盾構(gòu)下穿鐵路路基及火車站站房地表沉降分析

段恒沖

（內(nèi)蒙古鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，呼和浩特 010000）

1 引言

隨著時(shí)間的推移，城市軌道交通建設(shè)開始逐漸被重視，并且涵蓋的范圍越來越廣。但根據(jù)調(diào)查研究顯示，我國(guó)地鐵區(qū)間隧道與鐵路路基以及橋梁開始出現(xiàn)交叉的現(xiàn)象，且出現(xiàn)這種現(xiàn)象的概率在逐年上漲。鐵路是國(guó)家最主要的線路之一，同時(shí)又是社會(huì)公共安全的重點(diǎn)領(lǐng)域。因此，為了保證鐵路的正常運(yùn)行，國(guó)家已經(jīng)頒布了相關(guān)的文件，必須要對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路采取相應(yīng)的安全措施。基于這種現(xiàn)象，許多學(xué)者以及技術(shù)人員開始就這一問題展開了深入研究。

2 重要性

據(jù)調(diào)查研究顯示，在進(jìn)行城市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)時(shí)，存在很多地鐵線路下穿運(yùn)營(yíng)鐵路線路的情況。并且在使用盾構(gòu)法進(jìn)行地鐵施工時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)鐵路線路的正常運(yùn)行造成影響。因?yàn)樵谑褂枚軜?gòu)法對(duì)地鐵進(jìn)行施工時(shí)，難免會(huì)對(duì)原有的底層產(chǎn)生擾動(dòng)，并且最主要的是還會(huì)破壞其原有的力學(xué)平衡而造成沉降變形。所以，在進(jìn)行相應(yīng)的施工時(shí)，要嚴(yán)格控制盾構(gòu)隧道地表和上方原有建筑物的沉降量。在1969 年，Peck 就已經(jīng)提出了底層損失這個(gè)概念，同時(shí)還定義了估算隧道開挖地表變形的經(jīng)驗(yàn)公式。這個(gè)公式在經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)可以運(yùn)用于計(jì)算這類問題，但還存在很多的不足和問題。所以這個(gè)公式在得到證實(shí)以后還被進(jìn)行了完善及修正。但在后續(xù)使用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在將這個(gè)公式運(yùn)用于盾構(gòu)施工穿越不同敏感建(構(gòu))筑物時(shí)，還是會(huì)存在誤差，并且誤差比較大，這就說明，這個(gè)公式不適用于所有建筑物。針對(duì)這一現(xiàn)象，大多數(shù)的研究人員開始使用數(shù)值模擬方法。

3 盾構(gòu)隧道下穿既有火車站站房、鐵路路基優(yōu)化

3.1 縱向變形分析

已有研究認(rèn)為，盾構(gòu)法隧道施工引起地表變形的影響因素主要有以下幾點(diǎn)：

1）土倉(cāng)壓力。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中，開挖面很難達(dá)到理想的土壓平衡狀態(tài)，因?yàn)樵谕谶M(jìn)的過程中會(huì)造成土地下沉或是隆起的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在挖進(jìn)的過程中會(huì)產(chǎn)生2種力：支護(hù)壓力及原始側(cè)向應(yīng)力，當(dāng)這2 種力不平衡時(shí)就會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象。當(dāng)支護(hù)力小于原始側(cè)向應(yīng)力時(shí)，就會(huì)造成土體下沉的現(xiàn)象；反之，當(dāng)支護(hù)力大于原始側(cè)向應(yīng)力時(shí)，則會(huì)造成土體隆起的現(xiàn)象。

2）同步注漿。由于盾構(gòu)鋼環(huán)的外徑較大，且刀盤存在一定的超挖，在管棚脫離盾尾時(shí)，隧道開挖壁面與管片間形成空隙，需要進(jìn)行同步注漿。若注漿未及時(shí)跟上或注漿效果差、未能按期達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，土體將向管片產(chǎn)生位移，從而引起地面沉降；相反，注漿量過大時(shí)可能導(dǎo)致地層少量隆起變形。

