三洞近接下穿鐵路路基影響分析與施工關(guān)鍵技術(shù)研究

李正濤 馬相峰 吳金霖 王立川 龔 倫 鄭余朝

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 河南洛陽 471000；2.西南交通大學(xué)，交通隧道工程教育部重點實驗室四川成都 610031；3.成都鐵路局 四川成都 610082)

1 引言

伴隨各大中型城市軌道交通的密集構(gòu)建，不可避免地與城市既有交通設(shè)施(如鐵路、公路和地下通道等)近接，給施工帶來困擾。如何科學(xué)預(yù)測和預(yù)判近接施工中擬建建(構(gòu))筑物對既有建筑物的影響，以確保既有建筑物正常使用和擬建建筑物的順利施工，對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用[1-2]。

隧道施工必然引起其周圍一定范圍內(nèi)巖土及其物理力學(xué)參數(shù)的劣化演變，多洞近接施工也不鮮見。國內(nèi)外不少學(xué)者就如何科學(xué)地預(yù)測近接施工對既有建筑物影響及正確的施工順序和工法進(jìn)行了研究。李友強[3]就超小凈距三洞并行地鐵區(qū)間隧道的施工技術(shù)進(jìn)行了研究；路亮[4]就超淺埋三孔小凈距隧洞下穿鐵路干線施工技術(shù)進(jìn)行了研究；趙建華[5]就三孔小凈距隧洞下穿既有鐵路施工開挖順序進(jìn)行了研究；馬文輝[6]就盾構(gòu)開挖的施工參數(shù)選取進(jìn)行了研究；鄭余朝[7]及何川[8]就盾構(gòu)開挖對上方既有建筑物所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，確定其開挖影響范圍主要集中于開挖前方3D及后方2D；張飛進(jìn)等[9-11]就盾構(gòu)隧道開挖引起的沉降機(jī)理進(jìn)行探究；李子國等[12]就地鐵的礦山法施工及其與盾構(gòu)法施工時的工序問題進(jìn)行研究，以確保既有建筑物安全和擬建隧道的順利進(jìn)行。

本文以成都地鐵1號線三期廣州路站-興隆湖站區(qū)間盾構(gòu)隧道及出入場線礦山法隧道下穿成花鐵路為依托工程，分析三洞近距下穿對既有鐵路路基的影響及控制技術(shù)。

2 工程概況

成都地鐵1號線三期廣州路站-興隆湖站區(qū)間及出入場線，位于天府新區(qū)天府大道東側(cè)，需下穿成花鐵路。地鐵與成花鐵路水平交角均為68°，區(qū)間左線長1 123.9 m，穿越長度15 m；右線長1 126.9 m，穿越長度13 m，左右線中心距31.56 m。盾構(gòu)隧道左線頂部至鐵路軌道頂豎向凈距21.9 m；盾構(gòu)隧道右線頂部至鐵路軌道頂豎向凈距20 m。最小平曲線半徑600 m，最大縱坡28‰。區(qū)間隧道穿越鐵路段采用特殊配筋的 B型加強管片，外徑6 000 mm、內(nèi)徑5 400 mm、厚度300 mm，管片幅寬1 500 mm。

地鐵出入場線隧道設(shè)置于兩盾構(gòu)隧道間，長141 m，馬蹄形斷面，復(fù)合式襯砌，由明挖段軌排井自北向南礦山法施工，穿越長度11.9 m，隧道頂至鐵路軌道頂豎向凈距14.3 m。廣興區(qū)間左右線及出入場線與成花鐵路相對位置如圖1。

圖1 相對位置關(guān)系(單位:m)

3 三洞施工順序優(yōu)化

3.1 計算模型及參數(shù)

