合肥地區(qū)新建盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基段地層預加固措施研究

李士中

（中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071）

隨著我國城市現(xiàn)代化進程的不斷推進，城市規(guī)模急速膨脹，人口數(shù)量不斷增長，對交通規(guī)模及其效率提出更高的要求。為滿足居民日常出行需求，緩解城市交通壓力，建立舒適方便、安全高效的地下軌道交通網(wǎng)絡成為各個城市的主要解決方案之一。我國合肥地區(qū)有大范圍的硬塑土分布，針對這一地質(zhì)特點，地下軌道交通通常采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)法施工過程中經(jīng)常會遇到下穿既有建（構(gòu)）筑物的情況，尤其是遇到下穿鐵路線路這類對地表容許變形值有嚴格要求的工程風險點時，常成為工程建設過程中的重點和難點。

國內(nèi)外大量盾構(gòu)法施工經(jīng)驗表明，其或多或少會擾動地層，引起地層位移而導致不同程度的地面沉降；地面沉降的主要原因是盾構(gòu)掘進所引起的地層損失和隧道周圍土體受到擾動破壞后的再固結(jié)。從盾構(gòu)法施工引起地面沉降原因可知，對鐵路下方地基土體進行適當加固，可提升土層的物理力學性能，增加土層抗擾動能力，從而控制盾構(gòu)穿越時引起的地面變形［1-2］。

本文通過合肥一軌道交通線下穿合福高速鐵路聯(lián)絡線、合武鐵路工程實例，提出不同的地層加固方案；通過三維有限元數(shù)值模擬方法分析不同類型地層加固方案對路基沉降的影響［3-4］。

1 工程概況

本工程軌道交通線路與鐵路線路夾角約為82°（圖1），線路左右中心線間距約為12 m，采用盾構(gòu)法施工。洞身穿越地層為⑥2黏土層（圖2），下穿路基段的盾構(gòu)隧道埋深為17.46～17.69 m；區(qū)間結(jié)構(gòu)頂部與路基基底最小豎向凈距約為17.46 m。

圖1 區(qū)間隧道下穿鐵路路基段平面示意

圖2 區(qū)間隧道下穿鐵路路基段縱斷面（單位：m）

合福高速鐵路聯(lián)絡線全長41.74 km，為雙線客運專線聯(lián)絡線。盾構(gòu)下穿段設計速度為160 km/h，采用線間距為5.0 m的有砟軌道，設計年限為100年。

合武鐵路全長359 km，為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，設計速度250 km/h，是我國第1條設計速度超過200 km/h 且完全按照客運專線配置設計的客貨共線鐵路。盾構(gòu)下穿段設計速度為120 km/h，采用線間距為5.0 m 的有砟軌道，設計年限為100年。

2 地層預加固措施

綜合本工程特殊性、工程地質(zhì)情況及其他城市鐵路地層預處理經(jīng)驗，本文主要針對鐵路路基下地層預處理措施進行研究，提出淺層加固方案、深層加固方案和洞周加固方案，再與不進行地層處理方案進行比較分析［5-7］。

2.1 淺層加固方案

1）主要思路。淺層加固方案主要采用淺層注漿方式，在盾構(gòu)施工前對路基下淺層的黏土層進行加固，改善路基基礎整體性，控制由于盾構(gòu)施工引起的地表不均勻沉降。盾構(gòu)施工后洞內(nèi)進行補充注漿，對區(qū)間隧道周邊土體再加固，防止由于盾構(gòu)施工引起土體松動導致地表沉降過大。

2）加固范圍。盾構(gòu)施工影響范圍，深度為雜填土層下3.0 m 范圍的黏土層，橫向為區(qū)間盾構(gòu)施工橫向影響范圍，縱向為鐵路線路外30.0 m 范圍。加固施工完后，對加固范圍上方的雜填土層進行補充注漿加固。淺層加固方案剖面如圖3所示。

