盾構(gòu)下穿既有鐵路對線路結(jié)構(gòu)的影響研究

中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430050

隨著我國地方經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市地鐵隧道的開發(fā)建設(shè)如火如荼，隧道穿越既有鐵路線的工程案例也不斷涌現(xiàn)。一方面，盾構(gòu)法因其經(jīng)濟、安全及高度自動化等優(yōu)點，在穿越土質(zhì)地層的地鐵隧道開挖工程中得到廣泛應(yīng)用；另一方面，盾構(gòu)機掘進(jìn)施工會改變原始土層的初始應(yīng)力場，擾動土體使地下水流失，導(dǎo)致土體位移，引起地面變形沉降，進(jìn)而加劇鐵路線路變形和軌道的不平順，增加輪軌間的沖擊力，破壞軌道架構(gòu)和基床，對鐵路運營安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。因此，下穿鐵路線的隧道盾構(gòu)施工中地面的沉降控制對于鐵路的運營安全至關(guān)重要。

1 文獻(xiàn)綜述

現(xiàn)階段各國研究人員在研究隧道盾構(gòu)施工地層變形規(guī)律時，依托具體的工程實例，提出了經(jīng)驗法、現(xiàn)場實驗法、數(shù)值模擬法、模型實驗法等方法，并取得寶貴的成果[2-5]。目前，對于地表橫斷面沉降預(yù)測應(yīng)用最廣泛的是Peck公式[6]，該公式是根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計得出的經(jīng)驗公式，其地表沉降形狀近似高斯曲線。Attewell[7]認(rèn)為隧道的開挖導(dǎo)致地層沉降曲線類似高斯曲線，其采用不同的計算公式計算沉降槽寬度，對Peck公式進(jìn)行了修正。姜忻良等[8]以天津地鐵1號線某區(qū)間盾構(gòu)施工為例，在區(qū)間端頭布設(shè)分層沉降以及土體測斜孔，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理發(fā)現(xiàn)距離隧道越近的土體受盾構(gòu)施工擾動越大。璩繼立等[9]對上海地鐵某軟土地層區(qū)間進(jìn)行沉降監(jiān)測，得到沉降曲線形狀除了受施工參數(shù)的影響，隧道埋深也是影響沉降分布特征的重要因素。鄭宜楓等[10]以上海大型泥水平衡盾構(gòu)在上中路隧道的施工為例，對泥水平衡盾構(gòu)施工中周邊土壓力、地表沉降進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)沉降主要發(fā)生在后期沉降階段。孫玉永等[11]在上海某區(qū)間雙線隧道采用土壓盾構(gòu)施工時布設(shè)了分層沉降監(jiān)測和土體測斜監(jiān)測點，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到盾構(gòu)通過測點不同階段時的深層土體沉降和水平位移特征。李博等[12]通過對成都地鐵某區(qū)間盾構(gòu)施工地表監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到區(qū)間沉降寬度槽的取值范圍。方勇等[13]以具體工程為例，采用Flac3D軟件對土壓平衡盾構(gòu)開挖進(jìn)行模擬，考慮到盾構(gòu)機后面臺車的影響，得到地表沉降隨盾構(gòu)推進(jìn)的變化，地層埋深不同其縱向變化規(guī)律有差異。由上述可知，關(guān)于隧道開挖對地表的沉降研究較為豐富，但針對盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路對線路結(jié)構(gòu)影響的研究仍涉及較少。

文章以南通地鐵2號線工程南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)下穿寧啟鐵路南通東火車站站場為背景，結(jié)合現(xiàn)場沉降監(jiān)測，采用Midas三維有限元軟件對隧道盾構(gòu)穿越鐵路線進(jìn)行數(shù)值建模，研究了地基無加固措施及注漿加固措施下隧道盾構(gòu)施工對地面變形的影響。計算結(jié)果表明，地面注漿加固措施對控制鐵路線區(qū)域沉降效果較好，盾構(gòu)施工工程現(xiàn)場采用地面注漿加固措施后取得了良好效果。

