地鐵盾構(gòu)下穿多股道鐵路路基變形控制優(yōu)化研究

馬相峰,龔 倫,吳金霖,王立川,孔 超

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司,成都 610082； 3.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,四川綿陽 621010)

引言

近年來,隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,大中型城市交通壓力逐漸增大,在現(xiàn)有地面交通無法解決擁堵問題的背景下,地下空間的開發(fā)利用成為必然趨勢[1-3]。截止2018年底,我國開通運(yùn)營快速軌道交通線路的城市有37個(gè),運(yùn)營總里程達(dá)5 539.19 km。近幾年城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展,在其不斷發(fā)展和完善的過程中,不可避免地出現(xiàn)地鐵隧道與既有構(gòu)(建)筑物近接的情況,隧洞開挖對地層的擾動(dòng)改變既有圍巖的應(yīng)力狀態(tài),會(huì)引起地層損失和地表沉降,進(jìn)而造成既有構(gòu)(建)筑物的變形[4-8]。相對而言,近接施工往往存在更大風(fēng)險(xiǎn),尤其是地下隧道穿越既有運(yùn)營鐵路線路時(shí),由于鐵路不間斷運(yùn)營的特殊性,稍有不慎可能引發(fā)重大安全事故。

眾多學(xué)者和技術(shù)人員對該類問題開展了大量研究[9-17]。李林等[18]以上海軌道交通9號(hào)線盾構(gòu)下穿既有鐵路現(xiàn)場測試為手段,對盾構(gòu)下穿鐵路干線造成周圍環(huán)境的影響及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進(jìn)行了分析,提出了合理盾構(gòu)施工參數(shù)和技術(shù)措施；任建喜等[19]對黃土地區(qū)某城市盾構(gòu)下穿隴海鐵路路基變形規(guī)律進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算,制定了減小施工風(fēng)險(xiǎn)的地層加固及盾構(gòu)施工措施；季大雪[20]通過Peck法和有限元法計(jì)算分析了武漢長江隧道盾構(gòu)下穿武九鐵路沉降影響,提出了現(xiàn)場保護(hù)措施和監(jiān)測方案；蔡小培等[21]就盾構(gòu)下穿施工對高速鐵路路基軌道的影響建立了耦合動(dòng)力學(xué)模型,為地鐵下穿施工提供了科學(xué)參考；王國慶等[22]采用數(shù)值模擬的方法就盾構(gòu)隧道近距離穿越既有鐵路時(shí)旋噴樁加固對地表變形的作用進(jìn)行了分析。

前人的研究成果對此類近接施工起到了很好的指導(dǎo)作用,但是可以發(fā)現(xiàn),此類問題的研究案例中,大多數(shù)只是對盾構(gòu)本身施工參數(shù)等做評估,抑或針對特定方案進(jìn)行研究,較少體現(xiàn)方案的對比性和選擇性。以成都地鐵8號(hào)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路為背景,通過FLAC3D數(shù)值模擬,分析了地鐵盾構(gòu)施工參數(shù)引起的地表沉降規(guī)律,同時(shí)對盾構(gòu)下穿4股運(yùn)營鐵路股道時(shí)D型梁加固和管棚注漿加固2種股道加固方法的加固效果、施工的可行性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比,可為類似盾構(gòu)下穿鐵路等近接工程的施工和股道加固提供借鑒及參考。

1 工程概況

成都地鐵8號(hào)線殷家林站—高朋大道站位于成都市武侯區(qū)科園大道路與南三環(huán)路五段之間,新建地鐵隧道采用泥水加壓式盾構(gòu)機(jī)施工,隧道在里程Y(Z)K30+140～Y(Z)K30+161(左線675～694環(huán)穿越,右線657～675環(huán)穿越)范圍下穿西環(huán)線4股鐵路股道,其中站1線、站2線為正線,站3線為成昆西環(huán)聯(lián)絡(luò)線，站4線為貨運(yùn)停車線,線路交角87°左右,穿越段隧道頂部距離地面為21.9～22.2 m,洞身穿越地層為成都平原典型卵石地層,易產(chǎn)生較大地表沉降,且施工過程鐵路正常運(yùn)營,是地鐵8號(hào)線特別重大危險(xiǎn)源之一,因此需要嚴(yán)格控制軌道變形，以確保運(yùn)營安全。地鐵與既有鐵路的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵與既有鐵路相對位置關(guān)系示意(單位： m)