圖3 淺層加固方案剖面

3）方案特點。在鄰近鐵路地面進行淺層加固施工，主要加固地層為黏土層，以進一步減小隧道施工過程中地層擾動和水土流失，更好地控制鐵路不均勻沉降。淺層加固深度為地表下2.0～5.0 m 范圍內(nèi)，加固效果可采用鉆孔取樣方便地檢查，加固效果容易控制。本方案的加固范圍位于地表淺層，對于加固區(qū)和隧道之間的土體擾動相對較小。

2.2 深層加固方案

1）主要思路。深層加固方案主要采用全方位高壓噴射（Metro Jet System，MJS）工法加固地層，在盾構(gòu)施工前，對區(qū)間隧道上方2.0～8.5 m 范圍內(nèi)粉質(zhì)黏土層進行加固，加固后形成鐵路與隧道隔離作用地層，控制上方土體沉降。盾構(gòu)施工后，洞內(nèi)進行補充注漿，確保加固效果。

2）加固范圍。在盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)，深度為盾構(gòu)管片頂層上方2.0～8.5 m 范圍的較深土層，橫向為區(qū)間盾構(gòu)施工橫向影響范圍，縱向為鐵路線路外30.0 m范圍。由于MJS 工法施工引起地層松動，在加固施工完后，對上方地層進行補充注漿加固。深層加固方案剖面如圖4所示。

圖4 深層加固方案剖面

3）方案特點。在鄰近鐵路地面進行MJS 工法施工，對軌道交通區(qū)間隧道上方的土體進行加固，通過提高加固范圍土體剛度形成隔離作用，主要控制地表的沉降。本方案MJS 工法加固深度較大，加固股道下方地層時采用傾斜施工，該施工方法對操作人員技術和管理要求較高；在隧道施工影響范圍內(nèi)加固，對地面影響范圍相對較?。挥捎诩庸躺疃容^大，加固效果檢查難度較大。同時加固施工時對隧道上方的地層擾動范圍相對較大，主加固區(qū)施工完后，應對加固區(qū)上方土體補充注漿加固，減少因地層加固施工對上覆地層產(chǎn)生的擾動影響。

2.3 洞周加固方案

1）主要思路。洞周加固方案主要采用MJS 工法加固，對區(qū)間隧道外緣外2.0 m 地層進行加固處理，加固后形成強度和剛度較大的土體，減小盾構(gòu)施工對周圍土層穩(wěn)定性的影響。盾構(gòu)施工推進后，在洞內(nèi)進行補充注漿，對區(qū)間隧道周邊土體再加固，防止由于盾構(gòu)施工引起土體松動導致地表沉降過大。

2）加固范圍。在區(qū)間左右線隧道外緣外上下左右各2.0 m 范圍內(nèi)⑥2黏土層進行加固，縱向為鐵路線路外30.0 m 范圍。由于MJS 工法施工引起地層松動，在加固施工完后，對上方注漿施工范圍內(nèi)土體補充注漿加固。洞周加固方案剖面如圖5所示。

圖5 洞周加固方案剖面

3）方案特點。在鄰近鐵路地面進行MJS 工法施工，對軌道交通區(qū)間左右線隧道周邊2.0 m 范圍內(nèi)土體進行加固，通過提高加固范圍內(nèi)土體剛度，減少盾構(gòu)施工對周邊土體的擾動影響，達到控制地表沉降的效果。本方案的加固深度最大，施工難度相對最大；在隧道施工影響范圍內(nèi)加固，對地面影響范圍相對最??；由于加固深度較大，加固效果檢查難度較大，加固效果不易控制。同時MJS 工法加固施工時對隧道上方地層擾動范圍相對較大，加固區(qū)施工完后，應對加固區(qū)上方土體補充注漿加固，減少對地層擾動影響。

