地鐵隧道下穿既有鐵路施工時的地基加固分析

高志剛 馮 超

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安;2.中鐵七局集團西安工程公司，710032，西安∥第一作者，講師)

新建地鐵隧道下穿既有鐵路線施工時，會對既有鐵路線的結構和軌道產生影響。不同的施工方法、控制技術措施在不同的施工階段對既有鐵路線變形的影響是不同的。地鐵隧道盾構下穿施工是一項存在多項不確定因素的綜合工程，或多或少會引起鐵路軌道的前后不平順及整體沉降或差異沉降等現象，這些都會給鐵路的安全運營帶來很大的不確定因素［5-8］。蘇州某地鐵隧道盾構下穿高鐵路基采取板樁結構和注漿聯合支護的方法;北京地鐵5號線崇文門站下穿2號線崇文門渡線段，采取大管棚和注漿聯合支護的方法。無論采取何種方法進行地基加固，保證地鐵隧道施工不影響既有軌道線路的運營安全一直是倍加關注的工程問題。

本文對南京地鐵S8 線某段盾構隧道下穿既有寧啟鐵路施工時的地基加固作數值分析。該地鐵盾構左線下穿鐵路高填路基，而右線下穿鐵路剛構橋。探究盾構下穿時二者及其結合處的地表變形規律和保護措施是本文研究的重點。

1 工程概況

南京地鐵S8 線一期工程作為南京市2014年青奧會交通配套工程之一，始自南京市大橋北路，終至六合區金牛湖風景區。全線共設17 座車站，其中高架站11 座，地下站6 座。該線的方州廣場站—沈橋站區間為盾構施工隧道，在K28 +951.770 處左右線(線間距為20 m)分別下穿既有的寧啟鐵路路基和鋼構橋。其中，左線穿越鐵路路基段長度約33 m(28 管環)，從鐵路路基表面算起埋深約16 m;右線穿越鋼構橋長度約16 m(13 環)，從地面算起埋深約10.5 m。地鐵隧道與既有寧啟鐵路的平面關系示意圖見圖1所示。

圖1 地鐵隧道與既有寧啟鐵路的平面關系示意圖

根據勘察報告按成因及年代可將該施工段的地層整合成4 層，其物理力學指標詳見表1。

地鐵隧道所處地層為粉質黏土或淤泥質粉質黏土，工程地質一般。

地鐵隧道采用盾構施工，選用盾構機型號為小松TM634PSX-43，盾構外徑6.34 m，盾尾間隙量30 mm，最大推力37 730 kN。采用整環管片做支護的方式進行掘進，管片依次拼裝3 個標準塊A，然后安裝2塊鄰接塊B，最后安裝楔形塊K。管片外徑為6 200 mm，內徑為5 500 mm，厚度為350 mm，環寬為1 200 mm。整環管片拼裝完后，在盾尾密封刷內填塞密封油脂，以保護盾尾密封刷不被磨壞，然后將管片往盾尾后推出1 200 mm。并及時進行同步注漿。

表1 施工段各地層物理力學指標

2 地鐵隧道盾構施工的數值模擬計算

寧啟鐵路的沉降控制要求嚴格。為確保施工的安全性，做到萬無一失，決定建立三維模型進行盾構下穿施工的數值計算分析，以確定是否需要采取地基加固措施及采取什么樣的地基加固參數。

2.1 三維數值模型

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續介質快速拉格朗日分析)軟件是由學者Cundall和美國ITASCA 公司研發的有限差分數值計算程序，主要適用于巖土工程問題分析。本次計算采用該軟件進行數值分析工作。模型共劃分為53 726個單元、57 806 個節點。盾構管片采用C50 混凝土材料參數。巖土體的模擬采用德魯克-普拉格本構模型，對塊體單元進行空化和激活來模擬土體的開挖和填筑，用梁單元模擬剛構橋，用線彈性模型模擬隧道管片結構。其中，土體和地鐵隧道鋼筋混凝土管片的接觸通過壁后等代層來實現。等代層中的材料是土、水泥漿及土與水泥漿的混合體，其彈性模量應介于土和水泥之間，一般可參考水泥土的壓縮模量來取值。它與土的性質、漿體材料及其組成比例等有關。

計算時作如下假定:

