軟土地區盾構隧道下穿新建鐵路的地基處理方案研究

黃 龍 周順華 宮全美

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，200092，上海∥第一作者，碩士研究生）

隨著鐵路和軌道交通的不斷發展，地鐵隧道穿越鐵路路基的情況也越來越多，地鐵盾構隧道的施工可能會引起鐵路軌面不平順，甚至影響到鐵路的運行安全，對基本處于同期施工的兩者來說，新建鐵路軟土地基的加固方案在設計階段就應予以考慮。工程界和學術界對盾構隧道施工引起地表沉降的規律進行了大量研究［1－4］，但對于軟土地區盾構隧道下穿新建鐵路的工程經驗相對較少。

本文以寧波地鐵1號線二期工程下穿新建鐵路北環線為工程背景，根據工程實際情況，新建北環線與寧波軌道交通1號線二期工程基本處于同期施工，則在盾構施工時就會遇到下穿新建北環線的問題，考慮新建鐵路地基處理與地鐵下穿加固結合在一起。由于新建鐵路對軌道平順性有較高要求，特別是道岔區，如果地基處理措施不當，隧道施工、長期運營引起的軌面不平順會影響鐵路的運營甚至安全。因此有必要在盾構施工前選擇合理的地基加固形式，可為將來類似工程的設計、施工提供一些參考。

1 工程概況

1.1 盾構穿越情況

寧波地鐵1號線二期五鄉西站—五鄉站區間下穿新建鐵路北環線，隧道采用土壓平衡盾構施工，盾構內徑5.5m，外徑6.2m，管片寬度為1.2m，厚度為35cm，管片采用通縫拼裝形式。盾構穿越鐵路處隧道中心距地表12.2m，線間距約為11.7m，坡度為6‰的單面坡，穿越段盾構曲線半徑為450m，以相交角51°穿越鐵路。

盾構下穿的新建鐵路為國家一級雙線客貨共線鐵路，設計線間距5.0m，路基寬度20m（包括一條改遷的北侖支線構成三股道的道岔區），路基高度2.35m，采用有砟軌道結構形式。下穿平剖面關系圖如圖1、圖2所示。

1.2 地層特點

盾構主要穿越土層②2a淤泥、②3淤泥質粉質黏土，該兩層土為高含水量、高壓縮性、低強度土層，具有明顯的觸變性，受擾動后易引起較大變形且變形的持續時間較長。土層參數見表1所示。

圖1 盾構穿越鐵路平面示意圖

圖2 盾構穿越鐵路剖面圖（單位：m）

表1 土層參數表

2 盾構穿越處鐵路地基處理方案選擇

盾構下穿處土層主要為淤泥和淤泥質粉質黏土，滲透系數小、靈敏性高，施工擾動或上覆荷載引起的地基沉降需要很長的時間才能完成，如果地基處理不合適，將會產生較大的工后沉降。為避免上述情況的發生，選取攪拌樁和樁板兩種地基加固處理方式進行對比分析。

攪拌樁加固方案：攪拌樁樁徑650mm間距，650mm滿堂加固，加固豎向范圍為從地面至隧道下方3m，樁長18m，樁尖處在③2粉質黏土夾粉砂層，地鐵隧道兩側加固至5m范圍，鐵路線路兩側加固范圍超過路基邊坡坡腳1m（見圖3）。

圖3 攪拌樁加固圖（單位：mm）

樁板加固方案：在兩隧道中間及兩側采用鉆孔灌注樁（樁徑1 500mm，3排布置，兩側樁長54m，樁端進入⑨1粉質黏土層，中間樁長73m，樁端進入⑨2圓礫層，樁間距5.0m）＋混凝土筏板（混凝土強度C30）（長×寬×厚＝41.0m×22.8m×1.5m）的加固方案。其中在樁和板之間設置托梁，梁寬2m，厚1m，長度與混凝土板一致，其余尺寸詳見圖4、圖5所示。

