地鐵盾構下穿高速鐵路情況下的路基加固與軌面控制

程雄志

（上海鐵路局，200071，上海∥工程師）

隨著地鐵建設的發展，盾構隧道下穿鐵路的工程逐漸增多。盾構穿越施工是一項存在多項不確定因素的綜合工程，盾構下穿鐵路所引起的鐵路路基沉降、線路變形，加劇了軌道不平順，繼而加大輪軌間的沖擊力，對鐵路安全運營有嚴重影響［1－2］。目前對于盾構隧道施工引起地表沉降的規律已有大量的研究［3－7］。為了保證鐵路的安全運行，可以對盾構穿越處路基采取攪拌樁或旋噴樁圍護和注漿加固，并嚴格控制盾構推進時的施工參數。前者可以減少鐵路運行引起的動荷載，并增加土體抗力以減少管片內力，同時達到控制變形、保證安全的目的［8－10］；后者可以減少施工對地層的擾動。

對于普通鐵路有砟軌道而言，該種加固措施下的沉降量基本滿足鐵路運行安全的要求；而對于高速鐵路的無砟軌道而言，僅采用該種加固措施，沉降量和沉降完成周期往往不能滿足鐵路軌道結構和運行安全的要求［11］，需研究新的路基加固措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地鐵盾構下穿既有鐵路站場區間段，平面情況見圖1。盾構隧道推進施工采用從南向北的方案，推進施工時的運營線路包括：2條客運專線正線，高鐵設計速度目標值為350km／h，正線采用CRTSⅠ型板式無砟軌道；4條到發線，采用有砟寬軌枕軌道；另有3條既有線改線鐵路，為有砟軌道。地鐵區間盾構隧道管片外徑6.2m，厚度350mm，兩隧道水平中心間距為13.7m，隧頂平均埋深為15.6m，隧道埋深及地質剖面分別見圖1、圖2。

圖1 盾構隧道下穿既有鐵路平面示意圖

1.2 工程地質情況

據勘察結果顯示，本段工程勘察深度內的土層自上而下分為①2素填土、③1黏土、③2粉質黏土、④2粉質黏土、④3粉土夾粉砂、④5粉質黏土層，其具體物理力學指標見表1。

圖2 土層縱剖面圖

表1 土的物理力學指標

1.3 問題提出

本工點高速鐵路為CRTSⅠ型板式無砟軌道，沉降控制要求更為嚴格，普通的注漿加固技術措施不能滿足高速鐵路無砟軌道對沉降的要求，因此在盾構穿越高速鐵路正線正下方時需要加強保護措施，以控制盾構穿越引起的鐵路沉降。

2 路基加固方案及理論檢算分析

2.1 路基加固方案

2.1.1 注漿和板樁聯合加固方案

在高鐵新建施工路基的同時，對盾構穿越城際正線的區間段，采用注漿加固（三軸攪拌樁包圍范圍為注漿加固區），同時施做樁板加固保護措施（以下簡稱聯合加固）。鋼筋混凝土板厚1.5m，長（平行于高鐵正線方向）79m，寬12m，板下方設四排φ1 000＠3 000mm鉆孔灌注樁，每排樁樁頂設1 500×2 000梁連接，此外在板角部也設置了鉆孔灌注樁。兩隧道中間和兩側樁長分別為50m、55 m，板角部樁長50m，如圖3所示。

