盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基沉降監(jiān)測與預(yù)警

李斯

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司， 北京 100081

高速鐵路對無砟軌道線路平順性有極高的要求［1］，盾構(gòu)隧道下穿時高速鐵路路基的沉降變形控制至關(guān)重要。針對盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基段有一些研究。宋月光［2］通過數(shù)值計算和現(xiàn)場監(jiān)測得出，北京地鐵某區(qū)間下穿京張高速鐵路路基工程時，注漿加固能有效控制路基沉降。張飛［3］以石家莊地鐵4 號線盾構(gòu)區(qū)間下穿京石高速鐵路路基段為例，通過數(shù)值模擬分析得出隧道雙線間距越小，地表沉降越大。劉新軍［4］通過數(shù)值模擬分析南京地鐵4 號線盾構(gòu)隧道施工對京滬高速鐵路的影響，得出考慮列車荷載，地層損失率為8‰時，單線、雙線貫通時線路最大沉降分別為8.54、9.57 mm。張飛［5］以青平城際軌道交通下穿濰萊高速鐵路工程為研究背景，采用FLAC 3D 軟件進行仿真分析得出，隨著隧道開挖，隧道拱頂沉降逐漸增大。李宜霖等［6］以北京地鐵27 號線暗挖隧道下穿地鐵13號線與京張高速鐵路工程為例，分析開挖施工完成后地鐵鋼軌和高速鐵路鋼軌豎向位移的變化規(guī)律。白陽陽、王立新等［7-8］以西安地鐵1 號線三期盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路為工程背景，通過數(shù)值模擬分析得出，采用地面袖閥管注漿和管幕工法加固能有效控制軌道和路基沉降。曹小平等［9］以福州地鐵5 號線盾構(gòu)隧道下穿在建福廈高速鐵路高填方路基為工程背景，通過監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，采用樁板結(jié)構(gòu)進行地基處理后，盾構(gòu)下穿時路基不同位置處僅發(fā)生微小沉降。曹佳寧［10］研究發(fā)現(xiàn)南京地鐵4號線隧道下穿京滬高速鐵路軟土路基時，沉降主要發(fā)生在工后，沉降穩(wěn)定時間較長，沉降槽深度和寬度均較大。

既有研究分析了不同工況下盾構(gòu)隧道對鐵路軌道或路基的影響及應(yīng)對措施。本文以西安地鐵1號線秦寶（秦都站—寶泉路）區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路無砟軌道路基段為工程背景，對盾構(gòu)下穿期間徐蘭高速鐵路軌道沉降和路基不同層位進行實時監(jiān)測，從空間和時間兩個維度分析不同穿越階段高速鐵路軌道和路基沉降規(guī)律，并給出自動化監(jiān)測預(yù)警管理閾值和紅色預(yù)警后的應(yīng)對措施。

1 工程概況

徐蘭高速鐵路采用雙塊式無砟軌道，秦寶區(qū)間盾構(gòu)隧道近于正交下穿徐蘭高速鐵路（圖1），交角91° ～93°。徐蘭高速鐵路為東西走向，從南向北依次是Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ股道。盾構(gòu)隧道為雙線圓形隧道，隧道直徑6.0 m，左右線中線間距19.28 m。盾構(gòu)隧道右線、左線依次穿越徐蘭高速鐵路路基段。采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)和克尼效注漿工藝。從盾構(gòu)機的徑向孔往盾體外注克泥效，及時填充土體和盾體之間的空隙，同時根據(jù)監(jiān)測情況控制注入壓力和注入量，控制地表沉降。

圖1 盾構(gòu)隧道和徐蘭高速鐵路相對位置（單位：m）

根據(jù)DB 6101/T 3100—2021《城市軌道交通下穿鐵路監(jiān)測技術(shù)設(shè)計規(guī)范》，區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路路基段時須對徐蘭高速鐵路方向99.44 m 長區(qū)段進行監(jiān)測。下穿段監(jiān)測分區(qū)見表1。其中，H為盾構(gòu)隧道底板埋深。

