盾構(gòu)下穿高鐵路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及控制措施分析

白陽(yáng)陽(yáng)

（1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043；2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710043）

1 研究背景

近年來(lái)，城市軌道交通與高鐵融合發(fā)展已成為交通導(dǎo)向，為實(shí)現(xiàn)地鐵與高鐵無(wú)縫銜接，各地區(qū)高鐵、地鐵已陸續(xù)形成了戰(zhàn)略協(xié)作，作為國(guó)家名片的高鐵，其安全至關(guān)重要。咸陽(yáng)高鐵站西側(cè)的盾構(gòu)下穿徐蘭高鐵段位于西安地鐵1 號(hào)線三期秦都站—寶泉路區(qū)間，秦都站—寶泉路區(qū)間為1 號(hào)線三期全線重大、控制性工程。無(wú)砟軌道的變形很容易影響到高鐵的正常運(yùn)營(yíng)，因此該下穿高鐵路基段工程難度較大。根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[1]中有關(guān)說(shuō)明，該規(guī)程僅適用于下穿高鐵橋梁段、下穿高速鐵路路基和隧道工程，缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及研究成果，需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。由于調(diào)研隧道下穿高鐵路基無(wú)砟軌道案例僅有一例[2]；下穿無(wú)砟軌道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與控制技術(shù)目前還不成熟，施工風(fēng)險(xiǎn)及難度非常大。

本文參考規(guī)范、類(lèi)似工程案例，結(jié)合穿越段徐蘭高鐵現(xiàn)狀，確定了高鐵路基控制指標(biāo)(包含總沉降量、沉降速率及軌道幾何尺寸偏差管理值)，通過(guò)多方案綜合比選，確定了可靠的工程方案，并提出了相關(guān)施工措施確保高鐵安全運(yùn)營(yíng)，研究成果可以為今后類(lèi)似盾構(gòu)下穿工程提供參考。

2 工程概況

2.1 穿越段地鐵區(qū)間概況

新建西安地鐵1 號(hào)線三期工程秦都站—寶泉路區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，管片內(nèi)外徑分別為5.4、6 m。區(qū)間采用兩臺(tái)加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)從寶泉路站始發(fā)，以87°夾角由南向北依次穿越咸陽(yáng)西貨場(chǎng)、隴海鐵路以及徐蘭高鐵(4 股道無(wú)砟軌道)路基段，區(qū)間單線長(zhǎng)約673 m。徐蘭高鐵路基與地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)下穿隧道平面關(guān)系如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)隧道與高鐵路基段平面位置關(guān)系 Figure 1 plane position relationship between shield tunnel and high-speed railway foundation section

2.2 穿越段徐蘭高鐵概況

穿越段徐蘭高鐵位于咸陽(yáng)秦都站站房西側(cè)約223 m處，徐蘭客運(yùn)專(zhuān)線與隴海鐵路公用咸陽(yáng)秦都站，高鐵站設(shè)2 臺(tái)4 線，站臺(tái)均采用1.25 m 高旅客站臺(tái)，站臺(tái)寬度均為12 m，其中有2 條正線，2 條到發(fā)線，4 條線路均采用了SK-2 型雙塊式無(wú)砟軌道，正線設(shè)計(jì)速度和實(shí)際通過(guò)速度分別為350 km/h 和250 km/h；高鐵道床板采用C40 鋼筋混凝土，寬度和厚度分別2.8、0.26 m，路基采用水泥粉煤灰碎石樁(cement fly-ash grave，CFG 樁)處理，樁間距為1.8 m，樁徑和樁長(zhǎng)分別0.4 m、13 m，如圖2 所示。

圖2 下穿段徐蘭高鐵CFG 樁剖面 Figure 2 CFG pile section of the Xulan high-speed railway under the crossing section