計(jì)算采用顯式有限差分元軟件FLAC3D,模型橫向長120 m,縱向長50 m,隧道洞底以下50 m,除頂面以外各邊界施加垂直該面方向的約束,頂面為自由面；初始應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力場的影響,模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型

2 盾構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

盾構(gòu)法施工引起地表沉降主要的可控掘進(jìn)參數(shù)有密封艙內(nèi)壓力、盾構(gòu)注漿效果、出渣量等,計(jì)算中通過模擬盾構(gòu)向前推進(jìn)時(shí)土艙平衡壓力引起的盾構(gòu)上方的地表變形值,引入不同地層損失率來模擬盾構(gòu)注漿效果和出渣量引起的地表變形值。

(1)密封艙壓力：計(jì)算時(shí)掌子面開挖后在掌子面施加不同的密封艙壓力,之后直接施加盾構(gòu)管片,不模擬背后注漿等其他盾構(gòu)施工過程。

(2)地層損失率：引起地層損失的因素主要有出渣量和盾構(gòu)注漿效果(同步注漿和后續(xù)補(bǔ)充注漿),計(jì)算中通過改變拱頂處圍巖變形來模擬地層損失率。

2.1 計(jì)算模型及參數(shù)

盾構(gòu)管片為30 cm厚的C50鋼筋混凝土,按彈性勻質(zhì)圓環(huán)考慮,用小于1的剛度折減系數(shù)η(計(jì)算取0.7)來體現(xiàn)環(huán)向接頭的影響。模型中用殼單元模擬管片,地層視為理想彈塑性材料,服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。擬采用φ108 mm鋼花管對鐵路下方土體進(jìn)行注漿加固(注漿加固范圍見圖1(b)),水泥漿液配合比0.4∶1～1∶1,注漿壓力為0.2～0.4 MPa,注漿層按彈性材料考慮,地層和注漿層均采用實(shí)體單元模擬。地層及盾構(gòu)管片物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層及盾構(gòu)管片物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 密封艙內(nèi)壓力

隧道埋深為22 m,側(cè)壓力系數(shù)取0.30,可以計(jì)算出密封艙平衡的土壓力約0.15 MPa。在計(jì)算中,分別計(jì)算密封艙內(nèi)壓力為0.00,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25 MPa共6種工況,不同密封艙內(nèi)壓力時(shí)的地表縱向沉降曲線如圖3所示,結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2。

圖3 不同密封艙內(nèi)壓力時(shí)地表沉降曲線

表2 地表縱向沉降結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從圖3、表2可以看出：工作面前方地表沉降在20 m以外趨于穩(wěn)定,工作面后方地表沉降在15 m以外趨于穩(wěn)定；當(dāng)密封艙內(nèi)壓力為0 MPa時(shí),地表最大沉降為7.95 mm,工作面正上方地表沉降為2.92 mm,隨著密封艙內(nèi)壓力的增大,地表沉降逐漸減小,當(dāng)密封艙內(nèi)壓力大于0.15 MPa時(shí),工作面前方地表則有從沉降向隆起變化的趨勢,當(dāng)密封艙內(nèi)壓力為0.25 MPa時(shí),地表最大沉降為2.65 mm,地表隆起為0.19 mm；密封艙內(nèi)壓力超平衡時(shí),地表隆起增大,欠平衡時(shí),地表沉降增大,當(dāng)密封艙內(nèi)壓力稍微高于平衡土壓時(shí)(0.20～0.25 MPa),地表的隆起和沉降值均很小。針對不同工程實(shí)際,應(yīng)對比選擇最佳密封艙內(nèi)壓力，以保證地表整體沉降最小。

2.2.2 地層損失率

分別計(jì)算拱頂處圍巖變形為1，5,8,10 cm時(shí)4種工況下(對應(yīng)地層損失率為0.5%,3.0%,5.0%,8.0%)的地表沉降情況(根據(jù)2.2.1節(jié),密封艙內(nèi)壓力取0.25 MPa),不同地層損失率時(shí)的橫向沉降槽如圖4所示。