3.1.1 模型

將三洞近接下穿鐵路路基簡化為平面應(yīng)變問題，用ANSYS軟件選取鐵路軌道正下方截面對隧道開挖造成地表沉降進(jìn)行分析。圍巖(地層)(鑒于埋深因素，以下以“地層”簡指“圍巖(地層)”)用Plan42單元、襯砌用Beam3單元模擬，通過控制單元的“生死”，來模擬隧道開挖及支護(hù)過程。整個模型高55 m、寬123 m，左右邊界約束水平位移，下邊界約束豎向位移，上邊界為自由邊界，如圖2所示。

圖2 計算模型

3.1.2 計算參數(shù)

地勘資料顯示，地層為粉質(zhì)泥巖、中風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖。地層及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計算工況及控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 工況

按左線、右線、出入場線三座隧道的不同開挖順序，共設(shè)置如表2的6種工況。

表2 _計算工況表

3.2.2 控制標(biāo)準(zhǔn)

鑒于隧道上方為營運鐵路路基，故以軌道的沉降差為控制標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》，由成花鐵路的線路等級及列車運行速度，選取軌道10 m弦測量高低偏差應(yīng)小于4 mm。

3.3 結(jié)果分析

通過分析隧道施工引起的地表位移值對比不同施工順序?qū)Φ乇沓两档挠绊?，并提取各隧道襯砌的應(yīng)力增量來對比不同工況時3座隧道施工的相互影響度。

3.3.1 地表沉降

據(jù)各工況計算結(jié)果，繪制6種工況的地表沉降槽及最大位移點時程曲線。沉降槽及時程曲線見圖3和圖4。

圖3 地表沉降槽曲線

圖4 地表沉降-時程曲線

對比各工況地表沉降時程曲線知，工況Ⅲ引起最大值為2.45 mm的地表沉降；工況Ⅴ引起最小值為1.89 mm的地表沉降。6種工況中均為出入場線隧道施工引起的地表沉降最大(1.6 mm左右)，盾構(gòu)開挖引起的地表沉降較小(0.4 mm)。因此出入場線隧道施工是本工程控制的重點。

3.3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

隧道結(jié)構(gòu)若受臨近工程施工影響，其應(yīng)力狀態(tài)必發(fā)生變化。襯砌和管片均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具抗壓能力強、抗拉能力弱的特點，本研究主要考察結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力。各工況下先施工隧道受后施工隧道影響產(chǎn)生的相對拉應(yīng)力增量統(tǒng)計如表3所示。

表3 各隧道應(yīng)力增量統(tǒng)計

由表3知，工況Ⅱ時，先行隧道的應(yīng)力增量最小(3.2%)，但二序隧道的應(yīng)力增量較大(3.5%)，兩座隧道應(yīng)力增量合計6.7%；工況Ⅴ時，先行隧道的應(yīng)力增量最小(3.4%)，略小于工況Ⅱ，但二序隧道的應(yīng)力增量也較小(2.5%)，兩座隧道應(yīng)力增量合計5.9%，為所有工況中最小。

工況Ⅴ引起先行隧道的相對拉應(yīng)力增量最小，說明按工況Ⅴ的施工順序，各隧道之間的相互影響最小，對地層的擾動最小，與地表沉降分析結(jié)果相符。

3.4 工序選定

由地表沉降和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析知，采用工況Ⅴ順序施工，既可降低對地層的擾動，有效地減小地表沉降、控制軌道變形，也可減小三座隧道間的相互影響，故選定工況Ⅴ即先行左線盾構(gòu)、二序右線盾構(gòu)、再行出入場線為最優(yōu)順序。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 新建隧道施工控制技術(shù)

4.1.1 盾構(gòu)隧道

區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，考慮運營鐵路對沉降的要求較為嚴(yán)格，下穿成花鐵路段施工時需在盾構(gòu)隧道施工過程中進(jìn)行控制。

(1)掘進(jìn)參數(shù)

基于盾構(gòu)機(jī)和地層均具良好的密封性能，主要掘進(jìn)參數(shù)按如下控制:土倉壓力1.4～1.5 MPa、總推力16 000～19 000 kN(以17 500 kN為宜，如圖5)，以減小對地層的擾動。

