京雄城際鐵路已鋪軌段隧道回填影響分析及沉降控制措施

孫一鳴

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308

在明挖高速鐵路隧道施工過程中，土方回填應(yīng)在鋪軌之前完成，并應(yīng)有一定的沉降觀測(cè)期，待沉降穩(wěn)定后方可鋪設(shè)無砟軌道。一般情況下無砟軌道鋪設(shè)后禁止在隧道上方進(jìn)行大規(guī)模的填、挖工程，否則上方土體的回填會(huì)導(dǎo)致隧道沉降，從而使無砟軌道產(chǎn)生較大變形，危及行車安全。

針對(duì)明挖工程回填對(duì)結(jié)構(gòu)及地基產(chǎn)生的影響已有較多研究。周廣平［1］通過理論計(jì)算分析了高速鐵路明挖隧道的基底沉降變形，并通過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得出高速鐵路明挖隧道一般建成6個(gè)月后沉降趨于穩(wěn)定。在實(shí)際工程中采用預(yù)加固措施可較好地解決明洞基底承載力不足及沉降問題［2-4］。林秀桂等［5］對(duì)大范圍高回填土下明挖隧道的不均勻設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析，得出隔離樁的施工處理方法。李盛等［6-7］通過理論分析與室內(nèi)模型試驗(yàn)，證明了明洞頂土體回填時(shí)添加聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）板與土工格柵會(huì)在結(jié)構(gòu)頂產(chǎn)生土拱效應(yīng)，對(duì)明洞填土有減載作用。付賢倫、周濟(jì)龍等［8-9］通過有限元計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明了隨著填土高度增加，沉降顯著增加。郝適礱［10］通過有限元分析，證明采用輕質(zhì)EPS板進(jìn)行拱頂回填后，結(jié)構(gòu)位移及受力均明顯減小，且輕質(zhì)材料使用越多效果越明顯。EPS作為輕質(zhì)路堤填料［11-12］在工程中有較廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)和使用優(yōu)勢(shì)。

目前采取的措施都是根據(jù)對(duì)可能產(chǎn)生沉降的基底進(jìn)行預(yù)加固或是通過鋪軌前的沉降觀測(cè)期來解決沉降問題，部分高填方路基采用EPS輕質(zhì)材料進(jìn)行回填。但是對(duì)高速鐵路明挖隧道無砟軌道鋪設(shè)之后再進(jìn)行覆土回填的研究案例國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道。本文以京雄城際鐵路大興機(jī)場(chǎng)隧道鋪板馬道段主體結(jié)構(gòu)回填為工程背景，通過建立三維有限元模型對(duì)不同回填狀態(tài)下的隧道沉降進(jìn)行計(jì)算與分析，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證回填措施的合理性，為今后類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道

京雄城際鐵路大興機(jī)場(chǎng)隧道穿越北京市大興區(qū)、河北省廊坊市廣陽區(qū)、固安縣，全長(zhǎng)10 588.651 m，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，為國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的高速鐵路明挖隧道。隧道橫斷面如圖1所示。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：mm）

1.2 馬道

為保障京雄城際鐵路機(jī)場(chǎng)隧道無砟軌道板鋪設(shè)工程按期完成，根據(jù)施工組織要求，在隧道設(shè)置軌道板施工馬道。馬道最深處開挖約21.8 m，自隧道襯砌開口處，與隧道結(jié)構(gòu)垂直設(shè)置長(zhǎng)9 m的直線段，之后經(jīng)過90°曲線連接到與隧道走向平行的直線段，整個(gè)馬道以3%+11%的坡度逐漸爬升至整平地面。待隧道段鋪軌完成后對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵，施工完成后對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行覆土回填。這就導(dǎo)致馬道段落范圍內(nèi)的隧道回填工程須在鋪軌完成后進(jìn)行。

在回填施工過程中，由于隧道頂部的加載改變了地基的受力狀態(tài)，會(huì)引起隧道變形，影響已鋪設(shè)的無砟軌道，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致本段軌道重新鋪設(shè)，影響全線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試時(shí)間，造成京雄城際鐵路不能按期開通。因此，必須采取有效的工程措施來避免此類問題的發(fā)生。馬道與正線平面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 馬道與正線平面位置關(guān)系示意

1.3 地質(zhì)條件

馬道工程主要處于第四系上更新統(tǒng)地層中，由上至下主要有粉土、粉質(zhì)黏土①、粉砂、粉質(zhì)黏土②、黏土等。在鉆孔控制的深度范圍內(nèi)見有地下水，類型為層間無壓水，水位埋深約在地面以下7 m，土層參數(shù)見表1。