圖4 樁板加固平面圖（單位：m）

2.1 攪拌樁加固方案

在對新建北環線進行攪拌樁加固效果分析之前，首先對同處寧波地區、同樣采用攪拌樁處理方式的某一高速有砟線路進行分析。

該鐵路地處濱海平原及灘涂區，廣布著第四系淤泥和淤泥質土，局部地段夾有粉細砂等透鏡體，軟塑至流塑狀，具有壓縮性高和欠固結、孔隙比大、承載力低等特點，土質情況如表2所示。

圖5 剖面圖（單位：mm）

表2 土層參數

選取與本工段土質情況類似的三個斷面進行分析，斷面里程分別為DK146＋503、DK146＋600和斷面DK146＋670。路基高度分別為4.2m、5.4m和5.2m，采用攪拌樁地基加固，樁徑0.5m，其余尺寸詳見圖6所示。

采用TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術規程》中的規范法（以下簡為“《規程》”）并結合實測數據對攪拌樁加固后的鐵路路基進行沉降控制效果分析。

《規程》中復合地基沉降

式中：

S1——加固區沉降量；

S2——下臥層沉降量；

ms——沉降經驗修正系數。

ms與地基條件、荷載強度等因素有關，根據地區沉降觀測資料及經驗確定，對于軟土地基，其值可取1.0～1.2，此處取1.2。

加固區采用復合模量法進行計算，下臥層采用Boussinesq法進行計算。計算結果如表3所示。

通過對表3中的沉降計算結果進行分析，相比于運營后現場實測沉降情況（工后沉降），采用規范法計算所得沉降是偏小的，實測工后沉降約為計算總沉降的2～4倍。這說明現有條件下實際施工效果與理論計算的理想狀態有些差距，為了安全起見，應當在理論計算值的基礎上對沉降值進行2～4倍的修正預估。

圖6 不同斷面地層情況（單位：m）

表3 沉降計算及實測結果 mm

2.2 新建北環線攪拌樁加固沉降效果預估

采取同樣方法對新建北環線進行攪拌樁沉降計算，此處還選取21m樁長進行補充計算。沉降計算及預估結果如表4所示。

表4 沉降計算及預估結果 mm

根據《鐵路路基設計規范》（TB 1001—2005）規定Ⅰ級鐵路工后沉降不應大于20cm。表4表明采用攪拌樁加固，鐵路沉降難以滿足規范要求。考慮后期盾構曲線掘進施工對土體產生的再擾動以及鐵路與地鐵運營的相互影響，采用攪拌樁進行地基加固對鐵路路基的沉降控制難以達到預期效果，并且采用攪拌樁進行土體加固以后會造成盾構隧道縱向的不均勻沉降，這對于隧道結構是不利的。

2.3 樁板加固方案

由于攪拌樁加固方案在沉降控制方面不能滿足要求，因此分析了采用樁板方案進行加固的處理效果。

分別采用空間殼模型和兩跨連續梁模型利用Sap軟件分別計算樁頂反力，按最不利情況，即不考慮土對板的支承作用，假設板與土分開。空間殼模型圖如圖7所示。

計算結果中樁最大樁頂反力為9 799.4kN，邊樁最大樁頂反力5 685.4kN。

圖7 空間殼模型

式中：

μp——應力集中系數；

l——樁身長度，即等于加固區厚度h（邊樁按54m計，中樁按73m計），m；

Ep——樁身材料變形模量；

由于邊樁鉆孔樁樁尖已進入⑨1層粉質黏土層，中樁樁尖進入⑨2圓礫層中，持力層較好，忽略路基本體變形，路基沉降只與樁體本身的壓縮沉降有關，根據公式：

pbo——樁底端端承力密度（由地勘資料獲得）；

P——根據樁頂反力除以相應面積計算得到。

邊樁最大壓縮沉降3.1mm，中樁最大壓縮沉降7.1mm，傾斜率0.02%。

因此考慮采用樁板加固方案，鐵路路基沉降能滿足要求，并且對于隧道結構本身也是有利的。

3 盾構施工對新建北環線的影響

3.1 計算模型

選取下穿節點處斷面，建立二維有限元模型，土體采用硬化彈塑性模型（HS），鋼筋混凝土板、鉆孔樁均采用板單元來模擬，樁與土體間加入接觸單元模擬兩者間的相對滑移關系，為保守起見，此處考慮盾構施工時列車荷載影響，按ZK荷載進行并均布到路基面上，軸重按25t計，數值模擬按照實際施工中先開挖右線隧道、后開挖左線隧道的順序進行，考慮地層損失率為1%。模型如圖8所示。