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)推力變化范圍

為減小地層損失，有效控制地表沉降，須嚴(yán)控出土量，即控制實際出土量與理論出土量之差小于±1%；同時提高管片的拼裝質(zhì)量，減避后續(xù)灌(注)漿時漏漿及影響施工質(zhì)量。

(2)同步和二次灌漿

盾尾處的管片與土體間的間隙使土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放。為有效減小地層損失，須對下穿鐵路路基段的同步注漿嚴(yán)控，控制要點為灌漿壓力和優(yōu)化漿液(水灰比、膠凝時間和結(jié)石率)，以盡快和盡可能大的飽滿度充填此間隙，減避過大的地層擾動。

在加強管片增設(shè)15個注漿孔，如圖6。通過二次灌(注)漿充填不密實區(qū)域，以減小甚至消除管片與土層空隙所帶來的地層損失，并加強盾尾的防水密封效果；需控制二次灌漿的時機(jī)，管片的露空距離不得大于2～3環(huán)管片，即通過及時的二次注漿彌補地層損失。

圖6 盾構(gòu)管片注漿孔布置圖

4.1.2 出入場線隧道

按“管超前、嚴(yán)注漿、少擾動、短進(jìn)尺、強支護(hù)、勤量測、早襯砌”的原則組織施工，關(guān)鍵技術(shù)要點如下:

(1)超前支護(hù):施作φ42 mm超前小導(dǎo)管灌漿預(yù)加固，以提高地層穩(wěn)定性，灌漿壓力按0.3～0.5 MPa控制，并持壓10～20 min，確保灌漿密實。

(2)開挖:下穿段采用非爆破破巖CD法，人工配合機(jī)械破巖，以減少地層擾動。

(3)初支及其背后灌漿:及時施作初支并對其背后及時灌漿，以非收縮漿材按完全、可簡單驗證、不可逆轉(zhuǎn)地灌滿而充填地層與初支間空隙，減少地層損失。

(4)襯砌及背后灌漿:先施作仰拱襯砌，再間隔拆除臨時支撐。當(dāng)仰拱襯砌強度達(dá)混凝土設(shè)計值強度70%后，再拆除相應(yīng)范圍的臨時支撐并澆筑拱墻襯砌。臨時支撐拆除及襯砌施作步驟如圖7、圖8所示。

圖7 臨時支撐下澆筑仰拱

圖8 拆除臨時支撐后施作拱墻襯砌

為充填初支與襯砌間脫空，在拱墻襯砌布置梅花形回填灌漿孔，見圖9。當(dāng)拱墻襯砌混凝土達(dá)設(shè)計強度70%后，再進(jìn)行回填灌漿(要求與初支背后灌漿相同)，灌漿壓力最大值按0.5 MPa控制。灌漿7 d后，用地質(zhì)雷達(dá)檢測回填灌漿效果，確保灌漿密實。

圖9 二次襯砌的回填灌漿孔布置

4.2 既有鐵路路基沉降實時監(jiān)測

4.2.1 靜力水準(zhǔn)全自動無線監(jiān)測系統(tǒng)

基于成花鐵路處于運營狀態(tài)，三洞下穿段均實施靜力水準(zhǔn)全自動無線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測。其系統(tǒng)(見圖10)是通過電容傳感器對每一測點容器內(nèi)液體的相對變化進(jìn)行測量，并通過計算得到各測點與基點的相對沉降值，其計算見公式(1)。

圖10 靜力水準(zhǔn)工作原理圖

其中ΔHj表示測點j與基準(zhǔn)點1間的相對沉陷值；Hj0為測點在施工前的液面高度；Hj為測點在施工后的液面高度；H10為基準(zhǔn)點在施工前的液面高度；H1為基準(zhǔn)點在施工后的液面高度。