2 工程概況

南通地鐵2號線位于江蘇南通市，南通東站站—先鋒鎮(zhèn)站區(qū)間自地鐵南通東站站向東，下穿國鐵南通東站站場，與鐵路線交角近似90°，穿越長度約為77m，穿越范圍內(nèi)鐵路建（構(gòu)）筑物有7股道（依次為H線、1線、2線、3線、4線、5線和6線）。地鐵隧道與既有鐵路線相對位置平面圖如圖1所示。鐵路線區(qū)域所在地層由上至下為鐵路路基、填土、粉土、粉砂夾砂質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)粉砂。地鐵區(qū)間隧道拱頂至鐵路路基坡腳垂直距離為9.5m，隧道穿越的地層為粉砂夾砂質(zhì)粉土及粉砂層，地鐵隧道與既有鐵路線相對位置剖面圖如圖2所示，地層中土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機施工，隧道外徑為6.2m，內(nèi)徑為5.5m，環(huán)寬1.2m，設(shè)計管片厚度為0.35m，其彈性模量為27.6GPa，泊松比為0.2，管片采用錯縫拼裝，兩區(qū)間隧道中心水平距離為15m。施工過程中，左線盾構(gòu)隧道先行通過鐵路線區(qū)域，圖1中箭頭為隧道盾構(gòu)施工掘進(jìn)方向。

圖1 地鐵隧道與既有鐵路線相對位置平面圖

圖2 地鐵隧道與既有鐵路線相對位置剖面圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模型

3.1 模型尺寸及邊界條件

采用Midas GTS巖土有限元軟件對盾構(gòu)隧道下穿鐵路線工程進(jìn)行模擬分析[14]，如圖3所示，模型尺寸（X×Y×Z）為118m×108m×40m。兩隧道均沿X軸負(fù)方向掘進(jìn)，左線隧道先行穿越鐵路車站，模型中隧道穿越的粉砂夾砂質(zhì)粉土及粉砂層簡化為粉砂層，隧道外徑至模型兩側(cè)邊界的距離大于5倍的隧道洞徑，隧道外徑至模型底部邊界距離為24.3m以避免邊界效應(yīng)。模型上部梯形結(jié)構(gòu)為鐵路路基，路基上部為軌枕，最上部為鐵路軌道。模型中土體均視為各向同性、均值的理想彈塑性體，隧道管片視為線彈性體，忽略巖土體的節(jié)理裂隙，不考慮地下水在開挖過程中的影響，以模型計算土體自重應(yīng)力，使巖土體在自重應(yīng)力的作用下達(dá)到平衡，再進(jìn)行盾構(gòu)開挖施工模擬。模型中隧道、鐵路線尺寸、巖土體厚度等參數(shù)均與工程概況介紹一致。

圖3 數(shù)值模擬模型及尺寸

地層均采用實體單元模擬，選用修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型；管片、鐵路路基和道床軌枕采用實體單元，彈性本構(gòu)模型，鐵軌采用梁單元，彈性本構(gòu)模型。模型各土層材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，路基及盾構(gòu)隧道管片材料參數(shù)如表2所示。

表2 路基與管片物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模型驗證

隧道盾構(gòu)開挖未進(jìn)入鐵路線時，工程現(xiàn)場對地表的沉降（如2O-O9）進(jìn)行了監(jiān)測，地面沉降監(jiān)測點沿股道方向設(shè)置監(jiān)測橫斷面，每條監(jiān)測橫斷面間距（如2O-1O）為5m，如圖4所示。在數(shù)值模型中選取現(xiàn)場監(jiān)測中相同位置監(jiān)測點，與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。對于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的預(yù)測，Peck模型（1969年）提出了地層損失的概念和估算方法。經(jīng)過大量工程實踐及修正完善，該方法成為估算盾構(gòu)正常施工引起地面沉降最常用的方法，具體公式如下：

