卵石流塑地層盾構(gòu)下穿鐵路框架橋加固技術(shù)與變形控制研究

朱連臣,王渭明,王有旗,張洪昌,蔡文輝,鄭東平

(1.中鐵二十五局集團有限公司,廣州 510600； 2.中鐵二十五局集團第五工程有限公司,山東青島 266000； 3.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,山東青島 250101)

1 概述

隨著我國城市規(guī)?？焖偻卣购腿藗兂鲂行枨笕找嫣岣?，城市軌道交通以其特有的高速快捷、運載量大、安全舒適和低碳環(huán)保等優(yōu)勢成為交通系統(tǒng)的主導(dǎo)。截至2016年底，全國共有約50個城市軌道交通建設(shè)獲國務(wù)院批復(fù)，“十三五”期間我國城市軌道交通建成投運線路將超過4 000 km[1]。城市軌道交通的縱橫延伸發(fā)展，致使盾構(gòu)隧道的線路敷設(shè)及環(huán)境條件越發(fā)苛刻，將不可避免地穿越鐵路及卵石流塑等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。

目前關(guān)于盾構(gòu)下穿鐵路變形規(guī)律及施工控制等方面已經(jīng)取得了較為豐碩的成果。楊兵明[2]、宋憲賀[3]通過工程實例，采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)相似模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等多種研究手段，對盾構(gòu)隧道施工引起的地表變形、控制標準及施工對策進行了全面研究；許朋成、何平[4]采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比的方法，并結(jié)合北京地鐵10號線二期工程下穿京滬高鐵、京津城際、京九鐵路的工程案例，研究了盾構(gòu)下穿對地層、軌道變形規(guī)律以及列車的動力響應(yīng)影響；王國富等[5]、張迪等[6]通過數(shù)值模擬分析了盾構(gòu)隧道下穿鐵路變形及力學(xué)狀態(tài)，并提出了相應(yīng)的加固措施[7-9]；李陽[10]選取了3個安全性指標和7個安全影響因素對盾構(gòu)下穿高速鐵路安全評價體系進行了研究，并開發(fā)出了“盾構(gòu)下穿高速鐵路安全評價系統(tǒng)”軟件用于實際工程的安全評價。

上述研究成果通過理論分析、數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，對單一地層或力學(xué)性質(zhì)相近地層盾構(gòu)下穿鐵路及其構(gòu)筑物的地表變形規(guī)律與安全控制標準進行深入研究，但對卵石流塑等多相地層盾構(gòu)開挖的研究及其控制技術(shù)相對匱乏，往往根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗進行規(guī)律分析與變形控制。本文針對該領(lǐng)域的不足，以長沙軌道交通3號線烈士公園東路站—絲茅沖站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路框架橋為背景，采用“袖閥管注漿技術(shù)”主動改善圍巖應(yīng)力場狀態(tài)，并通過“深層二次注漿”補償?shù)貙訐p失，使其施工所引起的力學(xué)行為朝著有利方向發(fā)展，減少卵石流塑地層盾構(gòu)施工對地表變形及鐵路框架橋所產(chǎn)生的二次損害。

2 盾構(gòu)下穿加固技術(shù)分析

2.1 工程概況

長沙軌道交通3號線烈士公園東路—絲茅沖站區(qū)間主要沿車站北路由南向北敷設(shè)，區(qū)間單線長度約1.5 km，在出營盤東路站約0.9 km后，于三角塘地區(qū)下穿京廣鐵路框架橋，框架橋主洞身長30 m，框架橋中心線與京廣鐵路中心線斜交42.59°，區(qū)間盾構(gòu)隧道與京廣鐵路平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 區(qū)間盾構(gòu)隧道與京廣鐵路平面位置關(guān)系

區(qū)間左右線均采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑為6.0 m，隧道內(nèi)徑5.4 m，盾構(gòu)管片型式為平板型。管片外徑6 m，內(nèi)徑5.6 m，管片厚度0.3 m，環(huán)寬1.5 m。左右線間距約12.5 m，區(qū)間下穿京廣鐵路段長度約31.5 m，隧道頂距京廣鐵路框架橋底部約14.6 m。

框架橋頂面至京廣鐵路軌頂最大距離為1.53 m，孔徑為1-8.0 m+2-8.0 m+1-8.0 m，中間2-8.0 m為機動車道，凈高5.80 m，兩側(cè)1-8.0 m為人行道及非機動車道，凈高7.3 m?？蚣軜蚬卜?個箱涵，兩側(cè)非機動車道各1個箱涵，中間2個機動車道和1個箱涵，每個箱涵又分3塊，共9塊，塊與塊之間無任何連接。圖2為盾構(gòu)區(qū)間與京廣鐵路框架橋相對位置關(guān)系。

