地鐵盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際鐵路無砟軌道路基的影響研究

韓學(xué)芳

(中國鐵路上海局集團有限公司 上海 200071)

1 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路的工程越來越多。盾構(gòu)隧道施工會對周圍地層產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致既有鐵路路基產(chǎn)生不均勻沉降，進而加劇軌道的不平順，對鐵路運營造成安全隱患。尤其是高速鐵路路基，對變形的控制要求更為嚴格[1]。目前大量學(xué)者針對盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降問題研究成果較多[2-4]，并在盾構(gòu)隧道穿越普速鐵路路基工程中得到廣泛應(yīng)用[5-6]，但對盾構(gòu)隧道下穿運營條件下高鐵路基研究較少。徐干成等[7]提出了盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基時掘進參數(shù)的控制措施；霍軍帥等[8]以采用應(yīng)力釋放率的方法研究了高鐵路基加固采用板+樁組合結(jié)構(gòu)形式的可行性，并用有限元法對軌道結(jié)構(gòu)進行動靜響應(yīng)分析。

本文依托無錫地鐵3號線穿越滬寧城際鐵路與京滬鐵路工程，采用理論分析結(jié)合有限元單元法，研究采用混凝土板+鉆孔樁+CFG樁預(yù)加固措施后盾構(gòu)隧道下穿對滬寧城際鐵路路基的影響，結(jié)合施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對地基加固方案及其加固效果進行定量分析，以期為類似工程提供參考。

2 工程背景

2.1 盾構(gòu)隧道與鐵路位置關(guān)系

無錫地鐵3號線出無錫火車站后沿興昌北路向西前行，以半徑為300 m的曲線按預(yù)留通道穿越滬寧城際鐵路(2股正線5股到發(fā)線)，然后穿越京滬普速鐵路。滬寧城際除北側(cè)到發(fā)線(7)外其余股道均位于混凝土加固板范圍內(nèi)。到發(fā)線(7)距加固板最大垂直距離約5 m。區(qū)間線路與滬寧城際鐵路夾角約42°，與京滬普速鐵路夾角約60°，穿越滬寧城際段隧道埋深12.9～14.3 m，區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際平面圖如圖1所示，本工點地貌類型屬于長江三角洲太湖沖湖積平原區(qū)，下穿工點盾構(gòu)隧道穿越地層主要為⑥1黏土和④2砂質(zhì)粉土，相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道與滬寧城際鐵路、京滬鐵路平面位置關(guān)系

表1 相關(guān)土層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 滬寧城際鐵路地基加固方案

滬寧城際鐵路施工時已采取混凝土板+鉆孔樁+CFG樁加固措施預(yù)留地鐵穿越條件，加固區(qū)橫、縱斷面如圖2所示。鋼筋混凝土板長×寬×高為58 m×48 m×1.8 m，其橫向支座處配筋為φ32@100+φ28@100，跨中配筋φ32@100+φ25@100。鋼筋混凝土板縱向配筋為上下側(cè)各φ28@100。鉆孔灌注樁樁徑為1 m，樁間距4 m，鋼筋混凝土板的左中右各一排，中間一排樁長64 m，兩側(cè)樁長54 m，持力層均為⑧4砂質(zhì)粉土。CFG樁樁徑為φ0.5 m，樁間距1.8 m，隧道上方樁長為8 m，隧道兩側(cè)樁長20 m。區(qū)間隧道距兩側(cè)CFG樁的水平距離大于1 m，左線隧道距離隧道頂CFG樁豎向距離大于0.86 m，右線隧道距離隧道頂CFG樁豎向距離大于0.16 m。除加固區(qū)外，滬寧城際DK176+557.45～176+769.6段的路基形式為CFG復(fù)合地基，CFG樁樁徑0.8 m，樁長17.5 m，間距1.8 m，正方形布置。

圖2 加固區(qū)橫縱斷面示意

3 無加固措施時的地表沉降估算

盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路勢必會引起地表沉降，若控制不當(dāng)將嚴重威脅運營安全。針對盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降計算，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究，諸如Peck公式、Sagaseta公式、Loganathan和Poulos公式、魏綱等提出的改進Peck公式等[9-11]，本文采用Peck公式對盾構(gòu)隧道下穿引起的天然地基地表沉降進行計算。

Peck地表沉降公式表達式為:

