盾構(gòu)隧道與箱涵交疊下穿鐵路穩(wěn)定性控制措施研究

向 超

（1.中鐵十八局集團第一工程有限公司，河北涿州 072750；2.福州大學土木工程學院，福建福州 350108）

1 引言

保持隧道施工過程中地層穩(wěn)定對于地下管線設(shè)施和地上建筑結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定具有重要意義，而隧道開挖過程中地層的穩(wěn)定很大程度上受到施工方案影響[1-2]。因此，選擇一個最優(yōu)施工方案對于隧道工程的順利施工和保持地層穩(wěn)定至關(guān)重要。目前關(guān)于隧道或者箱涵施工過程中對地層穩(wěn)定采取控制措施的研究很多。例如，富水地層隧道施工極易引起開挖面失穩(wěn)，劉德安[3]等基于離散元和現(xiàn)場調(diào)查分析開挖面失穩(wěn)和圍巖變形破壞特征，提出超前帷幕注漿，并通過實際工程檢驗證明加固效果良好，可以有效確保大斷面隧道安全施工。張民慶[4]等以上閣村隧道穿越富水黃土地層為背景，開展富水黃土隧道地表深孔剛性袖閥管注漿試驗研究，最終得出地表深孔袖閥管注漿可以有效加固地層，提高地層自穩(wěn)能力。Song[5]針對軟弱地層下隧道施工方法和圍巖穩(wěn)定性問題，以桃樹坪隧道為背景，通過比較傳統(tǒng)施工方案優(yōu)缺點，提出一種新的隧道施工方法——雙頭超前施工法，并通過數(shù)值模擬，證明雙頭超前施工法對圍巖的穩(wěn)定性控制有較好效果。Zhang[6]以重慶地鐵6 號線為背景，研究三角形分布的三線地鐵隧道地下通道高速公路最佳開挖順序和相應(yīng)的控制對策，然后利用MIDAS有限元仿真軟件分析開挖順序?qū)λ淼绹鷰r變形和應(yīng)力，支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力等的影響。Shi[7]以長沙營盤路水下隧道工程為依托，在傳統(tǒng)水下隧道穿越功能基礎(chǔ)上，設(shè)計了地下立交隧道，提出一種考慮加固控制措施的水下隧道最小埋深確定方法，克服水下超大斷面隧道施工多作業(yè)多斷面的困難。陳煒韜[8]等則以海底隧道為背景，通過試驗研究注漿、錨桿等措施對圍巖和開挖面的加固效果，然后分別從破壞荷載和位移以及支護安全性分析加固措施對隧道穩(wěn)定性的影響。王學斌[9]和張頂立[10]等為避免隧道施工引發(fā)鄰近建筑產(chǎn)生大變形，以隧道穿越建筑群的工程為背景，結(jié)合數(shù)值模擬、理論計算以及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析隧道開挖引起的建筑物變形規(guī)律，然后據(jù)此采取注漿加固等相應(yīng)的保護措施，保持隧道開挖過程中地層及建筑的穩(wěn)定。Ma[11]和Wang[12]等從箱涵隧道的角度探討開挖時的施工穩(wěn)定性及加固技術(shù)，提出3 種方案保障特大矩形隧道和高鐵施工安全，并通過分析軌道受力、軌道沉降、安全系數(shù)和風險評估結(jié)果，得出方案的加固效果。

當下國內(nèi)外學者對于盾構(gòu)隧道或者箱涵頂進施工過程中圍巖穩(wěn)定性控制措施做了很多研究[13-16]，但是對于隧道和箱涵交疊下穿鐵路同步施工研究不多。眾所周知，隧道與箱涵交疊開挖引起的土體擾動是不均勻的，過大的地層沉降變形會引起上部軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異沉降及結(jié)構(gòu)破壞。與此同時，對于多線施工工程，存在一個施工順序的問題，因為即使相同地質(zhì)條件、施工工法，當施工順序不同時，對土體的擾動程度不同，土體的力學狀態(tài)產(chǎn)生差異，最終會形成不同的結(jié)果。因此，文章依托廈門地鐵6 號線，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對不同施工方案、盾構(gòu)左右線隧道開挖順序、箱涵圍巖，以及鐵路路基加固措施進行對比分析，從而得出最優(yōu)施工方案與加固措施，以確保隧道與箱涵正常掘進和鐵路安全運行。