圖2 盾構(gòu)區(qū)間與京廣鐵路框架橋相對位置關(guān)系

2.2 施工主要風(fēng)險點分析

長沙軌道交通3號線烈士公園東路站—絲茅沖站區(qū)間盾構(gòu)下穿京廣鐵路框架橋施工中，需保證公路與鐵路的正常運營，但此區(qū)間現(xiàn)場施工環(huán)境復(fù)雜，地層沉降控制極其困難，主要風(fēng)險點如下。

(1)施工現(xiàn)場管線復(fù)雜

框架橋上方設(shè)置有1對接觸網(wǎng)立柱，立柱采用鋼結(jié)構(gòu)形式，其基礎(chǔ)與框架橋結(jié)構(gòu)為一個整體?？蚣軜蛭髂戏较蛞来畏植茧娦?、電力、路燈、弱電、鑄鐵的給水管等管線，東北方向依次為弱電、鋼管的天然氣、路燈、電信、鐵通等管線，北側(cè)布設(shè)有雨水管道，因此，該處線網(wǎng)密集，線路條件較為復(fù)雜，盾構(gòu)施工過程不可避免地引起土體應(yīng)力釋放，導(dǎo)致土體變形，直接威脅各類管線安全。

(2)區(qū)間隧道上方存在卵石

盾構(gòu)下穿京廣鐵路框架橋段，隧道拱頂以上地層主要為卵石、細砂以及填土層，上覆土層約14.6 m，砂卵石層厚約3.0 m，卵石地層顆粒之間孔隙較大，黏聚力較小，力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，且在無水狀態(tài)下，顆粒之間點對點傳力，地層反應(yīng)靈敏。盾構(gòu)掘進過程中，由于地層松動破壞了拱頂上方原本相對穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起圍巖發(fā)生較大擾動。

(3)框架橋變形過大

盾構(gòu)下穿框架橋施工過程中，地應(yīng)力場的擾動導(dǎo)致框架橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，由于組成框架橋的9節(jié)箱涵之間無任何連接，各箱涵沉降值存在明顯差異，使框架橋產(chǎn)生較大變形，影響正常運營。

2.3 加固技術(shù)研究

盾構(gòu)隧道開挖勢必會造成周圍土體的擾動，間接影響既有鐵路框架橋變形，結(jié)合上述風(fēng)險點，為避免開挖過程附加變形及二次支護，采取以下控制措施：(1)袖閥管注漿地層加固處理；(2)注漿孔打設(shè)注漿管深層二次注漿。

(1)袖閥管注漿地層加固處理

采用袖閥管注漿地層加固處理分以下兩種方式布設(shè)：

①在框架橋底板上打設(shè)豎向孔注漿，注漿管采用φ48 mm鋼管，間距2.0 m×2.0 m，梅花形布置，豎向注漿孔后期兼做加固體檢測孔及跟蹤注漿孔。

②框架橋外側(cè)打設(shè)斜向注漿孔，注漿管采用φ76 mm鋼管，間距1.0 m×1.0 m，梅花形布置；袖閥管注漿施工參數(shù)如下。

a.袖閥管采用φ76(φ48)×3.5 mm鋼管。

b.注漿加固前，應(yīng)在類似地層進行現(xiàn)場注漿試驗，確定合理的注漿參數(shù)，檢驗施工方法和設(shè)備，確保地層注漿加固的施工質(zhì)量。

c.注漿材料采用42.5普通硅酸鹽水泥漿，水灰比為(0.6∶1)～(1∶1)，注漿壓力為0.4～2.0 MPa，注漿壓力逐步提升。加固體底部0.7 m范圍內(nèi)以及最外圍一排袖閥管采用42.5普通硅酸鹽水泥和35Be′水玻璃的雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃模數(shù)為2.5～3.3，水泥-水玻璃雙液漿體積比MC∶S=0.8～1∶1。

d.斜向注漿孔注漿擴散半徑設(shè)計為1.0 m，豎向注漿孔注漿擴散半徑不小于0.5 m，注漿范圍橫向加固至框架橋結(jié)構(gòu)外側(cè)8.8 m，盾構(gòu)隧道上方加固區(qū)長44.77 m，厚9 m，如圖3所示。