3）盾構(gòu)出土量。在進(jìn)行施工時(shí)，出入量與實(shí)際開挖量應(yīng)該是相等的，如果不相等，同樣會(huì)造成土地下沉或隆起的現(xiàn)象。當(dāng)出土量大于實(shí)際開挖量時(shí)，就會(huì)造成土體下沉的現(xiàn)象；當(dāng)出土量小于實(shí)際開挖量時(shí)，就會(huì)造成土地隆起的現(xiàn)象。

4）土體與管片之間相互作用。在進(jìn)行施工的時(shí)候，周圍的土也會(huì)對(duì)管片造成影響。當(dāng)周圍土的壓力傳輸?shù)焦芷蠒r(shí)，就會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)管片的形變，并且襯砌對(duì)周圍地層還會(huì)產(chǎn)生反向抗力。

5）盾構(gòu)機(jī)控制。在使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行挖進(jìn)時(shí)，同樣會(huì)對(duì)土層造成不同程度的影響，尤其是在彎道、水平糾偏或是垂直糾偏等工作環(huán)境比較復(fù)雜的地方，對(duì)土層造成的影響會(huì)更大，進(jìn)而造成表面土地變形的概率也就越大。

6）主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降。在施工過程中主要會(huì)產(chǎn)生2種沉降現(xiàn)象：主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降。主固結(jié)沉降是因?yàn)閿_動(dòng)土因超靜孔隙水壓力的消散而產(chǎn)生的地面沉降；次固結(jié)沉降則是土體骨架發(fā)生持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的壓縮變形，在土體蠕變過程中產(chǎn)生的地面沉降。

綜上所述，盾構(gòu)施工過程中影響地層位移及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的因素很多，最主要的就是地層性質(zhì)、地下水條件以及隧道直徑等施工條件。所以，在進(jìn)行盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境的影響研究與分析時(shí)，不能只考慮個(gè)別幾個(gè)方面的因素，要將所有的影響因素都考慮在內(nèi)。這樣，才能得到比較科學(xué)合理的結(jié)果。

3.2 盾構(gòu)施工模擬

盾構(gòu)隧道施工工作步驟是非常煩瑣的，且涉及的工作種類也很多，比如，開挖土體、管片襯砌、同步注漿以及開挖效應(yīng)，等等。所以，在進(jìn)行盾構(gòu)施工模擬的時(shí)候，要將各個(gè)工作步驟與工作種類都一一進(jìn)行模擬。模型采用MIDAS-GTS NX 有限元計(jì)算軟件，為使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況，建模范圍取垂直于線路方向結(jié)構(gòu)外緣兩側(cè)各約5D（D 為隧道結(jié)構(gòu)外徑），線路方向模型總長(zhǎng)220m，豎直方向結(jié)構(gòu)覆土根據(jù)實(shí)際情況取值，結(jié)構(gòu)底部以下大于5D，地應(yīng)力場(chǎng)按自重應(yīng)力場(chǎng)分析?？紤]同步注漿漿液形態(tài)對(duì)地表沉降的影響，所以在注漿以后，最開始漿液參數(shù)選取的是液態(tài)參數(shù)，然后慢慢等待它凝固，在它完成初凝以后，再選取固態(tài)注漿層參數(shù)。在實(shí)際進(jìn)行施工的時(shí)候，天然土層就已經(jīng)完成了固結(jié)沉降，因?yàn)樵谧匀粭l件下，土體有自重并且周圍的建筑物還有荷載，這些因素都會(huì)對(duì)土層造成天然壓力。所以，在施工的時(shí)候，要將固結(jié)沉降以后的土層作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。在利用有限元模擬基坑開挖過程時(shí)，最主要的就是要平衡初始地應(yīng)力，這樣，才能使土體模型中只有初始應(yīng)力場(chǎng)，不存在初始位移。模型中第一階段土體為開挖的初始階段，并且還要計(jì)算出土體在自重作用下的位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)，然后，還要通過MIDAS-GTS 的位移清零功能消除已經(jīng)完成的沉降位移，最后構(gòu)造初始應(yīng)力場(chǎng)。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1 所示。