2 工程概況

廈門地鐵6 號線角海路站 — 社頭站區(qū)間線路出角海路站后沿翁角路偏北下穿海滄鐵路支線，其區(qū)間采用盾構(gòu)法與箱涵施工，出入段線以頂進箱涵形式下穿鐵路，角海路站 — 社頭站區(qū)間以盾構(gòu)形式2 次下穿鐵路。區(qū)間左線ZDIK6+349.124 與海滄支線交叉，盾構(gòu)隧道與鐵路軌頂標高凈距為13.99 m，箱涵與鐵路軌頂標高凈距為5.2 m，下穿段地層主要為素填土、淤泥質(zhì)土、凝灰熔巖殘積黏性土等；區(qū)間右線DIK6+306.65 與海滄支線交叉，盾構(gòu)隧道與鐵路軌頂標高凈距為13.92 m，箱涵與鐵路軌頂標高凈距為5.2 m，下穿段地層主要為素填土、凝灰熔巖殘積黏性土等。

3 隧道與箱涵交疊下穿鐵路開挖方案

隧道與箱涵在施工過程中易造成地層擾動，導致既有鐵路路基及地層發(fā)生位移變形。若變形過大，則可能影響鐵路運營。因此，需要嚴格控制鐵路路基及各土層的沉降變形。盡管國內(nèi)外學者針對隧道開挖順序已做大量研究，但對于隧道交疊箱涵下穿鐵路同時施工情況的研究幾乎沒有。

為選出最優(yōu)的隧道與箱涵開挖方案以使得鐵路路基及地層變形最小，針對角海路站 — 社頭站區(qū)間下穿鐵路實際工程建立三維計算模型，如圖1 所示?；诖四Ｐ停O(shè)定如表1 所示的5 種隧道與箱涵交疊下穿鐵路開挖方案。通過對5 種方案進行特征位置點位移、應(yīng)力、地表變形、鐵路路基變形分析，選出最優(yōu)開挖方案。

表1 隧道與箱涵開挖方案

圖1 隧道與箱涵交疊下穿鐵路三維計算模型

3.1 特征位置點豎向位移

所選擇特征點位置：①②③④分別為隧道右線、左線拱底和拱頂；⑤⑥⑦⑧為箱涵右邊、左邊底部和頂部中心；⑨為地表處隧道與箱涵線路中心線位置；⑩為鐵路中心線位于隧道與箱涵線路中心線上方位置。各特征位置點不同工況下隨著隧道與箱涵開挖發(fā)生的豎向位移變化如圖2 所示。由圖可知，特征位置點 ①③⑤⑦的豎向位移為正值，而②④⑥⑧⑨⑩的豎向位移為負值，其原因為在土體重力、列車荷載等外力作用下，隧道與箱涵底部發(fā)生回彈，地表、鐵路路基、隧道與箱涵頂部產(chǎn)生沉降，由于定義Z軸正向為豎直向上，故表現(xiàn)為回彈位移為正值、沉降位移為負值。在施工完成后，之所以會產(chǎn)生較大位移，原因是隧道與箱涵的開挖導致地層損失，同時在列車荷載作用下，進一步使得土層所受到的變形增大，再作用于盾構(gòu)隧道與箱涵，導致管片產(chǎn)生較大位移變形。盡管存在有些工況的位移值相差不大，很難去判定工況好壞程度的情況，但對特征位置點位移的研究，可以更深刻了解整個開挖過程變形特征。

圖2 各特征位置點豎向位移

3.2 特征位置點應(yīng)力規(guī)律

隧道與箱涵施工順序的不同，對于隧道管片與箱涵以及地層均會產(chǎn)生不同的力學特性，若要準確判斷施工順序的優(yōu)劣，確保安全施工，對盾構(gòu)隧道與箱涵開挖產(chǎn)生的力學行為進行研究是驗證安全性的重要舉措。不同工況無列車荷載作用下，10 個特征位置點開挖完成后的應(yīng)力值如圖3 所示?？芍诠r1、2 和工況 3、5條件下，各特征位置點的應(yīng)力相近，在地表和鐵路路基上，各工況間影響較小，但對于隧道與箱涵拱頂與拱底，工況1 與工況2 明顯比其他3 種工況產(chǎn)生的應(yīng)力值要小。但現(xiàn)場施工過程中，對于近距離雙隧道一般采取先后施工，因為同步施工對于安全性控制難度劇增。故在工況1、工況2 應(yīng)力值相近情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮工況2。