3 不同加固方案下路基沉降數(shù)值模擬

3.1 模型簡述

下穿位置盾構(gòu)施工所處的地層為⑥2 黏土層，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)頂面距離地表最小距離為17.5 m。采用有限元軟件進行三維數(shù)值模擬，模型上邊界取至路基表面，下邊界取至盾構(gòu)底部向下49.0 m，橫向取隧道中心線兩側(cè)各50.0 m，模型沿隧道長度取60環(huán)管片寬度即90.0 m，盾構(gòu)外輪廓距離模型邊界均大于5倍洞徑。數(shù)值模擬過程中同時使用了摩爾-庫倫本構(gòu)模型和彈性本構(gòu)模型，其中地層及路基采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型模擬其變形受力特征，盾構(gòu)隧道的管片和注漿層采用彈性本構(gòu)模型模擬。盾構(gòu)隧道管片混凝土等級為C50，管片環(huán)寬度為1.5 m，采用6 分塊錯縫拼裝，管片環(huán)內(nèi)直徑5.4 m、外直徑6.0 m、厚度0.3 m，用板單元模擬，采用修正慣用法模擬管片環(huán)向接頭抗彎剛度降低，彎曲剛度有效率η= 0.8。模型尺寸為長90.0 m、寬124.0 m、高72.5m，劃分單元數(shù)量為131 924。數(shù)值模擬采用的各土層參數(shù)、路基材料參數(shù)以及盾構(gòu)相關參數(shù)見表1—表3。

表1 各層土體主要參數(shù)

表2 路基填料參數(shù)

表3 盾構(gòu)及管片參數(shù)

表4 vmax＞160 km/h線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值 mm

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)GB/GW 102—2019《普速鐵路線路維修規(guī)則》中對線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值的要求（見表4），并參考合肥市軌道交通1號線一期工程下穿合肥火車站站場的沉降控制標準，作業(yè)驗收管理值為線路設備大修、計劃維修和臨時補修作業(yè)的質(zhì)量檢查標準；計劃維修管理值為安排軌道維修計劃的質(zhì)量管理標準；臨時補修管理值為應及時進行軌道整修的質(zhì)量控制標準。本盾構(gòu)隧道施工項目中，選擇速度大于160 km/h 正線和到發(fā)線的臨時補修標準，確定線路軌道靜態(tài)幾何不平順容許偏差管理值為路基不均勻沉降，按8 mm控制。

模擬計算結(jié)果如圖6所示，可知：盾構(gòu)隧道施工完成后地表沉降曲線沿盾構(gòu)隧道中線左右對稱，并且地表沉降槽符合由PECK 公式得出的雙線盾構(gòu)相鄰施工后沉降規(guī)律疊加的表現(xiàn)，即線路凈距較近時，最大沉降出現(xiàn)在兩盾構(gòu)之間中心線對應的地表位置。未進行加固時，盾構(gòu)下穿鐵路引起的最大地表沉降達到6.9 mm；采用淺層加固方案，最大地表沉降為5.9 mm；采用深層加固方案，最大地表沉降為4.5 mm；采用洞周加固方案，最大地表沉降為1.5 mm；均滿足路基沉降不超過8 mm的控制標準。

對比加固和未加固時路基沉降變化可知，在對地層進行加固后，淺層加固方案盾構(gòu)通過后的沉降最大，但與不進行地層加固時相比沉降值減小14.5%；深層加固方案次之，與不進行地層加固時相比沉降值減小34.8%；洞周加固方案沉降最小，與不進行地層加固時相比沉降值減小78.3%。淺層加固方案加固地層可以使路基沉降控制在應及時進行軌道整修的質(zhì)量控制標準范圍內(nèi)；深層加固方案加固地層可以將路基沉降控制在軌道應安排維修計劃的質(zhì)量管理標準范圍內(nèi)；洞周加固方案加固地層可以將路基沉降控制在線路設備大修、計劃維修和臨時補修作業(yè)的質(zhì)量檢查標準范圍內(nèi)。