1)圍巖荷載釋放率:在盾構盾尾脫出時，如果能做到注漿與應力釋放同步，注漿壓力等于盾構脫出卸荷產生的釋放應力，漿液不失水收縮，則可以認為圍巖的荷載釋放率為零。而實際上，圍巖的荷載釋放率不可能為零。根據參考文獻和當地施工經驗，選擇荷載釋放率為0.2。

2)等代層模擬注漿:注漿通過等代層參數反映漿液的性質，認為注漿材料會及時完全填充盾尾的理論空隙值。注漿形成的等代層厚度取為0.15 m。等代層采用彈性體，彈性模量為4.5 MPa，泊松比取為 0.3。

現以此假定為依據進行模擬計算，分析盾構下穿寧啟鐵路時對其沉降的影響規律。地鐵左右線隧道盾構施工下穿寧啟鐵路的三維數值模型如圖2所示。

圖2 地鐵左右線隧道盾構施工下穿寧啟鐵路的三維數值模型

2.2 三維數值模擬計算結果分析

根據設計文件要求和《鐵路線路維修規則》等相關標準可知，地表的允許隆沉值分別為+8 mm 和-25 mm。圖3a)是在未對鐵路路基及剛構橋采取任何加固措施的工況下，左線隧道開挖的模擬計算地表沉降曲線。其曲線變化趨勢表明在隧道開挖通過后，地表形成沉降槽，符合有關地層沉降理論，在線路中心處沉降曲線最低點的沉降值達到18 mm。由于地表沉降造成隧道腰部橫向變形，引起鐵路剛構橋西端有隆起現象，模擬隆起值達到10 mm。圖3b)是繼地鐵左線隧道開挖之后，地鐵右線隧道開挖疊加引起的地表沉降曲線。其曲線變化趨勢表明，伴隨著地鐵右線隧道的開挖，地表沉降曲線仍然表現為派克(Peck)曲線，但最大沉降點向東側偏移至兩隧道中心線處，地表最大沉降值為22 mm。同時由于右線隧道開挖引起的地層損失導致鐵路剛構橋西端由原來的隆起變為沉降，沉降值為13 mm。

圖3 原始條件下開挖后地表沉降模擬曲線

由圖3 可以看出，即使嚴格遵守盾構相關施工參數，及時進行盾構同步注漿，仍然不可避免引起鐵路路基和剛構橋西半部分的下沉。因為計算時采取了一定的簡化條件，和現實土層狀況有差異，雖然地表沉降值未超出安全容許范圍，但從曲線變化趨勢上也揭示了盾構下穿寧啟鐵路施工期間的潛在危險性。地層不均勻沉降容易導致鐵路軌頂不平順，由此引起的不平順將加大輪軌間的沖擊力，使路基內動應力加大，從而使地鐵隧道結構受到的附加動應力增大。為了保證該鐵路在地鐵盾構下穿施工期間的絕對安全，應該借鑒相關案例經驗和資料，采取地基主動加固措施，人為提高鐵路鋼構橋基礎和穿越區范圍內的地層物理參數，從而提高其地基強度。

經分析研究，建議對盾構穿越寧啟鐵路路基和剛構橋的施工范圍內的地層進行加固處理，提高其地基強度，以減小地層位移。從地基加固后的地層位移云圖可知，加固后雙線地鐵隧道開挖引起的路基最大沉降值為5 mm 左右，剛構橋西側沉降在1 mm 左右，剛構橋其余部位地基隆起值在1 mm 左右。較之地基未加固時的巖土條件，地表沉降已有很大改善，可以滿足鐵路安全運行的要求。故在該段地鐵隧道施工時需對地基進行加固。

3 地層沉降控制技術

3.1 地基加固

鐵路的地基加固示意圖如圖4所示。

圖4 鐵路的地基加固示意圖

經研究討論并查閱相關資料，決定對盾構隧道通過段的寧啟鐵路路基和剛構橋進行地基加固。考慮到鐵路周邊有廠房民居等建筑物，而且穿越寧啟鐵路剛構橋的金江公路車流量較大，不便于交通改道，同時大型施工機械不利于鐵路的運行安全防護，故應盡量采用小型便利的機械施工。最后決定采用袖閥管注漿技術進行地基加固。袖閥管是一種只能向管外出漿，不能向管內返漿的單向閉合裝置。可以根據地層情況調整灌漿長度，實現定量、定尺、可控灌漿，還可重復灌漿。鉆孔和灌漿分開，以提高鉆孔、灌漿設備的利用率。