圖3 特征位置點最大主應(yīng)力值圖

在盾構(gòu)隧道上部進行箱涵開挖，相當于對盾構(gòu)隧道進行一定程度卸載，隧道在箱涵開挖過程中拱頂會向上變形，且因為箱涵并非處于盾構(gòu)隧道正上方，盾構(gòu)隧道管片將會產(chǎn)生偏壓；在箱涵底部進行盾構(gòu)隧道開挖，將會造成一定程度的土體損失，繼而對隧道上覆土層產(chǎn)生影響，并傳遞至箱涵，箱涵底部將會向下變形，同樣箱涵會產(chǎn)生偏壓。但由于土體自身具有一定的抗剪強度，這種因為盾構(gòu)開挖而造成的土體損失及其他力學作用，將會得到一定程度的減弱。

3.3 地表變形研究

3.3.1 地表橫向變形

地表橫向變形曲線如圖4 所示，其類似于“V”形關(guān)于箱涵中心線對稱，且越靠近線路中心線處，地表橫向變形值越大，并在中心處地表橫向變形最大。自線路中心線向兩邊地表橫向變形值越小。

圖4 地表橫向變形

其主要原因是盾構(gòu)左右線隧道中心線關(guān)于箱涵中心線對稱。由沉降變形疊加規(guī)律可知，地表橫向變形監(jiān)測點越靠近箱涵線路中心線位置處，土體受到的作用力影響越大，土體會呈現(xiàn)向箱涵中心移動趨勢，故在箱涵中心處地表變形值取得最大值；越遠離箱涵中心，這種作用力的影響就越小，而且土體本身具有自穩(wěn)能力，有一定的抗剪強度抵抗這種因為施工而造成的影響。故此，由于土體的抗剪強度，越遠離箱涵線路中心線位置處，土體移動變形越小。在地表橫向左右兩端位置處，地表位移的大小趨近于0。且5 種工況中，所產(chǎn)生的豎向位移均是在工況2 條件下產(chǎn)生的豎向位移最小。

3.3.2 地表縱向變形

如圖5 所示，與地表橫向變形關(guān)于隧道箱涵中心線對稱不同，地表縱向變形僅表現(xiàn)為越靠近縱向中心截面處，地表變形值越大；越遠離縱向中心處，地表變形值越小。在縱向前后兩端位置處，地表位移值并未趨近于 0，而是仍然較大。

圖5 地表縱向變形

其原因在于隧道與箱涵開挖過程中，原土體應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力發(fā)生重分布，土體抗剪強度不足以抵消此部分應(yīng)力時，周圍土體發(fā)生小位移變形。隨著隧道與箱涵繼續(xù)不斷向前掘進，隧道與箱涵周圍土體的變形與位移不斷累積并傳至地表，造成地表產(chǎn)生較大位移。

3.4 最優(yōu)開挖方案

針對5 種不同施工方案，利用數(shù)值軟件，得到不同開挖方案下盾構(gòu)左右線與箱涵應(yīng)力、變形及地表位移。5 種不同工況在位移變形規(guī)律上相似。選取的10 個特征位置點均是在工況2 條件下產(chǎn)生的豎向位移最小。地表橫向變形關(guān)于隧道與箱涵中心線對稱，越靠近中心線，位移變形越大。在工況2 條件下產(chǎn)生的地表橫向和縱向變形最小，在工況3 條件下產(chǎn)生的地表橫向和縱向變形最大。在先開挖隧道、后掘進箱涵情況下，由于上部箱涵開挖導致隧道上方原有的土體荷載發(fā)生了轉(zhuǎn)移，將會在一定范圍內(nèi)引起應(yīng)力重分布，導致隧道兩側(cè)受力增大受到擠壓，造成盾構(gòu)隧道的應(yīng)力增大。而先箱涵施工、后盾構(gòu)開挖，將會造成一定程度的土體損失，但是由于土體本身具有一定的抗剪強度，能夠抵消一部分作用，故優(yōu)先考慮箱涵先施工。

綜上所述，5 種不同工況，其中工況2 最優(yōu)，開挖造成的盾構(gòu)隧道與箱涵應(yīng)力、變形、地表位移最小。因此，最優(yōu)開挖方案是：先箱涵開挖、后盾構(gòu)右線開挖、再左線開挖。