表1 下穿段監(jiān)測分區(qū)

徐蘭高速鐵路路基段地基處理采用水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁，樁間距1.8 m，樁徑0.4 m，樁長13.0 m。為避免盾構(gòu)切割CFG 樁，隧道拱頂距離CFG 樁底不少于3.2 m。隧道穿越段地層自上而下依次為素填土、新黃土、古土壤、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等。隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，該層孔隙比0.6，液性指數(shù)0.26，壓縮系數(shù)0.22 MPa-1。隧道頂部有厚6 m 的富水細(xì)砂層，承載力較小。為避免隧道盾構(gòu)下穿時富水細(xì)砂層發(fā)生較大沉降，采用袖閥管對細(xì)砂層注漿加固。加固范圍參見圖1（b）。

2 自動化監(jiān)測方案

盾構(gòu)隧道下穿期間，為實時掌握盾構(gòu)掘進對高速鐵路軌道、路基不同層位土體的影響，沿線路縱向連續(xù)布設(shè)自動監(jiān)測系統(tǒng)，24 h 實時采集、分析、反饋監(jiān)測結(jié)果。

軌道測線布置在徐蘭高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)支承層上，由南向北軌道測線編號依次為T1—T4，主要、次要、一般監(jiān)測區(qū)測點間距原則上按照3、5、10 m 布置，每條測線布置27 個測點，測點編號由東向西分別為T1-1—T1-27、T2-1—T2-27、T3-1—T3-27、T4-1—T4-27。其中各測線14 號測點位于隧道左右線中線附近。每個測點布置1 個物位計，監(jiān)測軌道豎向位移，參見圖1（a）。

路基不同層位土體測線分別布置在Ⅲ股道南側(cè)路肩、Ⅲ股道與Ⅰ股道線間、Ⅰ股道與Ⅱ股道線間、Ⅱ股道與Ⅳ股道線間、Ⅳ股道北側(cè)路肩。

從南向北路基不同層位土體測線編號依次為D1—D5，主要區(qū)布置5 個測點，次要區(qū)和一般區(qū)各布置2 個測點。每個測點布置4 個物位計，分別監(jiān)測路基面、CFG 樁頂、樁底和隧道頂部1.5 m 處土體豎向位移，見圖2。

圖2 路基不同層位土體測點物位計布設(shè)方式

受站臺和咽喉區(qū)場地約束，部分測線未能覆蓋所有監(jiān)測范圍。路基不同層位土體測點編號由南向北依次為D1-4—D1-9、D2-1—D2-7、D3-3—D3-9、D4-1—D4-7、D5-3—D5-9，其中各測線5 號測點均位于隧道左右線中線附近，參見圖1（a）。

盾構(gòu)隧道下穿前，對所有測點初始值進行標(biāo)定，自盾構(gòu)隧道進入徐蘭高速鐵路范圍開始監(jiān)測，下穿通過后繼續(xù)監(jiān)測，直至最后100 d 最大豎向位移速率小于0.04 mm/d，方可結(jié)束監(jiān)測。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 徐蘭高速鐵路軌道豎向位移

不同階段徐蘭高速鐵路各股道豎向位移曲線見圖3?？芍孩偎淼烙揖€穿越前，徐蘭高速鐵路軌道豎向位移基本保持在-0.3 ～ 0.5 mm，線路平順性較好。右線穿越后，Ⅱ股道上測點T3-17 沉降最大，其值為2.60 mm。沉降槽呈V 形，沿徐蘭高速鐵路影響范圍寬約30 m。②隧道左線穿越后，Ⅳ股道上測點T4-11沉降最大，其值為3.51 mm。沉降槽呈W 形。③隧道沉降穩(wěn)定后，隧道右線、左線正上方軌道最大沉降分別為3.21、3.39 mm。綜合來看，在隧道左右線的中線相距19.28 m 的情況下，先行線隧道穿越對后行線軌道豎向位移影響不大。