2.3 穿越段地質(zhì)概況

工程位于渭河沖積平原中部，地貌屬于渭河北岸二級(jí)階地，場(chǎng)地地形平坦，起伏較小，地面高程區(qū)間為395.2～398.8 m，地面高差區(qū)間為0.5～1 m。地下水賦存于第四系砂土層中，地下水位埋深區(qū)間為12.60～16.40 m，水位高程區(qū)間為379.50～383.10 m。

地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)填土，上更新統(tǒng)風(fēng)積新黃土，殘積古土壤層，沖積粉質(zhì)黏土、砂土等。

3 鐵路變形沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 盾構(gòu)隧道下穿鐵路的控制指標(biāo)

鐵路變形控制指標(biāo)體系主要包括：道床、軌道以及道床-軌道這3 個(gè)控制部位。在研究道床變形控制時(shí)，主要考慮對(duì)沉降變形總量、沉降速率及不均勻沉降的控制；在研究軌道變形控制時(shí)，主要考慮的是對(duì)軌道的軌向、高低、水平、扭曲偏差等的控制；在研究道床-軌道變形控制時(shí)，主要考慮道床與軌道的剝離控制值。

研究盾構(gòu)下穿對(duì)高鐵路基軌道的變形影響，需同時(shí)結(jié)合道床及軌道的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮。另外，道床與軌道結(jié)構(gòu)剝離的控制標(biāo)準(zhǔn)缺乏，在工程實(shí)踐中通常采用地質(zhì)雷達(dá)或靜力平衡儀試驗(yàn)的方法進(jìn)行無(wú)損監(jiān)測(cè)。

3.1.1 道床變形控制

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GBJ50911- 2013)[3]、《西安城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(DBJ61-98-2015)[4]整體道床既有鐵路路基沉降值應(yīng)控制在10～20 mm 之間，如表1 所示?！惰F路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2016)[5]中提到為滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、線路平順以及扣件能夠調(diào)整的要求，避免發(fā)生威脅高鐵列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全或出現(xiàn)線路損壞導(dǎo)致軌道變位的情況。對(duì)于無(wú)砟軌道路基產(chǎn)生的工后沉降，需控制在15 mm 內(nèi)。

表1 既有鐵路路基沉降控制值 Table 1 Settlement control value of an existing railway subgrade

3.1.2 線路軌道變形控制

鐵路道床的變形，會(huì)引起軌道的變形。軌道變形偏差值主要來(lái)自于兩股鋼軌頂面間的水平相對(duì)差以及沿線路方向的豎向前后高差。當(dāng)水平相對(duì)差超過(guò)允許值時(shí)，會(huì)引起車(chē)輛搖晃，使兩股鋼軌受力不均，造成鋼軌磨損不均。前后高差值超過(guò)允許值，會(huì)對(duì)列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)造成極大的安全隱患。

《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》[6]，對(duì)高速鐵路的線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值，以及線路軌道動(dòng)態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值都做出了相關(guān)規(guī)定。

3.2 既有工程變形情況統(tǒng)計(jì)

隧道盾構(gòu)下穿既有高鐵線路時(shí)，引起的變形控制值與眾多因素有關(guān)，例如：線路等級(jí)、路基形態(tài)、扣件類(lèi)型、列車(chē)運(yùn)行速度等。為了更好地結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基案例進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)[7]，選擇軌面沉降標(biāo)準(zhǔn)控制值、軌道高低差及相鄰軌道水平差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3 所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)典型下穿工程中，鐵路路基的軌面沉降控制值一般在10 mm 以?xún)?nèi)，軌道的高低差及相鄰軌道水平差控制值一般在4～8 mm 之間，相鄰軌道水平差控制值數(shù)據(jù)較少，一般在4～6 mm 之間。

圖3 已有工程實(shí)踐的沉降控制建議值 Figure 3 Recommended settlement control values of existing engineering practice

3.3 變形控制值確定

徐蘭高鐵自2013 年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，共進(jìn)行了3 次測(cè)量，2014 年第1 次、2015 年第2 次的測(cè)量結(jié)果表明：擬下穿段軌道未發(fā)生沉降，2018 年第3 次測(cè)量結(jié)果表明：該段軌道主要表現(xiàn)為隆起，觀測(cè)出的最大隆起和最大沉降值分別為1.4 mm、1.3 mm。