表1 土層物理性質(zhì)參數(shù)

2 模型建立

為評(píng)估馬道土方回填對(duì)隧道沉降、水平位移的影響，對(duì)機(jī)場(chǎng)隧道馬道回填的實(shí)際工況進(jìn)行數(shù)值模擬。利用MIDAS-GTS建立整體三維模型，包括隧道基坑、隧道主體結(jié)構(gòu)、馬道基坑，如圖3所示。模型中放坡高度、坡率、平臺(tái)寬度及相關(guān)結(jié)構(gòu)位置關(guān)系根據(jù)實(shí)際施工圖紙建立。土體本構(gòu)關(guān)系采用修正摩爾庫(kù)侖模型，結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隧道襯砌、土體均采用3D單元模擬?；炷两Y(jié)構(gòu)重度均為25 kN/m3。考慮到實(shí)際工況和邊界影響效應(yīng)，計(jì)算模型尺寸為300 m（長(zhǎng)）×150 m（寬）×70 m（高）。模型上部為自由面，底部設(shè)置全約束，側(cè)面設(shè)置水平向約束，在產(chǎn)生初始應(yīng)力場(chǎng)后將整體模型進(jìn)行位移清零。

圖3 三維仿真模型

為準(zhǔn)確模擬回填對(duì)隧道的影響，回填模型的建立與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施回填工序一致。模型采用動(dòng)態(tài)模擬施工過程的計(jì)算方法，回填共分五步（圖4）：①回填馬道內(nèi)側(cè)至高程3.5 m；②回填馬道至高程6.0 m；③回填馬道及主體結(jié)構(gòu)至高程11.3 m；④回填馬道及主體結(jié)構(gòu)至高程17.3 m；⑤回填剩余部位至地面高程22.3 m。

圖4 回填工況示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 原狀土回填隧道結(jié)構(gòu)沉降

根據(jù)數(shù)值模擬分析，土體回填導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向位移。隨著回填高程增加，結(jié)構(gòu)的沉降逐漸增大，上部土方回填的各工況使得隧道產(chǎn)生的沉降分別為0.30、0.76、3.26、8.33、19.9 mm。沉降曲線見圖5。

圖5 回填過程中隧道沉降曲線

隧道結(jié)構(gòu)頂部的覆土回填對(duì)結(jié)構(gòu)的整體沉降產(chǎn)生了較大的影響，結(jié)構(gòu)沉降最大值發(fā)生在最后一步土體回填至現(xiàn)狀地面，回填引起結(jié)構(gòu)底板處最大沉降19.9 mm。隧道結(jié)構(gòu)沉降見圖6。

圖6 原狀土回填引起的隧道結(jié)構(gòu)最大沉降

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果（圖7），相對(duì)于頂部回填土引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向沉降，側(cè)面馬道回填引起的隧道底板處最大水平位移為0.2 mm。這表明馬道范圍內(nèi)回填對(duì)隧道變形的影響很小，可忽略不計(jì)，隧道產(chǎn)生的沉降主要來源于頂部覆土的回填。

圖7 原狀土回填引起的隧道結(jié)構(gòu)底板處最大水平位移

3.2 采用原狀土+XPS輕質(zhì)材料分層回填

由上述分析可知，隧道上方采用原狀土回填會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向位移，而馬道范圍內(nèi)的側(cè)面回填對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移影響較小。為控制結(jié)構(gòu)豎向位移，先回填黏土，之后隧道頂部采用原狀土結(jié)合輕質(zhì)材料分層回填的方案。輕質(zhì)回填材料采用擠塑聚苯乙烯（XPS，Extruded Polystyrene）泡沫塑料，其抗壓強(qiáng)度不小于200 kPa，如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)回填用XPS板

回填方案：拱頂上方1.5 m范圍夯填黏土→拱頂正上方范圍交替回填XPS材料和夯填原狀土至冠梁頂標(biāo)高（高度5.59 m，其中XPS材料高度3.00 m，夯填原狀土2.59 m）→冠梁頂面上方范圍交替回填XPS輕質(zhì)材料和夯填原狀土至設(shè)計(jì)回填頂面標(biāo)高下2 m（高度3 m，其中XPS材料高度2 m，夯填原狀土1 m）→設(shè)計(jì)回填標(biāo)高頂面下2 m范圍夯填原狀土，見圖9。