圖4 地表沉降監(jiān)測布點

式中：Sx為從地面到盾構(gòu)中心處埋深為Z的斷面上，距離隧道中心線的沉降量；Vi為地層損失量；i為沉降槽寬度系數(shù)，是土層條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。

數(shù)值模擬、Peck公式及現(xiàn)場監(jiān)測沉降值對比如圖5所示。由圖5可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果、Peck公式預(yù)測以及實測沉降發(fā)展規(guī)律基本相符，驗證了數(shù)值模擬的可行性。由于數(shù)值模擬在同一水平考慮土層參數(shù)為同一值以及模擬的簡化，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在一定差異。參考《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運〔2006〕146號）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）[15]，寧啟鐵路新建鐵路設(shè)計時速為160km，確定該區(qū)間穿越國鐵軌道安全控制標(biāo)準(zhǔn)為軌面沉降值不超過10mm，軌道高差不超過6mm，隧道拱頂上方地表最大沉降量為9.5mm，地層損失率為0.5%，地面沉降逼近控制標(biāo)準(zhǔn)。鑒于鐵路設(shè)施的重要性，下穿施工需考慮采取對穿越范圍的土體進(jìn)行加固等措施，進(jìn)一步降低工程風(fēng)險。

圖5 數(shù)值模擬、Peck公式及現(xiàn)場監(jiān)測沉降值對比

4 基于地面注漿加固措施的軌道位移分析

鑒于在數(shù)值模擬的初步分析中，地面沉降值逼近控制標(biāo)準(zhǔn)，考慮到鐵路運營的安全性問題，借鑒相關(guān)文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗，對控制路段地基采取地基加固措施，可在一定程度上提升地基強度，控制地面沉降。根據(jù)秦愛芳等[16]對上海等軟土地區(qū)基坑工程注漿加固工程的研究，加固區(qū)土體彈性模量取原土體彈性模量的2倍，黏聚力與內(nèi)摩擦角值不變，再次建立與3.1節(jié)中相同隧道，加固區(qū)隧道土體彈性模量變?yōu)樵瓉硗馏w的2倍。在此基礎(chǔ)上使用數(shù)值模擬手段分析盾構(gòu)隧道穿越鐵路線時軌道沉降、水平位移。數(shù)值模型中的其他參數(shù)選取均與上節(jié)模型相同。左線隧道穿越鐵路各軌道的沉降曲線與水平位移曲線如圖6、圖7所示。

圖6 軌道沉降云圖

圖7 軌道水平位移云圖

可以看出，加固后的鐵路軌道最大沉降出現(xiàn)在左線隧道拱頂上方，線路3、4、5、6處為5.79mm。6條軌道線路中線路H沉降最小，可能原因是線路H靠近地鐵車站端頭加固區(qū)，地層性質(zhì)較好；軌道水平位移整體控制在3mm以下，同一軌線間兩條軌道水平高度相差不大，差值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)控制值所規(guī)定的6mm。加固后的土體及軌道在左線盾構(gòu)隧道穿越影響下沉降及水平位移值大幅降低，小于控制標(biāo)準(zhǔn)，表明加固后較加固前沉降變形控制效果更好，地面注漿加固方案能較好地保證鐵路的正常運營。