徐蘭高鐵施工誤差為-4～+6 mm，為保證高鐵安全運(yùn)行，為列車(chē)運(yùn)行預(yù)留5 mm 調(diào)整余量，采用的扣件系統(tǒng)調(diào)高量為-4 mm～+26 mm。

綜合高鐵路基工后沉降不宜超過(guò)15 mm，目前最大沉降值1.3 mm，扣件剩余可調(diào)量在12 mm 以上，并結(jié)合既有工程案例，參考現(xiàn)行規(guī)范，確定高鐵路基總沉降量控制指標(biāo)為12 mm，變化速率1.5 mm/d。

針對(duì)規(guī)范對(duì)軌道的要求主要是平順度，盾構(gòu)下穿對(duì)高鐵路基的主要影響是產(chǎn)生沉降，根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》、《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》確定軌道應(yīng)滿(mǎn)足上述規(guī)范經(jīng)常保養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值 Table 2 Allowable deviation management value of a static geometric dimension of a line track

續(xù)表

4 盾構(gòu)下穿高鐵路基方案

4.1 既有工程案例分析

總結(jié)以往工程的項(xiàng)目概況、工程地質(zhì)概況、線路條件、工程措施，見(jiàn)表3。借鑒已有研究成果，結(jié)合工程實(shí)際及既有高鐵路基現(xiàn)狀，針對(duì)西安地鐵1 號(hào)線三期隧道下穿徐蘭高鐵無(wú)砟軌道路基提出4 種設(shè)計(jì)方案。

表3 類(lèi)似工程案例 Table 3 Similar engineering cases

4.2 盾構(gòu)下穿高鐵路基方案

為進(jìn)一步降低對(duì)高鐵影響，通過(guò)對(duì)盾構(gòu)下穿高鐵路基切割CFG 樁、避開(kāi)CFG 樁、避開(kāi)CFG 樁且采用豎井內(nèi)水平加固以及避開(kāi)CFG 樁且采用地面袖閥管注漿加固4 種方案比選，最終選定盾構(gòu)下穿高鐵路基避開(kāi)CFG 樁且采用地面袖閥管注漿的加固方案。

選定方案的優(yōu)點(diǎn)是：盾構(gòu)區(qū)間無(wú)需切割高鐵CFG樁，對(duì)高鐵的變形控制較好。盾構(gòu)通過(guò)后可采取洞內(nèi)徑向注漿等加固措施，有利于控制土體變形。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)上方砂層進(jìn)行預(yù)注漿加固后盾構(gòu)穿越，在盾構(gòu)施工過(guò)程中可利用袖閥管多次注漿的特點(diǎn)進(jìn)行跟蹤注漿，確保高鐵的安全。該方案缺點(diǎn)是：需破除高鐵股道間的封閉層進(jìn)行注漿施工。從地鐵工程成本、對(duì)高鐵路基影響及規(guī)范符合性等方面綜合考量，此方案能最大限度保證施工安全。

4.2.1 盾構(gòu)控制措施

4.2.1.1 盾構(gòu)參數(shù)控制

一是盾構(gòu)施工需嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)掘進(jìn)效果優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。掘進(jìn)參數(shù)主要包括土倉(cāng)壓力、排土量和推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂總推力、注漿壓力、注漿量、注漿方式、漿體性能、盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝等。

二是同步注漿和二次注漿：為減小對(duì)鐵路影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)中，需盡快在盾構(gòu)脫出后的管片背后空隙中沖填足量的漿液，漿液采用以粉煤灰、砂及膨潤(rùn)土為主的惰性漿液，注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa 之間，同時(shí)需根據(jù)地質(zhì)條件及試驗(yàn)段確定漿液配比、注漿壓力、注漿量及注漿時(shí)機(jī)。二次或多次注漿可彌補(bǔ)同步注漿的不足，使管片、注漿材料和圍巖形成整體，改善隧道結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)，提高隧道止水效果。采用水泥水玻璃雙液漿，可確保安全下穿高鐵段。