圖9 交替回填原狀土與XPS輕質(zhì)材料示意

XPS板鋪筑時(shí)，禁止重型機(jī)械直接在XPS板上行駛。板與板要錯(cuò)縫設(shè)置，搭接寬度大于等于0.5 m。塊體間產(chǎn)生高低差采用無收縮水泥砂漿調(diào)平。XPS板與基坑邊空隙采用無收縮水泥砂漿填塞。

經(jīng)數(shù)值模擬，采用原狀土+XPS輕質(zhì)材料分層回填引起隧道結(jié)構(gòu)底板的沉降顯著減小，為12.8 mm，見圖10。

圖10 原狀土+XPS輕質(zhì)材料回填引起的隧道結(jié)構(gòu)最大沉降

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)設(shè)計(jì)回填要求，對(duì)馬道及隧道正線進(jìn)行回填施工，于2020年6月25日開始回填，8月10日完成回填，后經(jīng)20 d的沉降觀測(cè)，沉降趨于平穩(wěn)，達(dá)到聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件。回填過程中分別采集了正洞左右線位置的沉降道床的沉降數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自鄰近馬道位置的三個(gè)采集點(diǎn)。道床實(shí)測(cè)累計(jì)沉降曲線見圖11。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)累計(jì)沉降曲線

根據(jù)圖11及其數(shù)據(jù)擬合情況可知，隧道產(chǎn)生的沉降基本與上方回填土的回填量成正比，隨著回填時(shí)間的增加及回填土的增加，沉降逐漸加大，沉降-回填時(shí)間曲線可以認(rèn)為是斜率一定且單調(diào)遞減的直線，從而可以看出結(jié)構(gòu)地基土處于彈性狀態(tài)，與上部回填土重量是線性相關(guān)的。其中回填引起的最大沉降約為12.4 mm，這與數(shù)值模擬中12.8 mm的最大沉降基本相同。

此外，在隧道回填碾壓的過程中輕質(zhì)材料并未隨上部覆土荷載的增加產(chǎn)生較大的變形，未影響上部覆土的填筑。隧道回填至地面后，在隧道基底沉降穩(wěn)定后，地面也未產(chǎn)生較大的沉降。這證明XPS材料具有足夠的剛度，滿足夾土層的壓實(shí)，回填后不影響地面承載能力。

5 沉降控制效果

本工程是國(guó)內(nèi)首次在高速鐵路隧道無砟軌道已經(jīng)鋪設(shè)完成的條件下，采用原狀土+XPS輕質(zhì)材料組合方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)回填，且隧道頂部回填高度達(dá)11 m。本段無砟軌道扣件軌高調(diào)節(jié)值為-4～26 mm，調(diào)節(jié)量主要用于軌道精調(diào)，以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)期間時(shí)的調(diào)整使用。一般情況下精調(diào)后扣件已調(diào)整用量不應(yīng)大于總調(diào)整量的50%，此次回填后軌道上調(diào)12.4 mm，滿足總調(diào)整量50%（13 mm）的要求，滿足交付驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。目前京雄城際已經(jīng)運(yùn)營(yíng)，該段落行車條件良好。實(shí)踐證實(shí)采用此方法進(jìn)行隧道回填，可以有效地控制無砟軌道的沉降，滿足了無砟軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，未對(duì)已鋪設(shè)的無砟軌道產(chǎn)生不良影響。本工程的成功實(shí)施可為以后同類項(xiàng)目提供依據(jù)。

6 結(jié)論

1）隧道回填過程中引起的結(jié)構(gòu)位移主要來源于隧頂回填產(chǎn)生的沉降，側(cè)面馬道回填對(duì)結(jié)構(gòu)水平位移影響極小。

2）隧底土基本處于彈性狀態(tài)，隧道沉降與土的回填量呈線性關(guān)系。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回填后的軌道沉降與計(jì)算評(píng)估結(jié)果基本一致。

4）XPS材料具有足夠的剛度，可以滿足夾土層的壓實(shí)，回填后不影響地面承載能力。

5）在高速鐵路隧道無砟軌道已經(jīng)鋪設(shè)完成的條件下，采用原狀土+XPS輕質(zhì)材料組合方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)回填產(chǎn)生的沉降滿足無砟軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)已鋪設(shè)的無砟軌道未產(chǎn)生不良影響，運(yùn)營(yíng)后該段落行車條件良好。