5 現(xiàn)場地面注漿加固及監(jiān)測

基于地面注漿加固方案下數(shù)值模擬的初步分析可知，實施加固措施后，沉降及水平位移得到控制?；诖?，現(xiàn)場采用了袖閥管注漿加固技術(shù)對鐵路路基下方土體進(jìn)行加固，加固范圍為鐵路路基坡腳外1m，加固深度為鐵路路基頂面下5m至地鐵隧道結(jié)構(gòu)下3m。H線、6線通過路基外側(cè)斜管對路基下地層進(jìn)行加固，加固期間對H線進(jìn)行降速運營；中間的1線、2線、3線、4線、5線以兩側(cè)的1線、5線為施工場，加固前拆除加固范圍1線、5線軌道及道床，在加固期間對運營中的2線、3線、4線采取降速運營。加固過程中加固壓力為0.3～0.5MPa，鄰近地面附近注漿時壓力小于0.2MPa，以防止地面隆起。注漿加固完成后測得加固土體28d無側(cè)限抗壓強度為0.8MPa。盾構(gòu)隧道穿越施工共進(jìn)行12d，現(xiàn)場實施2h/次不間斷沉降監(jiān)測，監(jiān)測儀器為Leica TM50全站儀，標(biāo)稱精度為±0.5″，儀器精度滿足監(jiān)測要求。盾構(gòu)隧道穿越鐵路線后各監(jiān)測面累積沉降如圖8所示。

圖8 注漿加固后隧道穿越鐵路線地表沉降監(jiān)測值

從圖8中可以看出，靠近H線的監(jiān)測點斷面2A-A9累積沉降值為所有監(jiān)測斷面最小，為2.4mm；靠近6號線的監(jiān)測斷面2F-F9累積沉降最大，為4.8mm。各條鐵路線累積沉降值變化規(guī)律與加固后數(shù)值模擬計算結(jié)果相似，沉降值由H線向6線逐漸加大，但最大沉降量仍遠(yuǎn)小于沉降標(biāo)準(zhǔn)控制值10mm，地表注漿加固后，鐵路線沉降得到控制。由于注漿加固后，土層彈性模量增大，其承受變形的能力隨之增加，地表最大沉降值逐漸減小，因此在注漿加固過程中保證注漿質(zhì)量十分重要。

6 結(jié)論

為保證盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有鐵路的安全運營，文章采用Midas-GTS對隧道盾構(gòu)下穿施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)論與建議如下：

（1）隧道盾構(gòu)開挖對地層土體的擾動符合隧道開挖的基本規(guī)律，地層的沉降也符合相應(yīng)沉降形成機理與沉降特征。

（2）當(dāng)對穿越區(qū)域內(nèi)的土體進(jìn)行加固處理后，同時采取盾構(gòu)施工對洞內(nèi)深孔注漿以及盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)等方面加以控制。經(jīng)計算，地鐵雙線盾構(gòu)隧道施工后，鐵路6線軌道豎向沉降值最大，約為4.8mm，鐵路H線軌道水平位移最大，約為2.81mm，小于不加固工況的9.5mm和4.63mm，并小于既定的控制標(biāo)準(zhǔn)，表明加固后較加固前沉降變形控制效果更好。對地層采取預(yù)加固措施可有效減緩隧道施工過程中地層擾動對既有結(jié)構(gòu)的影響，對減小軌道變形、保證既有線路的運營安全具有重要意義。

（3）鑒于鐵路線路在地鐵區(qū)間隧道穿越施工前已經(jīng)存在一定程度的沉降，因此應(yīng)加強線路養(yǎng)護(hù)，為保證施工期列車運營安全，建議在穿越施工期間對列車進(jìn)行適當(dāng)限速。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)時須加強施工控制及監(jiān)測，控制好推進(jìn)速度、土倉壓力以及出土量等施工參數(shù)，盡量減小對地層的擾動，加強同步注漿，及時進(jìn)行二次注漿。

（5）考慮該穿越段區(qū)間隧道位于砂質(zhì)粉土層，應(yīng)加強盾構(gòu)機設(shè)備配置與渣土改良，防止砂性土發(fā)生噴涌。穿越段應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，及時進(jìn)行糾偏，以減小超挖引起的沉降。通過在穿越段區(qū)間隧道管片增設(shè)注漿孔，以加強二次補充注漿效果。加強監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況及時對隧道周邊的土體進(jìn)行注漿以控制沉降進(jìn)一步加大