圖3 袖閥管注漿地層加固處理縱斷面(單位：m)

(2)注漿孔打設(shè)注漿管深層二次注漿

為嚴格控制地層后期沉降，確保鐵路運營安全，在盾構(gòu)穿越段(距離框架橋前后20 m)通過向注漿孔中打設(shè)一定長度的注漿管進行深層二次補充壓漿，以減小盾構(gòu)施工引起的拱頂松動，注漿范圍為隧道拱頂150°范圍，漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥和35Be′水玻璃的雙液漿，水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，注漿壓力0.3～0.8 MPa，如圖4所示。

圖4 注漿管深層二次注漿示意

3 盾構(gòu)施工數(shù)值模擬

3.1 建立數(shù)值模型

通過Midas-GTS有限元軟件，對卵石流塑軟硬地層盾構(gòu)下穿鐵路框架橋建立三維精細化模型，尺寸為100 m×80 m×40 m(X×Y×Z)，上邊界自由，四周受水平約束，底面為豎向約束。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb準則，框架橋、管片襯砌采用實體彈性模型，盾殼及盾尾注漿采用shell單元。計算模型如圖5所示，地層物理力學(xué)參數(shù)及加固層參數(shù)如表1所示。

圖5 數(shù)值計算模型

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 盾構(gòu)掘進參數(shù)說明

(1)施工荷載取值

①地面超載為10 kPa。

②盾構(gòu)掘進模擬中，開挖面支護壓力取靜止土壓力，為120 kPa，保證開挖面壓力平衡[11]。

③根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB 10003—2016)[12]相關(guān)規(guī)定，列車荷載為21.62 kPa，軌道自重18 kPa，汽車荷載10 kPa。

(2)盾構(gòu)掘進過程模擬

①在隧道開挖面施加支護壓力模擬盾構(gòu)推力。

②每次開挖進尺為管片寬度1.5 m，包括管片部分和內(nèi)部土體。

③開挖該環(huán)土體后，在管片外圍施做殼體shell單元，賦以盾殼力學(xué)參數(shù)，用于模擬盾殼對圍巖的支撐作用。

④隧道開挖5環(huán)后，開始施做盾構(gòu)管片，并將shell單元賦以注漿體1的參數(shù)，用于模擬盾尾注漿的凝固過程，再開挖5環(huán)后，將shell單元賦以注漿體2的參數(shù)，用于模擬盾尾注漿完全硬化，盾構(gòu)管片、注漿體等力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

⑤依次進行，直至盾構(gòu)開挖完成。

4 加固控制效果分析

在盾構(gòu)推進過程中，由于推進應(yīng)力擾動、圍巖應(yīng)力釋放以及地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)迥異等因素的影響[13]，在開挖區(qū)間地層加固前后地表沉降、框架橋結(jié)構(gòu)變形、既有軌道穩(wěn)定性情況如下所述。

4.1 地表沉降分析

(1)圍巖變形分析

圖6為盾構(gòu)隧道橫斷面圍巖豎向位移云圖，可以看出：①受框架橋上部荷載作用，框架橋與地表接觸位置圍巖變形明顯增大，橫向變形影響范圍約為1.5倍的框架橋?qū)挾?；②盾?gòu)隧道施工影響線范圍與水平向夾角約為45°，且框架橋位于影響范圍之內(nèi)，隧道開挖對圍巖產(chǎn)生二次擾動，引起圍巖應(yīng)力再次重分布，影響框架橋的穩(wěn)定性；③左線盾構(gòu)隧道開挖對圍巖變形影響較大，變形最大值達37.54 mm，因此在盾構(gòu)隧道開挖前對地層進行加固十分必要。

圖6 橫斷面豎向位移云圖

(2)橫斷面地表沉降分析

圖7為對地層加固前后橫斷面地表沉降曲線，可以看出：①橫斷面地表沉降呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合Peck沉降曲線[14]，峰值沉降出現(xiàn)在隧道軸線處，左、右兩側(cè)逐漸減小呈對稱分布；②當(dāng)左線隧道開挖后，不采取地層加固時，地表最大沉降達30.82 mm，采取地層加固措施，沉降量控制在19.21 mm，當(dāng)雙線貫通后，由于右線隧道開挖的疊加效應(yīng)，致使地表沉降量有所增加，最大沉降值為35.13 mm，超出規(guī)范允許值30 mm，加固后沉降值控制在20.38 mm；③盾構(gòu)隧道開挖掘進過程中，框架橋荷載作用致使地表沉降值出現(xiàn)突變，采取地層加固可有效減小框架橋處地表沉降值，相對未加固工況減少約42.0%。