根據(jù)本工程實(shí)際情況，盾構(gòu)主要參數(shù)建議值如表4所示，施工前需根據(jù)試驗(yàn)段進(jìn)一步確定。

4.2.1.2 刀盤(pán)配置

采用適宜的刀盤(pán)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)開(kāi)口率控制在50%～70%之間，防止刀盤(pán)中心結(jié)成泥餅，有效防護(hù)掘進(jìn)中粉質(zhì)黏土及砂層對(duì)刀盤(pán)、刀具的磨損和沖擊，同時(shí)采用耐磨刀盤(pán)及刀具，刀盤(pán)面板、外周焊加復(fù)合耐磨板，刀盤(pán)邊緣過(guò)渡區(qū)、刀盤(pán)進(jìn)渣口、刀盤(pán)背部以及刀盤(pán)支腿邊角過(guò)渡區(qū)加焊高密度耐磨網(wǎng)格，提高刀盤(pán)整體的耐磨性能。刀具采用硬質(zhì)合金刀，提高刀具耐久性。

表4 主要掘進(jìn)參數(shù)建議值 Table 4 Recommended values of the main driving parameters

4.2.2 加固方案

加固具體措施如下：盾構(gòu)下穿高鐵施工前，在徐蘭高鐵、隴海鐵路路基下埋設(shè)注漿管(需避開(kāi)高鐵管線等附屬設(shè)施)，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固，同時(shí)兼做跟蹤注漿；注漿先進(jìn)行袖閥管工藝試驗(yàn)，在獲取實(shí)際注漿參數(shù)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后，先進(jìn)行隴海鐵路袖閥管注漿施工，然后再進(jìn)行徐蘭高鐵路基下袖閥管注漿施工。地面袖閥管注漿加固高鐵路基后，盾構(gòu)穿越方案剖面如圖4 所示。

圖4 盾構(gòu)下穿高鐵路基避開(kāi)CFG 樁且采用地面 袖閥管注漿加固方案 Figure 4 The scheme of avoiding CFG piles and grouting reinforcement with a sleeve valve pipe on the ground for the shield tunnel crossing the high-speed railway foundation from below

盾構(gòu)下穿隴海鐵路、徐蘭高鐵施工前，在高鐵路基下埋設(shè)注漿管，采用?70 單向袖閥管，注漿孔的間距為1.8 m×1.8 m 梅花形布置對(duì)地層進(jìn)行預(yù)加固。具體注漿要求如下：

1) 注漿壓力建議為0.5～1.5 MPa，注漿壓力從0.5 MPa 逐步提高，達(dá)到終壓1.5 MPa，并持續(xù)注漿10 min 以上。漿液采用水泥—水玻璃雙液漿，水灰比為0.8∶1～1∶1，漿液中應(yīng)摻加速凝劑和補(bǔ)償收縮的膨脹劑，相關(guān)漿液參數(shù)及注漿壓力應(yīng)在施工前根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)一步確定。

2) 注漿孔擴(kuò)散半徑1 m。

3) 鉆孔和注漿順序先外圍，后內(nèi)部，從外圍進(jìn)行圍、堵、截，內(nèi)部進(jìn)行填、壓，同一排間隔施工。

4) 鉆進(jìn)過(guò)程中遇涌水或因巖層破碎造成卡鉆時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿掃孔后再行鉆進(jìn)。

5) 注漿效果檢查：注漿完成后，在各加固范圍內(nèi)打設(shè)檢查孔，檢測(cè)注漿效果，加固后地層應(yīng)具有良好的均勻性和整體性。

6) 注漿檢查孔在注漿效果檢查完成后，應(yīng)及時(shí)采用C15 混凝土進(jìn)行全孔封堵。

7) 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上。

根據(jù)試驗(yàn)方案針對(duì)袖閥管工法的漿液類(lèi)型、注漿壓力等具體參數(shù)結(jié)合實(shí)際地層進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)加固體強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。在獲取實(shí)際注漿參數(shù)并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行隴海鐵路袖閥管注漿施工，最后進(jìn)行徐蘭高鐵路基下袖閥管注漿施工。

