廈門地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿廈深高鐵路基變形分析與控制技術(shù)

程巧建

(中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290)

隨著城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè), 盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程逐漸增多,盾構(gòu)穿越既有線施工不可避免會(huì)對(duì)周邊巖體產(chǎn)生擾動(dòng)，引起沉降、變形等病害，影響結(jié)構(gòu)安全。目前盾構(gòu)施工工藝成熟，但也發(fā)生多起工程事故，如南京地鐵、廣州地鐵3號(hào)線、上海地鐵、西安地鐵和臺(tái)灣高雄地鐵施工中，多次引起地面塌陷和地表構(gòu)造物破壞，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。在此背景下，對(duì)盾構(gòu)下穿高鐵路基的變形分析與控制技術(shù)研究顯得尤為重要。該文依托廈門軌道交通2號(hào)線項(xiàng)目，就東孚站～馬鑾北站盾構(gòu)區(qū)間下穿廈深高速鐵路路基沉降變形與控制、監(jiān)控量測(cè)及數(shù)據(jù)分析等方面進(jìn)行研究，分析巖層沉降規(guī)律，確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

1 工程概況

廈深高速鐵路的盾構(gòu)影響段為路基形式，設(shè)計(jì)速度為200 km/h，雙線電氣化鐵路，采用有碴軌。東孚站～馬鑾北站盾構(gòu)區(qū)間線路與鐵路線路的交角為70°，距鐵路路肩的垂直距離為24.5～24.6 m。鐵路路基施工時(shí)下方土體采用攪拌樁加固，加固深度為中粗砂層以下1 m。線路位置關(guān)系見圖1，下穿段巖層參數(shù)如表1所示。

表1 東孚站～馬鑾北站盾構(gòu)區(qū)間下穿廈深高速鐵路巖層參數(shù)

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與廈深高鐵位置關(guān)系

2 仿真模擬

為計(jì)算盾構(gòu)施工對(duì)廈深高速鐵路路基的沉降影響，分別采用Peck經(jīng)驗(yàn)公式和PLAXIS-2D、MIDAS-GTS有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，得到盾構(gòu)穿越后最大沉降量，同時(shí)根據(jù)地層變形規(guī)律布設(shè)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.1 Peck經(jīng)驗(yàn)公式沉降槽計(jì)算

橫向地表沉降及最大地表沉降根據(jù)Peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下：

(1)

(2)

式中：s(x)為距離隧道中線x處的地面沉陷量(mm)；smax為隧道中線的地面沉陷量；i為沉陷槽的寬度系數(shù)。

由散體狀凝灰熔巖參數(shù)φ=30°，可得沉陷槽的寬度系數(shù)為：

(3)

式中：φ為隧道周圍地層內(nèi)摩擦角。

(4)

式中：Vi為地層損失率；r0為盾構(gòu)外輪廓半徑。

根據(jù)表1和廈門地區(qū)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)取地層損失率為0.54%，得到區(qū)間隧道施工時(shí)引起的廈深高鐵路基的沉降最大為4.21 mm。

2.2 盾構(gòu)區(qū)間仿真模擬

有限元仿真模擬本構(gòu)模型見表2。根據(jù)表1、2參數(shù)，采用PLAXIS-2D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析總體盾構(gòu)下穿高速鐵路路基的整體沉降量；采用MIDAS-GTS模擬盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程對(duì)廈深高速鐵路路基的影響。整體沉降模擬計(jì)算結(jié)果如圖2所示，盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程模擬計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)過程路基沉降變化

表2 有限元仿真模擬本構(gòu)模型

由圖2、3可知：

(1)盾構(gòu)穿越后鐵路路基最大沉降量為4 mm，與2.1節(jié)Peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果一致，參數(shù)選取合理。

(2)先行盾構(gòu)通過時(shí)鐵路路基的沉降已發(fā)生總沉降的75%，說明在巖層的原始地應(yīng)力被擾動(dòng)時(shí)，對(duì)地層的沉降影響最大。

(3)在距離隧道40 m處發(fā)生了明顯的位移拐點(diǎn)(圖2)，即路基沉降的影響范圍為隧道埋深的2倍。

圖2 路基沉降橫向影響范圍

(4)雙線盾構(gòu)通過鐵路路基后產(chǎn)生的沉降為9.4 mm，沉降曲線在距鐵路路基邊坡坡腳26 m處出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，掘進(jìn)過程對(duì)路基的影響程度明顯增加。

3 試驗(yàn)段施工過程地層變形分析與參數(shù)控制

3.1 試驗(yàn)段布設(shè)

根據(jù)仿真模擬計(jì)算結(jié)論，為得到盾構(gòu)掘進(jìn)過程實(shí)際沉降量和研究盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)、同步注漿和二次注漿對(duì)巖層變化的影響，在盾構(gòu)下穿高鐵路基前設(shè)置100 m試驗(yàn)段，分析得到盾構(gòu)下穿高鐵路基盾構(gòu)最佳推進(jìn)參數(shù)。試驗(yàn)段布設(shè)如圖4、5所示。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段平面布置

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段深層沉降監(jiān)測(cè)布置(單位：m)

3.2 試驗(yàn)段過程控制及監(jiān)測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)段施工過程中，在保持35～40 mm/min推進(jìn)速度的前提下，根據(jù)試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到刀盤前方地表沉降與盾構(gòu)土倉壓力關(guān)系如圖6所示，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中(同步注漿完成)地表沉降速率與盾構(gòu)注漿壓力關(guān)系如圖7所示。

(1)由圖6可知：左右線土倉壓力分別在1.45、1.55×105Pa可使盾構(gòu)刀盤前方土體出現(xiàn)約1.0 mm微隆起，為推薦土倉壓力參數(shù)。