圖7 橫斷面地表沉降曲線(單位：mm)

4.2 框架橋結(jié)構(gòu)變形

圖8為框架橋結(jié)構(gòu)變形位移云圖，由于組成框架橋的9節(jié)箱涵之間無任何連接，故對其進行編號，其沉降量如表3所示，由表3可以看出：盾構(gòu)施工對地應(yīng)力場的擾動導(dǎo)致框架橋結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，箱涵之間存在明顯的差異沉降，盾構(gòu)隧道下穿框架橋過程中，總體呈現(xiàn)沉降趨勢，且最大沉降量均在先行施工隧道上部，沿隧道掘進方向，框架橋相對差異沉降較小。未加固時，橋涵的最大沉降發(fā)生在1號塊，沉降值為7.18 mm，沿鐵路方向的最大差異沉降量為3.88 mm；加固后，橋涵的最大沉降發(fā)生在7號塊，沿鐵路方向的最大差異沉降量為2.03 mm，符合規(guī)范值5 mm[15]。

圖8 框架橋結(jié)構(gòu)位移云圖

表3 各框架橋結(jié)構(gòu)最大沉降mm

4.3 既有軌道穩(wěn)定性分析

框架橋的變形勢必會影響既有軌道的穩(wěn)定性，嚴重時可能造成既有線路的破壞，影響列車運營安全，且長沙軌道交通3號線烈士公園東路站—絲茅沖站區(qū)間盾構(gòu)下穿京廣鐵路框架橋箱涵之間無任何連接，各箱涵沉降值存在差異，增加了框架橋的變形，從而引起鐵路路基不均勻沉降，進而導(dǎo)致既有鐵路線路發(fā)生變形。為了分析既有軌道的穩(wěn)定性，分別在框架橋上方沿3股軌道方向每隔2 m設(shè)置1個監(jiān)測點，通過有限元分析，得到既有軌道最終變形量監(jiān)測結(jié)果，如圖9所示，由圖9可知：①沿隧道掘進方向，軌道沉降值增大，相鄰軌道差值為0.3～0.5 mm，加固后沉降差值控制在3～4 mm，符合規(guī)范規(guī)定值6 mm；②位于先行施工隧道上方軌道沉降量較大，最大沉降量達6.03 mm，地層加固后框架橋沉降減小，軌道沉降得到控制；③由于組成框架橋的9節(jié)箱涵之間無任何連接，箱涵之間存在明顯的差異沉降，不采取地層加固時，最大差異沉降為2.89 mm；地層加固后，最大差異沉降為1.50 mm。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，地層加固能夠有效控制框架橋的差異沉降，相對于未加固工況，差異沉降減小約48.1%。

圖9 既有軌道沉降曲線(單位：mm)

5 結(jié)論

以長沙軌道交通3號線烈士公園東路站—絲茅沖站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿京廣鐵路框架橋為背景，研究了在卵石流塑地層加固前后盾構(gòu)開挖對地表及框架橋的影響，并分析了軌道穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論。

(1)通過分析盾構(gòu)下穿區(qū)間風(fēng)險點，提出了袖閥管注漿地層加固和注漿孔打設(shè)注漿管深層二次注漿技術(shù)，并通過數(shù)值模擬探討了加固前后圍巖變形、地表沉降、框架橋及軌道穩(wěn)定性。

(2)未采取地層加固措施時，圍巖變形較大，橫斷面地表沉降呈現(xiàn)正態(tài)分布，峰值沉降出現(xiàn)在隧道軸線處，最大值為35.1 mm，超過規(guī)范標準值；先行隧道對框架橋影響較大，且框架橋的9節(jié)箱涵之間無任何連接，增大了框架橋的變形，最大變形為1號橋涵，變形值達到7.18 mm，鐵路路基出現(xiàn)不均勻沉降；采取地層加固措施后，地表沉降得到有效控制，減小到20.38 mm，先行隧道對框架橋影響減小，地層加固能夠有效控制框架橋的差異沉降，相對于未加固工況，差異沉降減小約48.1%。

(3)本工程表明，盾構(gòu)穿越卵石流塑地層時，為保證順利穿越，應(yīng)對地層進行固結(jié)處理，主動改善圍巖應(yīng)力場狀態(tài)，促使其施工所引起的力學(xué)行為向有利方向發(fā)展，避免擬建工程對既有結(jié)構(gòu)的二次損害，達到控制變形的目的。