圖4 不同地層損失率時(shí)地表沉降曲線

由圖4可以看出,所有沉降槽均呈正態(tài)分布,地層損失率越低,地表沉降越小,橫向沉降槽范圍也越小。0.5%,3.0%,5.0%,8.0%地層損失率下,地表沉降分別為-9.67,-55.80,-77.35,-102.68 mm,正常情況下,0.5%地層損失率已經(jīng)屬于較好控制效果,但是即使地層損失率為0.5% 時(shí),地表沉降也達(dá)到9.67 mm,考慮施工過程的不可控因素,極可能引起股道變形超出控制指標(biāo)(依據(jù)鐵運(yùn)[2006]146號(hào)《鐵路線路修理規(guī)則》,股道沉降標(biāo)準(zhǔn)4 mm)。因此，在盾構(gòu)開挖前地層注漿加固和控制盾構(gòu)施工參數(shù)的同時(shí),必須設(shè)置其他的股道加固措施保證施工安全,且加固范圍應(yīng)大于0.5%地層損失率下沉降槽的寬度(40 m)。

根據(jù)以上分析可知,欲使盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)股道滿足運(yùn)營安全,盾構(gòu)密封艙內(nèi)壓力的最佳控制值為0.2～0.25 MPa,此時(shí)開挖面后方地表沉降和前方隆起均很??；在通過地層注漿加固和嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工參數(shù)的同時(shí),必須額外增設(shè)其他股道加固措施,否則地表沉降會(huì)超出控制標(biāo)準(zhǔn)。此外,實(shí)際工程中對出渣量的控制很明確,盡量使實(shí)際出渣量等于理論出渣量,一般根據(jù)渣土重力及方量對比分析,判斷是否超方以及時(shí)調(diào)整出渣量。

3 加固方案優(yōu)化

為解決盾構(gòu)施工中地表沉降過大引起股道較大沉降,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和施工經(jīng)驗(yàn),在地層注漿加固措施不能保證股道變形時(shí),提出兩種加固措施。

(1)D型梁加固：下穿隧道穿越既有鐵路沉降槽范圍內(nèi),采用D型便梁整體架空線路,在D型梁下方采用人工挖孔樁作支墩,考慮到站3線(成昆西環(huán)聯(lián)絡(luò)線)和站4線(貨運(yùn)停車線)線路控制標(biāo)準(zhǔn)較低,因此只對站1線和站2線施作D型梁。

(2)管棚注漿加固：下穿隧道穿越既有鐵路沉降槽范圍內(nèi),采用管棚注漿整體架空線路,在管棚兩端設(shè)置地梁作支撐。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

D型梁加固和管棚注漿加固模型尺寸相同,橫向長120 m,沿隧道縱向長100 m,隧道洞底以下80 m。D型梁長約50 m,樁基及D型梁均采用實(shí)體單元模擬,模型如圖5所示。管棚采用φ159 mm鋼管,長約50 m,間隔50 cm,基坑支護(hù)采用15 cm厚的鋼板樁,管棚及注漿加固均采用實(shí)體單元模擬,模型如圖6所示。

圖5 D型梁加固模型

圖6 管棚注漿加固模型

根據(jù)2.2節(jié)計(jì)算結(jié)果,密封艙內(nèi)壓力取0.2 MPa,地層損失率取0.5%。相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表3。

3.2 施工工序

D型梁加固和管棚注漿加固施工工序見表4。

表3 相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

表4 施工工序

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

主要計(jì)算過程股道的位移云圖見圖7、圖8。

圖7 D型梁加固位移云圖

圖8 管棚注漿加固位移云圖

2種加固方案下,盾構(gòu)隧道施工完成后,各股道豎向位移曲線如圖9、圖10所示。

圖9 D型梁加固方案股道豎向位移曲線

圖10 管棚注漿股加固方案股道豎向位移曲線

統(tǒng)計(jì)2種加固方案下各主要施工步完成時(shí)股道的累計(jì)沉降、該施工步下的沉降增量及增量所占最終沉降的比例,結(jié)果如表5所示。