式中，S為x位置處的地面沉降量；Smax為隧道軸線上方最大地面沉降量；x為地表一點到隧道軸線的橫向水平距離；i為地面沉降槽寬度系數(shù)；H為覆土厚度；R為隧道外半徑；Vloss為單位長度土體損失量，Vloss＝πR2η，η為土體損失率。

目前國內(nèi)外針對計算土體損失率η的方法主要有三種。

(1)理論計算法

采用Lee等[12]提出的等效土體損失參數(shù)g進行計算，式中R為隧道開挖半徑，土體損失量為:

式中，g＝G′p+U3D+ω，其中G′p＝αGp。

Gp為盾構(gòu)機與襯砌之間的幾何空隙，考慮到注漿填充應(yīng)乘以一個折減系數(shù)α，α根據(jù)土體取經(jīng)驗值。U3D為盾構(gòu)機前部土體的三維彈塑性變形，ω為施工因素，η與g之間的換算關(guān)系為:

(2)反分析方法

利用已測得的地表沉降數(shù)據(jù)，根據(jù)Peck公式求出i值，再反分析求解η值:

(3)經(jīng)驗方法

土體損失率η與工程及水文地質(zhì)情況、隧道施工參數(shù)及工程管理經(jīng)驗等因素有關(guān)，根據(jù)無錫地區(qū)參數(shù)取值經(jīng)驗，分別取η為0.5%和0.8%進行計算，由式(3)和式(6)可得，無錫地鐵3號線下穿滬寧城際鐵路在未加固時引起的最大地表沉降值Smax分別為6.30 mm、10.08 mm。

參照文獻[1]，可見無加固時盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降不能滿足高鐵路基變形控制要求，對盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際工點采取適當(dāng)?shù)念A(yù)加固措施是有必要的。

4 數(shù)值模型建立與施工模擬

利用有限元軟件PLAXIS 3D，建立包括巖土、隧道、路基及上部線路一體的模型，根據(jù)隧道穿越土層的工程性質(zhì)、線路線形和相關(guān)工程經(jīng)驗確定隧道開挖引起的地層損失率，在數(shù)值計算中采用0.5%和0.8%的地層損失率計算，以考察盾構(gòu)隧道施工對滬寧城際路基的變形影響。

4.1 模型建立

選取下穿節(jié)點建立三維有限元模型，模型總長度155 m、總寬度為140 m，深度約為70 m，盾構(gòu)隧道外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m。幾何模型底部施加完全固定約束，兩側(cè)施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界。土體采用土體硬化模型(HS)模擬，單元類型為10節(jié)點四面體單元，加固板采用板單元進行等效處理，鉆孔樁和CFG樁采用嵌入式梁單元模擬，土層參數(shù)按照表1選取。

4.2 施工模擬

在PLAXIS 3D有限元軟件中通過凍結(jié)隧道范圍內(nèi)土體單元，激活管片單元，并進行斷面收縮和施加掌子面壓力來模擬盾構(gòu)掘進過程。整個隧道施工過程模擬按照實際盾構(gòu)施工推進方向和順序進行分步開挖，先施工左線隧道，再施工右線隧道，左右線推進方向相反。具體開挖工況如圖3所示，工況具體為:工況1，左線隧道盾構(gòu)機刀盤到達滬寧城際路基西南側(cè)邊緣位置；工況2，左線隧道盾構(gòu)機刀盤到達滬寧城際路基中軸線位置；工況3，左線隧道貫通模型；工況4，右線隧道盾構(gòu)機刀盤到達滬寧城際路基東北側(cè)邊緣位置；工況5，右線隧道盾構(gòu)機刀盤到達滬寧城際路基中軸線位置；工況6，右線隧道貫通模型。

圖3 盾構(gòu)隧道施工工況劃分

4.3 路基沉降計算

針對無錫地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際鐵路路基加固區(qū)的施工，選取滬寧城際兩條正線(上行線和下行線)以及處于加固區(qū)以外的到發(fā)線(7)沿股道方向的縱剖面進行分析。通過數(shù)值模擬，得到在地層損失率為0.5%和0.8%時滬寧城際鐵路路基頂面的各個工況的沉降分布曲線，如圖4和圖5所示。

圖4 滬寧城際路基縱向沉降曲線(η＝0.5%)

圖5 滬寧城際路基縱向沉降曲線(η＝0.8%)