4.2.3 其他配套控制措施

4.2.3.1 加強(qiáng)盾構(gòu)控制

在盾構(gòu)施工之前，需要對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行檢修，使盾構(gòu)機(jī)達(dá)到最佳的狀態(tài)，并調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，保證盾構(gòu)勻速、連續(xù)不停機(jī)穿越；由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入克泥效[12]，及時(shí)填充盾體和開(kāi)挖土體間的空隙，并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)調(diào)整注入量和注漿壓力。

4.2.3.2 洞內(nèi)徑向注漿措施

下穿徐蘭高鐵段采用特殊管片增設(shè)注漿孔，盾構(gòu)通過(guò)后，及時(shí)對(duì)地層進(jìn)行徑向注漿，管片增設(shè)注漿孔，采用管片背后環(huán)箍注漿，在盾構(gòu)通過(guò)后對(duì)地層進(jìn)行加固：3 m 圓形范圍進(jìn)行注漿，讓砂層內(nèi)形成 “保護(hù)拱”。同時(shí)，提高管片強(qiáng)度，并將管片注漿點(diǎn)由常規(guī)的6 個(gè)增加至16 個(gè)，同步加入1∶1 水玻璃—水泥雙漿液，縮短注漿凝結(jié)時(shí)間。

4.2.3.3 設(shè)置盾構(gòu)試驗(yàn)段

盾構(gòu)下穿高鐵施工前設(shè)置兩段試驗(yàn)段，一是盾構(gòu)下穿隴海鐵路前120 m 設(shè)置試驗(yàn)段，通過(guò)試掘進(jìn)總結(jié)優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)；二是盾構(gòu)下穿隴海鐵路作為下穿高鐵第二試驗(yàn)段，進(jìn)一步優(yōu)化盾構(gòu)參數(shù)。

4.2.3.4 采取自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)措施

采用精細(xì)化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償、即時(shí)預(yù)警等多種功能的盾構(gòu)隧道施工變形控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)警、動(dòng)態(tài)響應(yīng)”。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋的數(shù)據(jù)，迅速反應(yīng)，隨時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

4.2.3.5 高鐵限速措施

為確保高速鐵路安全，在盾構(gòu)隧道施工時(shí)對(duì)既有高速鐵路運(yùn)行速度進(jìn)行限制，限制最高時(shí)速為80 km/h，綜合考慮地鐵施工影響范圍、移動(dòng)信號(hào)設(shè)備安放距離及列車(chē)長(zhǎng)度等因素，暫定限速范圍600 m。

4.2.3.6 成立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮部

建議由市政府牽頭，軌道公司、鐵路局以及相關(guān)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、第三方監(jiān)測(cè)等單位聯(lián)合，形成鐵路與地鐵應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制，成立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮部，設(shè)日常辦事機(jī)構(gòu)，在工程實(shí)施階段駐點(diǎn)監(jiān)控，每日召開(kāi)協(xié)調(diào)會(huì)和總結(jié)會(huì)，及時(shí)協(xié)調(diào)處理相關(guān)事宜。

4.3 方案效果

為研究盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基的實(shí)施效果，利用有限元軟件建立三維模型，土體、道床等采用實(shí)體單元模擬，樁基礎(chǔ)采用樁單元模擬。設(shè)置好計(jì)算工況后，模擬盾構(gòu)隧道避開(kāi)CFG 樁，從其底部3.235 m 處下穿高鐵的全過(guò)程，隧道埋深約18.415 m，隧道拱距離CFG樁底3.235 m。在模擬盾構(gòu)下穿時(shí)采用自動(dòng)約束邊界，模擬車(chē)輛荷載。計(jì)算特征值時(shí)采用彈性邊界；計(jì)算變形時(shí)采用黏性變形。計(jì)算荷載主要考慮土體豎向自重、道床自重、車(chē)輛荷載。計(jì)算工況根據(jù)施工工序進(jìn)行單元的移除與激活，模擬地鐵隧道開(kāi)挖的應(yīng)力釋放過(guò)程。計(jì)算結(jié)果如圖5～7 所示。

