坡，區(qū)間隧道左、右線結(jié)構(gòu)頂距福廈鐵路路基的距離分別為23.52 m與23.48 m。區(qū)間隧道與福廈鐵路的相互位置關(guān)系如圖1所示。根據(jù)南昌鐵路局關(guān)于下穿鐵路項(xiàng)目的要求及類似工程案例，本區(qū)段采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑6.0 m，管片厚35 cm，環(huán)寬1.5 m，每環(huán)設(shè)置6塊管片(1塊封頂塊，2塊鄰接塊，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊)，錯(cuò)縫拼裝并采用彎螺栓連接，環(huán)縫處設(shè)置分布式凹凸榫，縱縫不設(shè)置凹凸榫。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

工程沿線覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、沖洪積硬塑狀粉質(zhì)黏土、中砂以及上更新統(tǒng)坡積、殘積粉質(zhì)黏土等；下伏基巖為上侏羅統(tǒng)南園組陸相凝灰熔巖以及燕山期侵入的花崗巖等。區(qū)間隧道下穿福廈鐵路段的地層屬于原始地貌屬殘丘臺(tái)地～山前洼地硬土區(qū)，地形較為平坦，地層從上至下主要為素填土、粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)縱剖面如圖2所示，區(qū)間隧道下穿鐵路段地層物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

2.2 水文地質(zhì)

按賦存介質(zhì)，場(chǎng)區(qū)地下水可分為三大類：賦存于第四系土層中的松散土類孔隙水，包括人工填土中上層滯水及孔隙潛水，賦存于殘積層及全、散體狀強(qiáng)風(fēng)化帶中的風(fēng)化殘積孔隙裂隙水、賦存于碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化～中、微風(fēng)化帶的基巖裂隙水及斷層構(gòu)造裂隙水。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水垂直下滲補(bǔ)給，水量有限?；鶐r裂隙水受其他類型地下水的入滲補(bǔ)給，其徑流嚴(yán)格受節(jié)理裂隙形態(tài)控制，無(wú)統(tǒng)一水面?；鶐r風(fēng)化殘積孔隙裂隙水除接受第四系土層中的松散土類孔隙水補(bǔ)給外，尚有基巖裂隙水的側(cè)向補(bǔ)給或托頂上滲補(bǔ)給，基巖裂隙水與上覆地層水利聯(lián)系密切。

圖2 區(qū)間隧道下穿福廈鐵路地質(zhì)縱剖面(單位：m)

巖土名稱密度/(g·cm-3)孔隙比(e)壓縮系數(shù)(a1-2)/MPa-1壓縮模量(Es1-2)/MPa變形模量(E0)/MPa快剪黏聚力(c)/kPa內(nèi)摩擦角(φ)/(°)綜合內(nèi)摩擦角(φc)/(°)素填土QS1.920.730.345.077.4320.1617.78—粉質(zhì)黏土4Qdl1.900.740.277.1714.5024.0125.84—?dú)埛e砂質(zhì)黏性土Qel1.870.840.325.8615.0026.430.41—全風(fēng)化花崗巖γsh11.910.750.267.1326.0028.4829.3235.00散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖γsh11.84———45.00——35.00碎裂狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖γsh12.52———90.00——40.00

3 風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別

福廈鐵路起于福州站，終于廈門站，以客運(yùn)為主、兼顧貨運(yùn)，鐵路等級(jí)為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度250 km/h。由于該段區(qū)間為Ⅴ級(jí)圍巖，且隧道洞身處于散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，遇水易軟化、崩解、強(qiáng)度急劇降低，而福廈鐵路要求地表累計(jì)沉降量不超過(guò)8 mm[14]，根據(jù)城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范[15]，風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別為Ⅰ級(jí)，屬于重大風(fēng)險(xiǎn)源，應(yīng)采取工程措施減少人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失及對(duì)環(huán)境與社會(huì)的影響。

4 工程措施

4.1 采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工

(1)合理設(shè)置土壓力：以盾構(gòu)切口處的圍巖有微小的隆起來(lái)控制土壓力值，嚴(yán)格控制與切口處的土壓力相關(guān)的施工參數(shù)，如出土量、總推力等。

(2)盾構(gòu)推進(jìn)速度控制：盾構(gòu)推進(jìn)速度宜控制在15～25 mm/min，每天掘進(jìn)量宜為4～6環(huán)，并根據(jù)地表沉降值調(diào)整推進(jìn)速度。