圖6 土倉壓力與地表沉降關(guān)系

(2)由圖7可知:左右線同步注漿壓力在2.5～3.0×105Pa、終壓3.0～3.3×105Pa可使掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的地層損失得到較好補(bǔ)償。

圖7 注漿壓力與地表沉降速率關(guān)系

(3)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)選取盾構(gòu)下穿廈深高速鐵路路基推進(jìn)參數(shù)如表3所示。

表3 盾構(gòu)下穿廈深高速鐵路路基參數(shù)

4 高鐵路基變形控制措施

(1)嚴(yán)格按照表3推進(jìn)參數(shù)施工，主要控制土倉壓力、千斤頂總推力和掘進(jìn)速度，使刀盤前方土體出現(xiàn)約1.0 mm微隆起。

(2)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)出土量，當(dāng)出土量出現(xiàn)3%誤差時(shí)，需進(jìn)行異常分析并采取緊急處理措施。

(3)結(jié)合圖2、3的沉降曲線，同步注漿采取注漿壓力(終壓3.2 ×105Pa)與注漿量雙控原則，緊密結(jié)合施工監(jiān)控量測(cè)的反饋信息，使注漿后地表沉降變化速率出現(xiàn)正值，以補(bǔ)償掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的地層損失。

(4)二次注漿采取2～3次補(bǔ)注漿措施，直至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，日變化速率小于0.2 mm/d。

(5)在施工期間對(duì)線路實(shí)施全天24 h的監(jiān)控，如沉降或位移變化無異常時(shí)監(jiān)測(cè)頻率為1次/(4 h)。在盾構(gòu)切口進(jìn)入道床下方至盾尾脫出之間監(jiān)測(cè)頻率為1次/(2 h)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖8。

圖8 盾構(gòu)下穿廈深高速鐵路路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置

5 沉降變形控制效果及分析

通過前文確定的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)和各項(xiàng)控制措施，可得到盾構(gòu)下穿廈深高速鐵路路基、軌面時(shí)間-沉降曲線如圖9、10所示。

圖9 廈深高速鐵路路基的時(shí)間-沉降曲線(2018年)

(1)由圖9、10可知：高鐵路基最大隆起為1.43 mm、最大沉降為0.97 mm，引起鐵路軌面最大隆起0.7 mm、最大沉降0.41 mm，滿足鐵路運(yùn)營(yíng)要求。

(2)以圖9中右線L3時(shí)間-沉降曲線為例，適當(dāng)調(diào)高土倉壓力使刀盤前方土體微隆起出現(xiàn)S1點(diǎn)，掘進(jìn)完成后出現(xiàn)較快沉降值S2點(diǎn)，同步注漿和二次注漿完成后路基出現(xiàn)隆起至S3點(diǎn)，由于漿液凝固后自收縮出現(xiàn)二次沉降值S4點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化采取補(bǔ)漿措施至S5點(diǎn)，后續(xù)沉降趨于穩(wěn)定；圖中S6點(diǎn)為盾構(gòu)通過后鐵路部門大機(jī)養(yǎng)護(hù)擾動(dòng)導(dǎo)致。

圖10 廈深高速鐵路軌面的時(shí)間-沉降曲線

(3)由圖2、3理論沉降曲線與圖9實(shí)測(cè)沉降曲線對(duì)比可知，通過試驗(yàn)段選取的盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)合理，通過多次補(bǔ)漿措施有效地減少了后期地表沉降。

(4)將實(shí)測(cè)結(jié)果與Peck公式、仿真模擬結(jié)果進(jìn)行分析，Peck公式由于計(jì)算內(nèi)容較為單一，沒有考慮其他過程控制措施帶來的減少沉降，使最終計(jì)算結(jié)果相對(duì)較大。

豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化歷程變化圖中，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果為一段時(shí)間隆起一段時(shí)間沉降，但總體表現(xiàn)趨勢(shì)為下沉，數(shù)值模擬結(jié)果為先隆起后隨時(shí)間逐漸沉降，因?yàn)樵跀?shù)值模擬中把盾構(gòu)注漿簡(jiǎn)化為使隧道周圍土體的物理力學(xué)參數(shù)改變，沒有考慮注漿量對(duì)軌面豎向位移的影響，所以并沒有監(jiān)測(cè)結(jié)果中的起起伏伏。

實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果總體的變化趨勢(shì)一致，均為隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，豎向位移表現(xiàn)為下沉，且由于在正式穿越過程中，增加了同步注漿、二次注漿等措施，有效地防止了地表沉降，使實(shí)際監(jiān)測(cè)的結(jié)果更保守，更安全。

6 結(jié)論

結(jié)合盾構(gòu)下穿廈深高速鐵路路基的工程實(shí)例，采取數(shù)值模擬、試驗(yàn)段、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，分析了盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有線路路基沉降的影響規(guī)律，總結(jié)出盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化和沉降控制措施。得到以下結(jié)論：

(1)采用有限元數(shù)值模擬結(jié)果可以有效預(yù)判、評(píng)價(jià)施工風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)數(shù)值模擬沉降變化規(guī)律，調(diào)整施工參數(shù)和工藝，可為路基沉降控制提供理論支持。

(2)雙線盾構(gòu)隧道施工，先行盾構(gòu)引起的地表沉降大于后行盾構(gòu)引起的地表沉降。

(3)通過試驗(yàn)段選取合理的盾構(gòu)參數(shù)是控制路基沉降的關(guān)鍵，穿越前適當(dāng)調(diào)高土倉壓力使刀盤前方土體微隆起約1.0 mm，并采取多次補(bǔ)漿措施直至沉降日變化速率小于0.2 mm/d，最終使沉降結(jié)果小于Peck計(jì)算公式及模擬分析結(jié)果，對(duì)控制路基沉降效果明顯。