計(jì)算結(jié)果表明：在進(jìn)行袖閥管注漿加固后，區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越施工完成后，道床的最大豎向位移集中在穿越段中間，最大值4.716 mm，最大水平位移僅為0.301 mm；CFG 樁的最大豎向位移為11.93 mm。道床和CFG 樁的豎向位移較小，因此袖閥管注漿加固對(duì)于限制道床與CFG 樁豎向位移效果較好，上述盾構(gòu)、加固方案可行。

圖5 道床豎向位移 Figure 5 Vertical displacement of a track bed

圖6 道床水平位移 Figure 6 Horizontal displacement of a track bed

圖7 CFG 樁位移 Figure 7 Displacement of a CFG pile

5 影響分區(qū)分析

5.1 考慮雙洞凈距和埋深的數(shù)值模擬計(jì)算

為了分析隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路干線的影響程度及規(guī)律，考慮下穿隧道間凈距、埋深不同的相對(duì)關(guān)系，借助仿真軟件建立16 種工況進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算每個(gè)工況，獲得了不同工況下高鐵路基的最大沉降，如表5 所示。

表5 數(shù)值計(jì)算工況及各工況下高鐵路基最大沉降 Table 5 numerical calculation and maximum settlement of high-speed railway subgrade under various working conditions

5.2 判別準(zhǔn)則表達(dá)式確定

下穿類(lèi)型只選擇既有高鐵路基沉降作為判別準(zhǔn)則，故基本判別準(zhǔn)則表達(dá)式可簡(jiǎn)化為：

通過(guò)確定綜合系數(shù)K、埋深比影響的修正系數(shù)a0、位置關(guān)系(角度)影響的修正系數(shù)a1、施工方法影響的修正系數(shù)a2、地質(zhì)條件影響的修正系數(shù)a3，以及洞凈距比影響的修正系數(shù)a4可得到影響分區(qū)判別式。

當(dāng)S/D=1 時(shí)的路基最大沉降值為4.656 mm，以此為基準(zhǔn)，則有綜合系數(shù)K=4.656。角度影響的修正系數(shù)a1以87°為基準(zhǔn)；施工方法影響的修正系數(shù)a2以盾構(gòu)法為基準(zhǔn)；地質(zhì)條件影響的修正系數(shù)a3以本文中提到的地層條件為基準(zhǔn)；以正常使用結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)確定既有結(jié)構(gòu)物劣化程度影響的修正系數(shù)a5；以常規(guī)施工為基準(zhǔn)確定對(duì)策措施影響的修正系數(shù)a6。通過(guò)路基沉降與埋深比A(H/D)及S/D的統(tǒng)計(jì)關(guān)系確定其余修正系數(shù)。

最終可以得到

5.3 判別準(zhǔn)則及閾值

在進(jìn)行隧道工程近接既有工程影響分區(qū)需要基于一個(gè)判別準(zhǔn)則，選擇一個(gè)作為衡量影響程度的判別指標(biāo)，如表6 所示。位移準(zhǔn)則采用隧道工程近接施工引起既有工程結(jié)構(gòu)的空間位置變化量劃分影響區(qū)域。當(dāng)既有工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)地表沉降大、基礎(chǔ)不均勻沉降以及隧道縱向位移大等情況時(shí)，導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)安全性降低或者功能使用性能下降時(shí)，應(yīng)選擇位移量來(lái)劃分近接影響區(qū)域。盾構(gòu)隧道上方為運(yùn)營(yíng)鐵路，首先應(yīng)確保地面沉降不影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全，故筆者采用位移準(zhǔn)則作為判別準(zhǔn)則。研究表明：高鐵路基與軌道協(xié)同變形，故采用路基豎向變形位移作為判別指標(biāo)。如3.1 節(jié)及3.2 節(jié)所述，本工程的路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)為沉降不大于12 mm。以路基沉降值12 mm 和4 mm 作為強(qiáng)弱影響分區(qū)的控制界線。既有工程受到不同影響的分區(qū)，具體可劃分為3 類(lèi)，分別為強(qiáng)影響區(qū)A、弱影響區(qū)B 以及無(wú)影響區(qū)C，如表7 所示。