(3)出土量控制：每環(huán)管片的出土量與地面沉降息息相關(guān)，土體損失量應(yīng)控制在0.2%～0.3%，如控制不當(dāng)可能出現(xiàn)正面圍巖失穩(wěn)，所以必須在土壓平衡狀態(tài)下控制每環(huán)的出土量，應(yīng)為理論出土量的97%～98%。

(4)盾構(gòu)姿態(tài)控制：盾構(gòu)推進(jìn)的過(guò)程中嚴(yán)禁大量糾偏，左右千斤頂?shù)膲毫Σ畈灰颂螅乐埂吧咝瓮七M(jìn)”，應(yīng)控制隧道軸線與盾構(gòu)軸線的折角變化不超過(guò)0.4%。

(5)管片拼裝控制：準(zhǔn)確進(jìn)行管片的定位，拼裝的過(guò)程中防止盾構(gòu)后退，拼裝結(jié)束后應(yīng)立即恢復(fù)推進(jìn)以減少土體沉降。

4.2 控制同步注漿、二次注漿與補(bǔ)漿的質(zhì)量

(1)同步注漿可以盡快充填管片與圍巖的間隙，防止地面變形過(guò)大。注漿范圍應(yīng)為管片外側(cè)0.15 m，但應(yīng)保證一定的充盈系數(shù)，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，充盈系數(shù)宜控制在1.5～2.0，注漿速度宜控制在2.25～3.75 m3/h。

(2)二次注漿可以起到加強(qiáng)與止水的作用，應(yīng)在拼裝4環(huán)管片后及時(shí)進(jìn)行，注漿壓力以控制地面沉降與管片偏移值較小為宜。

(3)如果地表某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率大于0.8 mm/d，則立即對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地下隧道管片兩側(cè)各5環(huán)的管片進(jìn)行補(bǔ)漿處理，注漿壓力控制在0.25～0.30 MPa，24 h補(bǔ)漿1次，直到此幾環(huán)管片對(duì)應(yīng)的地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降速率小于1 mm/周。

4.3 對(duì)盾構(gòu)隧道下穿處鐵路進(jìn)行加固

如圖3所示，對(duì)福廈鐵路盾構(gòu)下穿段線路采用兩跨D24型鋼便梁進(jìn)行加固，兩端各設(shè)置12 m的扣軌加固段進(jìn)行過(guò)渡，以保證施工期間動(dòng)車荷載由灌注樁傳至更深的地層中，不影響地鐵區(qū)間的施工安全，且線路鋼軌架設(shè)于鋼便梁上，確保地鐵施工期間鐵路行車安全。

圖3 福廈鐵路地鐵盾構(gòu)下穿段線路加固示意(單位：m)

4.4 加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，做好信息化施工工作

必須做好盾構(gòu)施工期間的監(jiān)測(cè)工作。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)土壓力、推進(jìn)速度、注漿量等施工參數(shù)，并進(jìn)一步根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證效果，從而反復(fù)循環(huán)，以保證福廈鐵路行車安全。

對(duì)軌道沉降設(shè)定預(yù)警值作為施工安全判別標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目監(jiān)測(cè)按“分區(qū)、分級(jí)、分階段”的原則制定監(jiān)控量測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)，按黃色、橙色和紅色三級(jí)預(yù)警進(jìn)行反饋和控制。

(1)黃色預(yù)警：絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值的70%；或雙控指標(biāo)之一達(dá)到控制值的85%。

(2)橙色預(yù)警：絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值的85%；或雙控指標(biāo)之一達(dá)到控制值。

(3)紅色預(yù)警：絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均達(dá)到控制值。

5 數(shù)值模擬

5.1 有限元模型

通過(guò)建立包含鐵路路基、地層及隧道的三維模型，模擬分析盾構(gòu)隧道施工對(duì)福廈鐵路的影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及三維模擬過(guò)程中空間效應(yīng)，確定本次有限元數(shù)值模擬計(jì)算邊界為區(qū)間隧道中線兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)長(zhǎng)度，采用實(shí)體單元模擬圍巖，采用板單元模擬管片結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，有限元模型如圖4所示，有限元網(wǎng)格采用六面體為主的混合網(wǎng)格，除頂面為自由面外，其余5個(gè)面均設(shè)置法向約束。

施工階段的模擬與工程實(shí)際情況一致，先開(kāi)挖區(qū)間隧道左線再開(kāi)挖右線。

荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、圍巖自重、列車中-活載與施工期間地面超載20 kPa。為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，列車荷載均布在福廈鐵路路基表面，D24型鋼便梁未參與計(jì)算，僅作為安全儲(chǔ)備。