圖3 高速鐵路樁板結構聯合加固圖（單位：m）

2.1.2 注漿加固方案

地鐵盾構在穿越普通鐵路有砟軌道線路段時，若地質情況較差，一般對路基采取攪拌樁或旋噴樁圍護和注漿加固的方案，以改善和提高路基土體的抗力性能。

旋噴加固區：鐵路路基外側1m位置，由兩排直徑為1.5m的旋噴樁相互咬合形成，咬合量為0.2m。主加固區：城際站場一側為兩邊旋噴樁之間的范圍，既有線站場一側為最北鐵路線外5m至最南鐵路線外5m的范圍；注漿加固，要求Ps不低于1MPa。次加固區：城際站場一側為旋噴樁外側10m范圍，既有線站場一側為主加固區外延10m范圍，南、北兩站場之間區域；注漿加固，要求Ps不低于0.8MPa。主加固區、次加固區的加固要求逐漸降低，在強度及剛度上形成過渡。其中，旋噴樁的深度為隧道底部以下1m至地面；主、次加固區的深度為③2土層底至隧道底部以下0.5m，普鐵加固注漿加固方法范圍如圖4所示。

圖4 普鐵加固注漿加固方法范圍圖（單位：mm）

2.1.3 有限元分析

圖5 聯合加固的二維有限元模型

針對本工點加固方案，需對盾構施工過程中地表沉降進行計算分析。選取盾構隧道包含樁數最多的橫斷面建立二維有限元模型。聯合加固的二維有限元模型如圖5所示，注漿加固的二維有限元模型為圖6所示。模型中土體采用硬土模型（HS），單元形式為15節點的三角形單元；加固板采用板單元進行模擬，樁根據剛度等效的原理進行等效處理；樁與土體間加入接觸單元模擬兩者間的相對滑移關系。

圖6 注漿加固的二維有限元模型

數值計算所用的參數詳見表2。

表2 數值計算所用參數

2.2 加固效果分析

加固效果的計算對比如圖7所示。

圖7 兩種不同加固方式加固效果的計算結果圖

由表2、圖7所示，按照本文所述二種加固方案，采用聯合加固相結合的方式加固后，在地鐵盾構穿越高鐵后的地表最大沉降量為2.81mm，遠小于僅采用注漿加固下的最大地表沉降25.18mm。

3 盾構穿越高鐵施工時的相應技術措施

3.1 高鐵線路限速

在盾構即將穿越施工前及過后一段時間（本項目為10天），對高鐵線路的允許速度采取降速，本項目的限速值為120km／h。

3.2 盾構穿越進度控制和二次注漿

盾構機的掘進速度直接關系到對周圍土體的擾動，是造成軌面變化的重要因素，根據經驗和研究分析，將盾構機的推進速度在高鐵區域控制為每日四環較合適。此處盾構實際推進速度基本控制在1.8cm～2.0cm／min之間，推力保持在1 300t左右，扭矩保持2 000～2 100kN·m，盾構油脂50 kg／環，泡沫劑50kg／環。

同時根據地面的變化及時進行多次的注漿，充實管片周圍的空隙，減少后續軌面沉降。同步注漿3.8m3／環左右。

4 軌面狀態監測、監護方法

在盾構穿越高鐵施工期間，通過高精度儀器的監測及時了解施工引起的軌面變化，指導盾構穿越施工參數的調整，對控制軌面的變化起主要的作用；同時采用鐵路工務常用的動態和靜態相結合的監護方法，及時發現軌面的變形并予以整治。

4.1 軌面狀態監測

4.1.1 監測設備

根據高鐵運營期間不得上線檢查的安全規定，不能采用人工檢查軌面變形，必須采用自動的遠程監控方法，本工程采用全站儀進行自動監測。

儀器：采用精密型自動化3D全站儀NET05。NET05自動全站儀可自動照準目標。初始化時只要照準目標的大致方位，瞄準和對焦工作就完全由NET05全站儀來自動完成。

觀測墩：根據工程環境，選取合適的觀測站位，建造穩固的觀測墩，安置強制對中盤。

變形觀測點：在點位上安置棱鏡，將棱鏡與固定厚度鋼板連接，用特定強力膠水將鋼板與軌道板粘接牢固，如圖8（a）所示；有砟軌道線路測點直接與軌枕粘接牢固，如圖8（b）所示。