4.2.2 監(jiān)測方案

因軌道沉降必然小于路基沉降，方便起見，以路基沉降代替軌道沉降。

盾構(gòu)隧道下穿段，于左、右隧道中線處均布置1個測點，再在中線兩側(cè)3 m處各布置1個測點，每個橫斷面共6個測點；出入場線隧道下穿段(含影響區(qū))，于隧道中線處布置1個測點，再在中線兩側(cè)每2 m各布置3個測點，每個橫斷面共計7個測點。靜力水準(zhǔn)的基準(zhǔn)點布設(shè)于影響范圍外。

4.2.3 監(jiān)測結(jié)果

據(jù)工序優(yōu)化結(jié)果，施工過程按盾構(gòu)隧道和出入場線隧道兩階段實施，監(jiān)測階段與之對應(yīng)。

(1)盾構(gòu)隧道

左右隧道下穿施工期間，左線盾構(gòu)正上方的位移沉降監(jiān)測結(jié)果見圖11，右線盾構(gòu)正上方的位移沉降監(jiān)測結(jié)果見圖12。

圖11 左線盾構(gòu)正上方測點沉降時程曲線

圖12 右線盾構(gòu)正上方測點沉降時程曲線

左線盾構(gòu)進(jìn)入下穿段前路基發(fā)生小量值沉降(0.1 mm)，進(jìn)入下穿段后沉降略有增加(0.4 mm)，且沉降量值隨掘進(jìn)有小幅波動(0.3～0.4 mm)，隨后漸趨穩(wěn)定，穩(wěn)定后沉降值為0.35 mm；右線盾構(gòu)進(jìn)入下穿段前路基隆起0.48 mm，簡析原因為土倉壓力較大，進(jìn)入下穿段后產(chǎn)生較大沉降(0.45 mm)，在同步灌漿和二次灌漿措施輔助后，沉降漸趨穩(wěn)定，穩(wěn)定后沉降值為0.42 mm，與數(shù)值計算結(jié)果0.4 mm基本一致。

監(jiān)測結(jié)果表明，道床最大沉降為0.42 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm，未對行車造成可度量顯性影響。說明盾構(gòu)下穿鐵路工法和措施滿足安全需求，灌漿效果好，確保了工程的順利實施。

(2)出入場線隧道

隧道下穿施工期間，出入場線正上方路基沉降時程曲線見圖13。

圖13 出入場線監(jiān)測點沉降時程曲線

施工進(jìn)入下穿段前路基有較小沉降(0.75 mm)，下穿施工完畢路基沉降最大(1.5 mm)，與數(shù)值計算結(jié)果1.6 mm基本吻合。

監(jiān)測結(jié)果表明，道床最大沉降為1.5 mm，小于控制標(biāo)準(zhǔn)4 mm，未對行車造成可度量顯性影響。說明整個施工過程可控，開挖方法適當(dāng)，支護(hù)及二襯后注漿有效地減小了地層損失。

5 結(jié)束語

通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測方法，分析總結(jié)了三洞近接下穿鐵路路基關(guān)鍵施工技術(shù)，得出如下結(jié)論:

(1)經(jīng)比選確立的“先行左線盾構(gòu)、二序右線盾構(gòu)、再行出入場線”的施工順序有效減小了地表沉降，并降低了隧道之間的相互影響。

(2)按研究確立的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)并配以恰當(dāng)?shù)耐焦酀{，控制灌漿壓力、改進(jìn)漿液和及時的二次灌漿，可有效減小和彌補地層損失。

(3)出入場線礦山法隧道施作超前導(dǎo)管灌漿預(yù)加固后，再采用人工配合機(jī)械的非爆破巖CD工法，及時和密實的初支、襯砌背后灌漿，可顯著減避地層擾動，完全滿足鐵路軌道位移的控制標(biāo)準(zhǔn)。

(4)對下穿運營鐵路路基段采用靜力水準(zhǔn)自動采集系統(tǒng)實時監(jiān)測路基沉降和軌道的幾何尺寸狀態(tài)，為本工程的順利實施和鐵路運營安全提供了保障。