從圖4可知，采用加固措施后，地層損失率為0.5%時，盾構(gòu)隧道雙線貫通后滬寧城際上下行線路基頂面沉降最大值分別為0.664 mm和0.712 mm，鐵路正線路基加固后的最大沉降是未加固時最大沉降值的11.3%。到發(fā)線(7)的路基頂面沉降最大值為2.898 mm。從圖5可知，采用加固措施后，地層損失率為0.8%時，盾構(gòu)隧道雙線貫通后滬寧城際上下行線路基頂面沉降最大值分別為0.888 mm和0.907 mm，鐵路正線路基加固后的最大沉降是未加固時最大沉降值的9%。到發(fā)線(7)的路基頂面沉降最大值為4.346 mm。

采取混凝土板+鉆孔樁+CFG樁預(yù)加固措施后，滬寧城際上、下行線沉降滿足控制標(biāo)準(zhǔn)，而到發(fā)線(7)由于位于預(yù)留加固混凝土板外且鄰近結(jié)構(gòu)邊緣，沉降值介于正線股道最大沉降值和未加固的最大地表沉降值之間?？紤]到到發(fā)線為有砟道床，且臨近車站速度較低，因此未采取新的預(yù)加固措施。隨著地層損失率取值的增加，路基頂面沉降增大，可見在盾構(gòu)隧道下穿時合理選取盾構(gòu)推進的施工參數(shù)極其重要。

為更直觀地體現(xiàn)混凝土板+鉆孔樁+CFG樁預(yù)加固措施的效果，沿著垂直于股道的方向給出在地層損失率分別為0.5%和0.8%時路基橫斷面上的沉降曲線，如圖6所示。加固區(qū)范圍內(nèi)路基沉降較為均勻，遠離加固區(qū)范圍后的沉降值則迅速增加。

圖6 滬寧城際路基橫斷面沉降曲線

5 現(xiàn)場監(jiān)測

為保障鐵路運營安全和盾構(gòu)推進的安全性，在盾構(gòu)隧道穿越滬寧城際時對滬寧城際鐵路路肩的豎向沉降進行實時監(jiān)測，監(jiān)測斷面里程為K126+470～K126+620。具體監(jiān)測時間節(jié)點可分為以下階段:左線盾構(gòu)穿越期(穿越時間為2018年4月4日～2018年5月11日)，右線盾構(gòu)穿越期(穿越時間為2018年8月8日～2018年9月16日)。滬寧城際路基沉降預(yù)警值為1 mm，報警值為2 mm。

選取變化較大的到發(fā)線(4)道，對其路肩累計變形時程曲線進行分析。在(4)道共布置監(jiān)測點3個，依次為HN4+0A、HN4+1A、HN4-1A，其中0A位于左線隧道正上方(4)道路肩處、-1A位于右線隧道正上方(4)道路肩處、+1A位于左右線中間，采用AMS自動變形監(jiān)測軟件對全站儀進行控制，達到自動監(jiān)測的目的，監(jiān)測到豎向位移分別如圖7所示，其中正值表示隆起，負值表示沉降。

圖7 到發(fā)線(4)道監(jiān)測點豎向位移累計變化曲線

6 結(jié)論

通過對無錫地鐵3號線盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際鐵路工程的地基加固方案及其加固效果進行研究，利用理論分析結(jié)合數(shù)值模擬對盾構(gòu)隧道施工引起的路基變形進行定量分析，并將分析結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，主要得到如下結(jié)論:

(1)地層損失率為0.5%和0.8%時，滬寧城際鐵路正線路基加固后的最大沉降值是未加固時最大沉降值的11.3%、9.0%。

(2)采用地基加固方案后，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.5%時，盾構(gòu)隧道雙線貫通后滬寧城際上下行線路基頂面沉降最大值分別為0.664 mm和0.712 mm；當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.8%時，滬寧城際上下行線路基頂面沉降最大值分別為0.888 mm和0.907 mm。

(3)滬寧城際鐵路路肩各點豎向位移變化曲線基本一致，各測點沉降均在-1.0～1.0 mm之間。

(4)采用混凝土板+鉆孔樁+CFG樁的預(yù)加固措施能夠有效控制地鐵盾構(gòu)隧道下穿滬寧城際鐵路路基過程中產(chǎn)生的沉降變形，滿足高速鐵路運營安全要求。