4 加固方案對盾構(gòu)隧道與箱涵影響

目前，對于地層以及隧道加固方式很多，包括注漿加固、凍結(jié)法、管幕法等。但由于箱涵距離鐵路較近，常規(guī)注漿加固無法滿足要求，故在采用注漿加固的同時，還需采取其他措施，以確保下穿鐵路過程中開挖面的穩(wěn)定與鐵路的安全運營。對此，設(shè)定了6 種不同的加固方案，分析不同加固方案對隧道與箱涵開挖面穩(wěn)定影響。

4.1 加固方案對隧道與箱涵開挖面影響

在對箱涵進行管幕加固的情況下，由于箱涵距離鐵路較近，故在采用注漿加固同時，鐵路下部路基采用梁 -樁組合結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合加固，通過加固D 型便梁承載路基，便梁架設(shè)在支墩上。加固區(qū)材料物理力學參數(shù)如表2 所示。

表2 加固區(qū)材料物理力學參數(shù)表

以廈門地鐵6 號線為背景，設(shè)定了6 種加固方案，如表3 所示。探究不同加固方案對盾構(gòu)隧道與箱涵開挖面主動破壞的影響，并進一步探究不同加固方案對盾構(gòu)隧道與箱涵極限支護應(yīng)力的影響規(guī)律，為工程實際提供參考。

表3 加固方案

不同加固方案隧道與箱涵發(fā)生主動破壞時的位移云圖如圖6 所示。因盾構(gòu)左右線隧道開挖面主動破壞位移云圖幾乎一樣，故只選擇一側(cè)進行對比分析，由圖可知，加固措施對隧道與箱涵穩(wěn)定性有積極作用，使得盾構(gòu)隧道與箱涵在發(fā)生主動破壞時，更具有自穩(wěn)性能。一定程度上，加固效果相當于增大了土體內(nèi)摩擦角與黏聚力，從而使得盾構(gòu)隧道與箱涵開挖面自穩(wěn)性更強。

圖6 不同加固方案隧道與箱涵主動破壞位移云圖

在未加固情況下，由于箱涵埋深較淺，主動破壞時，變形發(fā)展至地面，而隧道因為上部存在箱涵的緣故，其破壞模式由三維剛性旋轉(zhuǎn)體與圓錐體組成。隨著隧道、鐵路路基的加固，盾構(gòu)隧道與箱涵開挖面附近破壞土體慢慢變?yōu)橹话l(fā)生在開挖面前方，而不會向上發(fā)展。相比于僅加固單一結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)隧道與鐵路路基兩部分結(jié)構(gòu)加固效果更好。且對盾構(gòu)隧道進行加固，而未對鐵路路基進行加固，由于箱涵上部距離鐵路線路較近，當盾構(gòu)隧道距離箱涵距離較近時，便處于箱涵的塑性擾動區(qū)，箱涵發(fā)生主動破壞，所產(chǎn)生的塑性擾動也會影響盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性。故為減弱各結(jié)構(gòu)間的相互擾動效應(yīng)，需對各結(jié)構(gòu)進行加固。與此同時，與其他加固方案相比，鐵路路基和和隧道各加固3 m 情況下的隧道與箱涵開挖面破壞很小，此時能滿足施工安全所需。

4.2 加固方案對結(jié)構(gòu)變形影響

由圖7 可知，由于鐵路路基加固緣故，使得地表縱向位移不同于地表橫向位移在中心坐標處取得最值，而是在路基加固縱坐標末端。同理，A3+B0 加固方案，箱涵拱底、拱腰、拱頂處的變形，相比于A0+B3 加固方案有一定的減小。在鐵路路基與盾構(gòu)隧道都進行加固的情況下，隨著加固范圍擴大，加固效果越發(fā)明顯，各點沉降變形值也越來越小。