通過上述對下穿鐵路地層3 個加固方案的研究，針對各自的優(yōu)缺點進行比較分析，見表5。

圖6 路基沉降模擬計算結(jié)果（單位：m）

表5 3種地層加固方案比較

綜上，采用加固盾構(gòu)結(jié)構(gòu)周邊地層的工法能夠增加土層抗擾動能力，可以更好地減小盾構(gòu)施工對地層的擾動，減小黏土層變形而導致的地面沉降，有效地控制盾構(gòu)穿越時引起的鐵路路基變形。在條件允許的情況下推薦采用盾構(gòu)通過位置周邊地層加固的方案。

4 盾構(gòu)下穿鐵路路基施工技術措施

結(jié)合本工程的特點及盾構(gòu)施工經(jīng)驗，盾構(gòu)下穿鐵路路基施工時，應對鐵路進行防護及增加工程措施。

1）施工前應核實地質(zhì)情況，根據(jù)前期盾構(gòu)掘進參數(shù)控制與地層位移的關系，確定合理的土壓力設定值、排土率、掘進速度等。

2）施工前根據(jù)加固方案對地層進行加固，加固后應對加固結(jié)果進行檢查，達到要求后方可進行施工。必要時應對鐵路股道架設施工便梁進行防護，確保運營安全。

3）穿越前應對盾構(gòu)機械進行檢修，避免中間停機、漏漿或注漿系統(tǒng)堵管等情況發(fā)生，保證盾構(gòu)能夠連續(xù)勻速推進。

4）加強沉降監(jiān)測，應對軌道進行穿越施工全過程監(jiān)測，其中對軌道沉降、軌道橫向差異沉降、軌距變化、道床縱向沉降等項目應進行24 h 遠程實時監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時優(yōu)化調(diào)整掘進施工參數(shù)，做到信息化動態(tài)施工管理。采用高精度連通管自動監(jiān)測方法對軌道作加密監(jiān)測，盾構(gòu)通過期間定時提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時反饋至施工人員。

5）嚴格控制掘進速度和同步注漿量，避免因盾尾空隙未能及時充填而產(chǎn)生下沉，同步注漿推薦采用雙液漿，能夠快速凝結(jié)，限制地層變形。

6）及時利用盾構(gòu)管片注漿孔進行洞內(nèi)二次注漿，控制后期沉降，在風險較大區(qū)段可以適當增加管片環(huán)上預留注漿孔數(shù)量。

7）采用調(diào)整軌道扣件的辦法及時調(diào)整軌道高程，以滿足鐵路線路標準。根據(jù)需要設置護軌、橫向軌距桿或采用扣軌、架設便梁等保護設施。

8）盾構(gòu)通過后，建議對隧道上方土層注漿加固，進一步減小地層后期變形。

9）注漿施工時，應確保在無車的情況下進行，加固后及時測量線路情況，在鐵路線路幾何不平順等滿足相關規(guī)范要求下方可通車。

10）當采用地表變形控制效果較差的工程措施時，應當密切監(jiān)控軌道變形情況。盾構(gòu)下穿施工過程中，列車應當限速通過，減速緩慢行駛。

11）施工單位施工前，應制定詳細的應急預案，以策安全。

5 結(jié)論

1）在盾構(gòu)下穿鐵路路基時，對施工擾動范圍內(nèi)的土層預先進行加固處理可以減小地表沉降值。

2）通過綜合比較分析，加固盾構(gòu)通過位置周邊地層方案對沉降控制效果較好，對鐵路線路影響、土體擾動范圍較小，投資相對較少。

3）在滿足鐵路路基沉降要求的情況下，可以結(jié)合現(xiàn)場條件采用不同的地層預處理方案，將沉降值控制在作業(yè)驗收、計劃維修或臨時修補等不同的變形容許范圍內(nèi)。

4）工程建設過程中應重視監(jiān)控量測的重要性，做好補償注漿和二次注漿，在施工前應制定好應急預案。