表6 分區(qū)判別準(zhǔn)則 Table 6 Zoning criteria

表7 影響分區(qū)判別閾值 Table 7 Discrimination threshold of affected zones

5.4 盾構(gòu)隧道影響區(qū)確定

根據(jù)表7 的判別閾值標(biāo)準(zhǔn)，即可得到關(guān)于H/D 和S/D 的分區(qū)界線。分區(qū)則為關(guān)于H/D 和S/D 的幾個(gè)點(diǎn)集：

通過(guò)式(4)可以得到對(duì)應(yīng)路基最大沉降量分別為4、12 mm 時(shí)的關(guān)于S/D 與H/D 的兩個(gè)控制方程，以S/D 為橫坐標(biāo)，H/D 為縱坐標(biāo)，則可得到分別對(duì)應(yīng)弱、無(wú)影響分區(qū)和強(qiáng)、弱影響分區(qū)界限的兩條曲線，見(jiàn)圖8。從關(guān)于埋深比和近接度的影響分區(qū)中可以看到，分區(qū)界線隨S/D 增大，對(duì)應(yīng)的埋深先是迅速減小，然后減速趨緩，最后趨向一定值。

圖8 關(guān)于S/D 與H/D 的影響分區(qū)圖 Figure 8 Zoning diagram of S/D and H/D

6 結(jié)論

盾構(gòu)下穿高鐵路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及控制措施，主要結(jié)論如下：

1) 通過(guò)對(duì)既有高鐵的現(xiàn)狀調(diào)查，目前最大沉降值1.3 mm，高鐵軌道扣件剩余可調(diào)量在12 mm 以上，結(jié)合工程案例及現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范，確定高鐵路基總沉降量控制指標(biāo)為12 mm，變化速率1.5 mm/d，軌道幾何尺寸滿(mǎn)足規(guī)范經(jīng)常保養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。

2) 從工程地質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及對(duì)既有高鐵的擾動(dòng)程度分析，結(jié)合徐蘭高鐵無(wú)砟軌道沉降控制要求和無(wú)砟軌道的維修難度，為最大限度保證安全，確定該工程采取直線正交、增大地鐵線間距、下壓線路避開(kāi)高鐵路基CFG 樁、且采取地面袖閥管注漿的方案。

3) 進(jìn)一步提高工程安全保障系數(shù)，加強(qiáng)盾構(gòu)控制措施(克泥效、同步及二次注漿)、洞內(nèi)徑向注漿、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及限速等綜合措施，可確保高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

4) 下穿方案優(yōu)于低線路埋深，隧道拱頂距離CFG樁底的豎向凈距為3.235 m，計(jì)算所得的軌道變形及應(yīng)力各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的軌道變形及強(qiáng)度要求。利用高鐵道床兩側(cè)地面對(duì)高鐵路基進(jìn)行袖閥管注漿加固，經(jīng)模擬計(jì)算采取袖閥管注漿加固措施后高鐵道床的沉降最大值4.716 mm，最大水平位移僅為0.301 mm。

5) 從關(guān)于埋深比和近接度的影響分區(qū)中可見(jiàn)，分區(qū)界線隨S/D 增大，對(duì)應(yīng)的埋深先是迅速減小，然后減速趨緩，最后趨向一定值。結(jié)合盾構(gòu)隧道概況，可以判斷盾構(gòu)下穿段徐蘭高鐵咸陽(yáng)秦都站場(chǎng)結(jié)構(gòu)處于弱影響區(qū)。