地鐵隧道左線下穿鐵路路基長為33.819 m，右線下穿鐵路剛構橋長為15.647 m，其中地基加固區的左線對應隧道長度為52 環，右線地基加固區對應隧道長度為35 環。

注漿范圍為:鐵路剛構橋下地基的加固深度大于隧底1 m;鐵路路基的地基加固區長、寬、深分別為36 m、20 m、25 m。根據模擬數值計算可知，將地基承載力提高7～10 倍即可滿足要求。根據施工經驗，漿液采用水泥漿，水與水泥的重量比為1∶2，采用32.5號普通硅酸鹽水泥。水泥摻量為被加固土體的18%。加固28 d 后經相關單位檢測，無側限抗壓強度大于1.0 MPa，符合計算結果。對鐵路剛構橋下進行地基加固時金江公路左右車道交替圍擋施工，注漿采用2 套設備從南北兩側對稱同步注漿，為防止地層隆起，注漿壓力控制為 0.2～0.5 MPa。

3.2 盾構施工技術

在盾構掘進過程中，除了適時調整土倉壓力、推力、刀盤扭矩及掘進速度外，在進入鐵路路基下前10 環時，刀盤壓力每環增大0.012 MPa;在越過路基10 環時，刀盤壓力每環減小0.01 MPa。此外，在下穿寧啟鐵路前，統計前100 環的施工工況，如盾尾漏漿發生超過2 次，則需盾構進入寧啟鐵路界限30 m 范圍前，在當前環將油缸推進至最大行程;并檢查第三道盾尾密封刷的完好狀況，如有損壞則對此道盾尾刷進行更換。盾構下穿寧啟鐵路段的地鐵隧道平面線型為緩和曲線與直線段，穿越區縱斷面為4‰的上坡。盾構穿越前將盾構平面姿態控制在±20 mm 之間，偏下-5～-20 mm;應嚴格控制同步注漿，及時檢查滲漏漿并結合地表沉降現場監測情況，做好二次注漿。

4 鐵路地基加固效果檢驗

為了對鐵路地基的加固效果進行檢驗，特設置地基沉降監測點，其平面布置見圖5所示。地基沉降實測結果如表2所示。

圖5 地基沉降監測點平面布置圖

表2 鐵路地基沉降觀測一覽表mm

現場監測結果表明，鐵路地基沉降規律和未加固之前的數值模擬計算相比基本一致，但是沉降值已經有了很大的改觀。結合圖5 和表2 可知，隧道左線開挖后，隧道頂部鐵路路基產生沉降，并在左線上方巖土層形成典型沉降槽，沉降最大值約3 mm，位置為隧道的頂部鐵路正上方。剛構橋底部由于隧道腰部的變形擠壓而出現微小隆起，單獨開挖左線對剛構橋的擾動并不顯著。隨著右線的開挖，鐵路路基頂部的沉降繼續發展，靠近剛構橋側沉降值明顯增大，而剛構橋西下角則由于右線的開挖由隆起變為沉降，其沉降值約為0.7 mm。兩隧道成型后對剛構橋的影響明顯比單一隧道開挖要大，但剛構橋整體沉降值明顯在安全可控范圍之內。

5 結語

1)在地鐵隧道施工中，無論采取哪種施工方法，都不可避免對周邊圍巖造成一定程度的擾動。擾動大小與開挖方法、隧道埋深、隧道間距、地質情況等有關。特別是地鐵隧道需下穿既有鐵路線施工時，施工前采取數值模擬預測方法是一個決定地基是否加固的有效手段。

2)考慮既有鐵路線的運營安全，鐵路地基加固方法宜選用袖閥管注漿，既方便快捷，又容易控制注漿范圍。數值模擬計算顯示，未進行地基加固時，地鐵隧道左線開挖引起鐵路路基段沉降，而剛構橋和路基接茬處呈現隆起，接近安全控制值;而注漿加固后與未注漿工況相比，地基沉降變化趨勢一致，但沉降最大值已降為3 mm 左右，隆起最大值為0.7 mm，已遠遠小于安全控制值，不影響鐵路安全運營。

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