圖3 不同階段各股道沉降曲線

3.2 徐蘭高速鐵路路基不同層位土體豎向位移

路基不同層位典型測點D3-5、D4-5豎向位移時程曲線見圖4?？芍孩俣軜?gòu)隧道穿越過程中測點D3-5處路基面、CFG 樁頂和樁底豎向位移規(guī)律基本一致。隧道左線穿越后隧道頂部土體應(yīng)力重新分布，沉降有了一定程度的恢復(fù)。②測點D4-5 處由于隧道左線穿越后盾尾進行了注漿施工，隧道頂部土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，但是路基面、CFG 樁頂和樁底土體仍出現(xiàn)規(guī)律類似的沉降現(xiàn)象。③盾構(gòu)隧道左線穿越后，測點D3-5與測點D4-5 處土體應(yīng)力重新分布，豎向位移在-4.1 ～1.2 mm 波動，約100 d 后兩個測點豎向位移均趨于穩(wěn)定。

圖4 典型測點D3-5、D4-5豎向位移時程曲線

4 預(yù)警措施

盾構(gòu)隧道下穿期間，根據(jù)徐蘭高速鐵路軌道豎向位移、路基不同層位土體豎向位移監(jiān)測結(jié)果實時預(yù)警。預(yù)警管理閾值和預(yù)警級別見表2。

表2 徐蘭高速鐵路預(yù)警管理閾值和預(yù)警級別

總豎向位移和豎向位移速率均達(dá)到黃色預(yù)警值，或其中一個指標(biāo)達(dá)到橙色預(yù)警值時進行黃色預(yù)警?？傌Q向位移和豎向位移速率均達(dá)到橙色預(yù)警值，或其中一個指標(biāo)達(dá)到紅色預(yù)警時進行橙色預(yù)警?？傌Q向位移和豎向位移速率均達(dá)到紅色預(yù)警值進行紅色預(yù)警。

依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路期間共發(fā)出紅色預(yù)警1 次、橙色預(yù)警1 次、黃色預(yù)警1 次。其中隧道右線穿越Ⅰ股道時出現(xiàn)紅色預(yù)警，測點T2-14 豎向位移速率達(dá)到2.11 mm/d。各設(shè)備管理單位立即上道對行車設(shè)備進行檢查；施工單位對預(yù)警點位管片進行二次注漿，利用地質(zhì)雷達(dá)對預(yù)警點位隧道周圍土體進行掃描，報告分析結(jié)果；監(jiān)測單位實時報告預(yù)警點位監(jiān)測結(jié)果。通過預(yù)警處置及時消除了該點位后續(xù)發(fā)生較大變形的可能性，保障了徐蘭高速鐵路的運營安全。

5 結(jié)語

對西安地鐵一號線盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路路基工程，不同穿越階段各部位軌道沉降和路基不同層位變形進行自動化監(jiān)測與分析，并給出監(jiān)測預(yù)警管理閾值和紅色預(yù)警后的應(yīng)對措施。主要結(jié)論如下：

1）盾構(gòu)隧道下穿會引起高速鐵路無砟軌道沉降，右線穿越后，Ⅱ股道上測點T3-17處軌道沉降最大，其值為2.60 mm；隧道左線穿越后，Ⅳ股道上測點T4-11處軌道沉降最大，其值為3.51 mm。兩測點沉降量在紅色預(yù)警值5 mm以內(nèi)，不影響高速鐵路運營安全。

2）盾構(gòu)隧道右線穿越后，徐蘭高速鐵路軌道沉降槽呈V形，沿徐蘭高速鐵路影響范圍寬約30 m。

3）盾構(gòu)隧道右線、左線先后穿越，對施工線正上方徐蘭高速鐵路無砟軌道影響較大，對相鄰線正上方無砟軌道影響不大。

4）盾構(gòu)隧道左線下穿后土體應(yīng)力重分布，豎向位移在1.2 ～ -4.1 mm波動，約100 d后變形趨于穩(wěn)定。