圖8 線路沉降測點圖

4.1.2 監測頻率

監測重點關注高鐵正線，監測頻率動態調整。在盾構刀盤逼近正線30、20、10m的時候觀測頻率為每24h4次、12次、24次。發現觀測點位數據異常時，對部分點位再加密觀測。盾尾逐漸遠離高鐵正線后，監測頻率隨之遞減。

4.1.3 監測報警值

圖9為監測布點情況，每條線路布設3個測點，分別位于每條隧道軸線及兩條隧道中線與鐵路交點位置；同時保護板與正線相交4個位置布設4個測點。隧道影響范圍內的電化桿設置沉降監測點。

圖9 監測點布置圖

本工點為國內首次地鐵盾構下穿高鐵，對高鐵正線的軌面變形控制尤為重要。經過反復研究，決定將盾構施工期間的高鐵正線軌面變形報警控制值設定為：每24h沉降2mm為報警值，每24h沉降1mm為預警值，總沉降量報警值5mm。

4.1.4 監測數據分析

圖10（a）為北側高速鐵路正線各測點D1—D5最終沉降量，圖10（b）為南側高速鐵路正線各測點E1—E5最終沉降量。由圖可以看出，位于盾構正上方的測點受盾構的影響變形大于位于隧道中心線或者其他地方的測點，北側高速鐵路正線最大沉降量發生在D4測點處，為－0.6mm，南側高速鐵路正線最大沉降量發生在E4測點處，為－0.7mm。高速鐵路正線沉降量很小，所采取的聯合加固方案收到很好效果。

圖10 高速鐵路正線縱向變形曲線

由圖11可知，測點基本呈現先隆起，后下沉的形態。本工程盾構右線先推，左線后推。盾構刀盤切入大板，大板上測點開始隆起，累計最大隆起量為＋1.4 mm；之后隨著盾構的推進遠離，隆起量逐漸減小，沉降逐漸加大，盾尾脫離高鐵正線4天后，開始趨于穩定，3個月后穩定在穩定至－0.7mm左右。

圖11 高鐵正線測點的累計變形時程曲線圖

4.2 軌面狀態監護

為更好地控制線路運行安全，需在遠程監控線路變形監測的基礎上，進一步對線路進行靜態和動態的檢查。

4.2.1 線路靜態檢查

高鐵利用天窗期，對盾構穿越位置及影響區域的軌道幾何狀態采用安博格GRP1000軌檢小車檢查及人工檢查。由于軌面變化較小，維修保養主要采用軌下膠墊調整方法。現場施工地段線路軌面狀態基本良好，無發現異常變化，軌道幾何形位始終處于受控狀態。

4.2.2 線路動態檢查

在盾構穿越施工影響期間，利用軌檢車和人工添乘用便攜式檢查儀的動態檢查方式，每日安排通過施工地點的列車次數在3～5次，便于直接了解軌面的動態變化情況。

本項目在施工限速期間，軌檢車動態檢查共計11次，在地鐵盾構頂進施工地段沒有發現線路搖晃及Ⅲ級超限等不良情況。

5 結語

（1）聯合加固的工程方案地表最大計算沉降量為2.81mm，遠小于僅采用注漿加固下的最大計算沉降量為25.18mm，板樁加固保護的技術措施對抵抗地表沉降效果明顯，有利于保護高鐵軌道結構和列車的運行質量。

（2）通過對采用聯合加固后數值計算和實測驗證對比分析，計算沉降量2.81mm和實測沉降量0.7mm數值相近，并且施工后的沉降量能在短時間內衰減，滿足了對盾構穿越高鐵施工所引起的沉降控制在5mm的技術要求。

（3）通過對線路靜態和動態相結合的監測、監護控制方法，能保證盾構穿越期間的高鐵運營安全。

（4）聯合加固的工程必須在高鐵路基施工前先期施工，因此在規劃高鐵時要同步規劃好地鐵的線位。

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