圖1 隧道與站場(chǎng)內(nèi)建（構(gòu)）筑物相對(duì)位置關(guān)系

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，在保證各項(xiàng)施工措施的前提下，區(qū)間下穿呼和浩特火車站站場(chǎng)各項(xiàng)設(shè)施的變形如表1 所示。

表1 地鐵區(qū)間隧道施工引起站場(chǎng)建（構(gòu)）筑物變形統(tǒng)計(jì)表mm

3.4 盾構(gòu)區(qū)間穿越火車站站房、鐵路路基控制標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)措施

根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運(yùn)〔2006〕146 號(hào)）、GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》【1】及GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》【2】相關(guān)文件表明，對(duì)于鐵路軌道、建（構(gòu)）筑物變形標(biāo)準(zhǔn)都有明確的規(guī)定，具體規(guī)定如下：軌面沉降值不能超過6mm；相鄰兩股鋼軌水平高差不得超過6mm；建（構(gòu)）筑物沉降不超過10mm。盾構(gòu)區(qū)間穿越呼和浩特火車站范圍內(nèi)以中砂、粉砂、粉質(zhì)黏土為主。盾構(gòu)區(qū)間下穿的火車站主站房為筏板基礎(chǔ)，盾構(gòu)頂距筏板底最小凈距12.79m；接建門廳采用樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)7.3m，盾構(gòu)外皮頂距樁基基底最小凈距9.64m。區(qū)間盾構(gòu)穿越過程中，施作二次深孔加強(qiáng)注漿，采用雙液漿。區(qū)間隧道下穿火車站高架候車廳樁基，樁長(zhǎng)12m，與區(qū)間結(jié)構(gòu)最小凈距3.65m，在盾構(gòu)通過前，于樁基承臺(tái)周圍預(yù)埋可多次注漿的注漿管進(jìn)行地面預(yù)注漿加固。盾構(gòu)區(qū)間穿越火車站站場(chǎng)鐵路正線路基段采用“3-7-3”扣軌加固，到發(fā)線采用地面預(yù)注漿加固。

盾構(gòu)推進(jìn)需做好以下推進(jìn)控制：

1）嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面土壓力。在施工過程中，土壓力與開挖量緊密聯(lián)系在一起，及時(shí)總結(jié)出最合理的土壓力和開挖量，最大限度地減小對(duì)土的擾動(dòng)。根據(jù)埋深和土層情況，將土倉(cāng)壓力按盾構(gòu)中心處水土側(cè)壓力值提高0.01～0.02MPa。嚴(yán)禁風(fēng)箱式土壓力波動(dòng)，以減小對(duì)土的擾動(dòng)。

2）推進(jìn)速度控制。前進(jìn)速度控制在15～30mm/min。

3）控制開挖量。保證盾構(gòu)切口上方的土體有輕微隆起，以抵消盾構(gòu)尾部的沉降，控制鐵路沉降在最小范圍內(nèi)，保證線路安全。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著隧道深度的增加，在進(jìn)行隧道施工的時(shí)候，對(duì)周圍造成的影響勢(shì)必會(huì)越來越大，但根據(jù)調(diào)查顯示，地表的最大沉降卻在慢慢降低。產(chǎn)生沉降幅度比較大的地方一般是先行隧道中心線的正上方，并且先行盾構(gòu)隧道對(duì)地表沉降的影響要比后行線盾構(gòu)隧道大，能達(dá)到60%以上。在以后的發(fā)展中，盾構(gòu)法施工會(huì)被越來越廣泛地應(yīng)用到隧道施工中，所以，希望本文對(duì)盾構(gòu)法施工的發(fā)展會(huì)有所幫助。