圖8 模型圖

3.2 鐵路線路沉降分析

右線隧道和雙線隧道開挖完成后的線路沉降曲線如圖9所示。

圖9 隧道完成后線路沉降曲線

右線隧道和雙線隧道開挖完成后的一、二、三號樁的水平位移如圖10所示。

由上圖可知，右線隧道完成后地表沉降為1.69 mm，最大位置出現在右線隧道上方的地表處，這部分的位移主要是由板的變形引起的，此時樁的水平位移最大值出現在三號樁，最大為1.07mm；雙線完成后最大地表沉降為1.82mm，最大水平位移出現在一號樁，最大值為1.48mm，由上圖還可以看出地表沉降大致可以分為三段，以一、三號兩個邊樁為界，在邊樁以內呈現沉降槽的形式，而在兩側由于邊樁的水平位移而呈現勺子形沉降位移曲線。

路基面沉降變形最大值不超過2mm，因此對軌道高低不平順影響很小。

3.3 樁側土負摩阻力分析

在盾構隧道雙線貫通以及右線貫通兩種工況下，現分別選取施工對樁基影響較大的二、三號樁進行分析，二、三號樁及樁側土體豎向位移如圖11、圖12所示。

圖10 隧道完成后樁基水平位移

圖11 二號樁及樁側土體豎向位移

圖12 三號樁及樁側土體豎向位移

可知對于二、三號樁，根據負摩阻力的定義［7］，負摩阻區主要集中在樁頂以下約11m位置處，在該位置處樁側土與樁身沉降基本相等，在此埋深以上樁側土相對樁身產生了向下的位移，這部分區域土對樁的摩擦力為負摩阻力，對樁基承載力的發揮來說是不利的。

3.4 樁基承載力驗算

《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》［8］規定鉆孔灌注樁的容許承載力

考慮樁頂以下11m范圍內的負摩阻力作用，計算得盾構施工影響時的鉆孔灌注樁的容許承載力中樁為9 463.8.8kN，而中樁最大樁頂反力加上樁身自重與樁身入土部分所占同體積土重之差為10 310.4kN；邊樁容許承載力為5 078.5kN，邊樁最大樁頂反力加上樁身自重與樁身入土部分所占同體積土重之差為6 063.4kN，承載力已小于樁基受到的外力作用，但是由式（1）可知，鉆孔樁的容許承載力包含2倍的安全系數，而且考慮到負摩阻力作用后鉆孔樁的容許承載力基本接近樁所受外力作用，因此可以認為承載力滿足要求。

4 結語

（1）對于寧波等軟土地區等土質情況較差的區域，利用規范進行攪拌樁復合地基沉降計算時，結果偏小，說明現有條件下實際施工效果與理論計算的理想狀態有些差距，應當在理論計算值的基礎上對沉降值進行2～4倍的修正預估。

（2）對于寧波軌道交通1號線二期工程下穿新建北環線，采用攪拌樁加固時，考慮修正系數時工后沉降將達到182～363mm，超過規范Ⅰ級鐵路工后沉降不超過20cm的要求，而采用樁板加固沉降能滿足要求。

（3）數值計算表明，采用樁板結構加固時，盾構施工對鐵路影響較小，雙線完成后最大地表沉降為1.82mm，樁的承載力也滿足要求，因此建議采用樁板加固方式。

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［5］TB 10106—2010鐵路工程地基處理技術規程［S］.

［6］王炳龍.高速鐵路路基工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［7］JGJ94—2008建筑樁基技術規范［S］.

［8］TB10002.5—2005鐵路橋涵地基和基礎設計規范［S］.