5 現(xiàn)場實測結(jié)果

5.1 變形監(jiān)測分析

現(xiàn)場各監(jiān)測點連續(xù)監(jiān)測30 日所記錄的各實測點的位移變化曲線如圖8 所示。由圖可知，地表、管片拱頂和箱涵頂部位移均有隨監(jiān)測次數(shù)的增多逐漸增大的趨勢，而隧道管片凈空收斂無太大變化，表明盾構(gòu)隧道與箱涵交疊下穿鐵路過程中，地表變形、盾構(gòu)隧道拱頂位移、箱涵拱頂位移受擾動較大，即使對各結(jié)構(gòu)進行加固處理，仍產(chǎn)生較大的沉降變形。不同監(jiān)測點的位移變形并不相同，存在一定的差異，出現(xiàn)此情況原因為不同監(jiān)測點所處位置不同，受到的列車荷載作用、盾構(gòu)隧道與箱涵掘進過程的擾動作用不同，導致最終的沉降變形存在差異。與此同時，越臨近鐵路路基，沉降變形值越大。部分地表實測點變形偏大，超過允許沉降控制值15 mm，影響著貨運鐵路的行車安全。雖然加固方案A1+B1、A2+B2、A3+B3 均滿足最大允許沉降值不超過15 mm，但加固方案A1+B1、A2+B2 卻不滿足差異沉降控制值不大于5 mm，只有加固方案A3+B3兩者皆滿足。故對于盾構(gòu)隧道與箱涵的加固方案，可選擇方案A3+B3，即：除在鐵路路基采用梁-樁組合結(jié)構(gòu)進行加固、箱涵周圍布設(shè)管幕之外，對鐵路路基進行袖閥管注漿加固，加固范圍是路基以下3 m；隧道加固采用袖閥管注漿加固方式，加固范圍是隧道橫向豎向范圍外3 m。

圖8 現(xiàn)場實測點位移變化曲線

5.2 支護應(yīng)力分析

在實際工程中，因盾構(gòu)左右線是錯開掘進，且鐵路線路與隧道和箱涵掘進方向并非正交，故在數(shù)據(jù)記錄過程中，兩者數(shù)值存在一定的偏差。如圖9 所示，盾構(gòu)左右線隧道與箱涵開挖面支護力實際值都在一個范圍內(nèi)波動，箱涵開挖面支護力介于60～75 kPa，盾構(gòu)右線與盾構(gòu)左線開挖面支護力介于100～120 kPa。加固后的數(shù)值結(jié)果，即與箱涵開挖面極限支護力80.53 kPa、盾構(gòu)隧道開挖面極限支護力149.56 kPa 相比，數(shù)值結(jié)果略大于現(xiàn)場實際支護力值。

圖9 支護力變化曲線圖

出現(xiàn)此情況的原因主要有2 種，從數(shù)值角度出發(fā)，土層參數(shù)設(shè)定、本構(gòu)模型選擇、各部件構(gòu)建、施工模擬，均進行一定程度簡化，相對于現(xiàn)場實際有些理想化。但總體而言，數(shù)值與現(xiàn)場實測結(jié)果較為吻合，一定程度上能夠通過數(shù)值結(jié)果反映現(xiàn)場實際，為現(xiàn)場工程進行指導以及為類似工程提供借鑒。

6 結(jié)論

文章依托廈門地鐵6 號線，基于FLAC3D 和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對隧道和箱涵交疊下穿鐵路施工工況及鐵路路基加固措施進行分析，通過對施工過程中結(jié)構(gòu)特征位置點、地表變形及鐵路路基變形進行分析選出最優(yōu)開挖方案，以及對施工過程中的加固措施進行評價，最終得出以下結(jié)論。

（1）針對5 種不同開挖方案，從結(jié)構(gòu)特征位置點、地表變形及鐵路線路路基變形進行深入研究，得出最優(yōu)開挖方案為：先箱涵開挖、后盾構(gòu)右線開挖、再盾構(gòu)左線開挖。該方案造成的盾構(gòu)隧道與箱涵變形、地表位移最小。

（2）在未進行加固的情況下，箱涵發(fā)生主動破壞時，變形發(fā)展至地面。隨著盾構(gòu)隧道、鐵路路基加固，盾構(gòu)隧道與箱涵開挖面附近破壞土體慢慢變?yōu)橹话l(fā)生在開挖面前方，而不會向上發(fā)展。相比于只對單一的結(jié)構(gòu)進行加固，隧道與鐵路路基均加固效果更好。

（3）從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，地表位移、管片拱頂位移、箱涵頂部位移均隨時間逐漸增大，而隧道管片凈空收斂無太大變化。盾構(gòu)左右線隧道與箱涵開挖面支護應(yīng)力監(jiān)測值都在一個范圍內(nèi)波動，箱涵開挖面支護應(yīng)力介于60～75 kPa，隧道開挖面支護應(yīng)力介于100～120 kPa，數(shù)值結(jié)果略大于實際支護應(yīng)力值，但總體而言，數(shù)值與現(xiàn)場實測結(jié)果較為吻合。