圖4 區(qū)間隧道下穿福廈鐵路有限元模型

5.2 計(jì)算參數(shù)

隧道周邊圍巖力學(xué)參數(shù)如表1所示。管片采用C50高強(qiáng)混凝土，力學(xué)參數(shù)如表2所示。隧道同步注漿采用1∶1水泥漿，二次注漿采用水泥-水玻璃的雙液漿，注漿加固后的圍巖力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表2 管片結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

表3 注漿加固后的圍巖力學(xué)參數(shù)

5.3 區(qū)間隧道開(kāi)挖對(duì)福廈鐵路的影響

(1)隧道開(kāi)挖周邊巖土體應(yīng)力重分布

隧道開(kāi)挖前，滿足地應(yīng)力平衡，應(yīng)力從地表往下逐漸增加，如圖5所示。隧道開(kāi)挖后，應(yīng)力發(fā)生了重分布，隧道周邊由于巖土體的變形而產(chǎn)生應(yīng)力釋放，如圖6所示，由于隧道埋深較大，應(yīng)力重分布范圍未擴(kuò)散至福廈鐵路路基，即對(duì)福廈鐵路的影響很小。

圖5 初始應(yīng)力場(chǎng)分布

圖6 區(qū)間隧道開(kāi)挖應(yīng)力重分布

(2)隧道開(kāi)挖周邊巖土體變形分析

隧道開(kāi)挖后，盾構(gòu)區(qū)間周邊圍巖發(fā)生了不同程度的位移，如圖7、圖8所示。但各個(gè)施工步驟，圍巖位移的絕對(duì)量值而言均較小，區(qū)間全部開(kāi)挖完畢后，周邊圍巖最大下沉量?jī)H2.4 mm。

圖7 左線開(kāi)挖周邊巖土體變形

圖8 右線開(kāi)挖周邊巖土體變形

(3)隧道開(kāi)挖福廈鐵路沉降分析

隧道開(kāi)挖后，福廈鐵路的變形如圖9、圖10所示，福廈鐵路在區(qū)間隧道下穿段存在1條沉降槽，沉降槽范圍以外變形很小，福廈鐵路最大下沉量為0.98 mm，位移很小，滿足行車的安全性與舒適度的要求。

圖9 左線開(kāi)挖福廈鐵路變形

圖10 右線開(kāi)挖福廈鐵路變形

圖11 地鐵隧道縱向地表沉降曲線

沿隧道縱向的地表沉降如圖11所示。由圖11可知，左、右線區(qū)間隧道施工后，地表沉降平均值分別為0.62、0.93 mm，即左線隧道施工已完成總沉降的2/3，右線隧道施工完成總沉降的1/3，且沿隧道縱向沉降大小相近。沿福廈鐵路縱向的地表沉降如圖12所示。

圖12 福廈鐵路縱向地表沉降曲線

由圖12可知，左線隧道施工后福廈鐵路在左線隧道正上方存在1條沉降槽，沉降曲線呈三次拋物線形，沉降最大值與沿隧道縱向方向的數(shù)值一致；右線隧道施工后福廈鐵路沉降槽的位置向右移動(dòng)，最低點(diǎn)在左右線隧道之間，沉降曲線呈二次拋物線，沉降最大值與沿隧道縱向方向的數(shù)值一致。

6 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

針對(duì)區(qū)間隧道下穿福廈鐵路路基Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源采取相應(yīng)的工程安全措施，通過(guò)有限元計(jì)算可知，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可降為Ⅲ級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估詳見(jiàn)表4。

表4 廈門地鐵4號(hào)線下穿福廈鐵路風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

7 結(jié)論與建議

根據(jù)廈門地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道與福廈鐵路路基的位置關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地層情況等資料建立的三維數(shù)值模型，主要結(jié)論如下。

(1)區(qū)間隧道下穿福廈鐵路路基采用盾構(gòu)法施工是可行的，本文依托工程所采用的工程安全措施是有效的。

(2)區(qū)間隧道開(kāi)挖引起周圍巖土體應(yīng)力重分布與變形，由于采取了盾構(gòu)法施工、土體改良及軌道加固等措施，應(yīng)力重分布與變形影響范圍較小。

(3)福廈鐵路在區(qū)間下穿段存在1條沉降槽，最大位移僅0.98 mm，不影響鐵路行車安全。

(4)左線隧道施工后福廈鐵路路基的沉降槽曲線呈三次拋物線，右線隧道施工后，沉降槽右移，且呈二次拋物線。

(5)采取措施后的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)可降為Ⅲ級(jí)，在本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)承受能力范圍內(nèi)。