表5 各施工階段股道沉降值統(tǒng)計(jì) mm

由表5可知,站1線和站2線施作D型梁加固時(shí),D型梁施工造成的股道沉降占最終沉降的93%～98%,盾構(gòu)左線施工造成的股道沉降占最終沉降的1%～4%,盾構(gòu)右線施工造成的股道沉降占最終沉降的1%～3%,股道沉降主要發(fā)生在D型梁施工過程,后續(xù)盾構(gòu)左右線的施工對股道造成的影響很小,說明D型梁對上方股道的隔離作用很明顯,但D型梁施工對股道沉降擾動(dòng)較大；無D型梁施作的站3線和站4線,由于距離站1線和站2線較近,同樣受到D型梁施工影響,D型梁施工造成的股道沉降占最終沉降的37%～45%,盾構(gòu)左線施工造成的股道沉降占最終沉降的29%～37%,盾構(gòu)右線施工造成的股道沉降占最終沉降的26%,可以發(fā)現(xiàn),在沒有D型梁時(shí),下方盾構(gòu)施工會(huì)對股道產(chǎn)生持續(xù)性影響。

管棚注漿加固方案時(shí),站1～站4線管棚施工造成的股道沉降占最終沉降的33%～42%,盾構(gòu)左線施工造成的股道沉降占最終沉降的30%～38%,盾構(gòu)右線施工造成的股道沉降占最終沉降的19%～29%,股道沉降主要發(fā)生在管棚施工、盾構(gòu)左線施工及盾構(gòu)右線施工3個(gè)過程,說明管棚對上方股道的隔離效果不如D型梁明顯,但其施工對股道沉降擾動(dòng)比D型梁小很多。

由于D型梁的隔離作用優(yōu)于管棚注漿,后期安全系數(shù)更高,特殊地質(zhì)環(huán)境當(dāng)下方隧道施工發(fā)生坍塌等對上方鐵路造成較大擾動(dòng)而管棚注漿加固無法滿足要求時(shí),D型梁可以優(yōu)先考慮,因此,其適用性強(qiáng)于管棚注漿。

對比圖9、圖10和表5可知,D型梁加固時(shí)股道最大沉降為-2.91 mm,管棚注漿加固時(shí)股道最大沉降為-2.13 mm,兩種加固方案股道沉降都小于控制值4 mm,均可以保證既有鐵路運(yùn)營安全,但本工程中,管棚注漿加固的股道最終沉降小于D型梁加固,且沉降槽的范圍更小,同時(shí)對底層擾動(dòng)也較小。

3.4 方案比選

為確定相對最優(yōu)施工方案,根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),將D型梁加固和管棚注漿加固方案的加固效果、施工問題、預(yù)計(jì)工期、施工成本等因素進(jìn)行對比分析,如表6所示。

可以發(fā)現(xiàn),管棚注漿加固和D型梁加固兩種加固措施下,既有鐵路股道沉降及變形均小于控制指標(biāo),符合運(yùn)營條件,但管棚注漿加固時(shí)的股道最終變形小于D型梁加固,且對股道擾動(dòng)較小、沉降槽范圍更小；對比可知,管棚注漿加固方案,降水、行車、工期、成本、施工擾動(dòng)等不可控因素均優(yōu)于D型梁加固方案,可行性、經(jīng)濟(jì)性更高,本工程宜優(yōu)先采用。

表6 加固措施對比

4 結(jié)論

(1)地層損失率越低、盾構(gòu)密封艙內(nèi)壓力越大,地表沉降越小,針對不同工程實(shí)際,應(yīng)反復(fù)對比選擇最佳密封艙內(nèi)壓力，以保證整體沉降最小。

(2)D型梁的隔離作用優(yōu)于管棚注漿,但其施工會(huì)對股道造成較大擾動(dòng)。

(3)D型梁加固具有一步到位的效果,后期安全系數(shù)更高,復(fù)雜工程中,D型梁加固的適用性強(qiáng)于管棚注漿加固。

(4)管棚注漿和D型梁2種加固方案,管棚注漿的經(jīng)濟(jì)性和可操作性更強(qiáng),2種股道加固方案同時(shí)滿足變形要求時(shí),宜優(yōu)先采用管棚注漿加固,后期施工造成股道較大變形且管棚注漿無法滿足股道變形要求時(shí),宜考慮D型梁加固。