盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路影響分析及加固方案設(shè)計(jì)

巫先斌 房居旺 曹輝

摘 要：杭州地鐵7號(hào)線工程場(chǎng)地范圍具有分布廣泛、層厚均勻的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，盾構(gòu)區(qū)間主要穿越該土層，屬于典型的軟土層施工；盾構(gòu)區(qū)間在該土層中先后穿越滬昆鐵路路基和杭甬高鐵樁基，需嚴(yán)格控制地面沉降和橋墩位移。本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路的防護(hù)加固方案進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)區(qū)間；下穿鐵路；數(shù)值分析；加固方案

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.088

1 工程概況

杭州地鐵7號(hào)線區(qū)間在里程SDK38+250.146～ SDK38+265.146范圍內(nèi)下穿既有滬昆鐵路路基、側(cè)穿杭甬高鐵橋樁基礎(chǔ)。滬昆鐵路為電氣化復(fù)線鐵路，時(shí)速160km/h，有砟道床。杭長(zhǎng)高鐵是一條東西向客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h，運(yùn)營(yíng)時(shí)速350km/h。無(wú)砟道床，樁基礎(chǔ)為￠1000mm鉆孔灌注樁。區(qū)間隧道與滬昆鐵路、杭甬高鐵相交夾角分別為約91°、90.2°，盾構(gòu)隧道右線管片外徑與滬昆鐵路、杭甬高鐵265#、264#橋墩承臺(tái)最近距離分別為12.47m和6.69m；盾構(gòu)隧道左線管片外徑與滬昆鐵路、杭甬高鐵264#、263#橋墩承臺(tái)最近距離分別為6.71m和12.49m。平面位置關(guān)系見(jiàn)圖1.1。

在下穿滬昆鐵路區(qū)域，地鐵左右線基本位于直線段，沿盾構(gòu)推進(jìn)方向以9.5‰的坡度下坡，隧道覆土約16～17m。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

工程范圍內(nèi)土層從上自下主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂夾粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、含砂粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂。地下水主要為孔隙潛水和孔隙承壓水。土層參數(shù)見(jiàn)表2.1。

3 地鐵區(qū)間下穿鐵路設(shè)計(jì)方案

為確保盾構(gòu)順利掘進(jìn)，保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，需采取措施嚴(yán)格控制盾構(gòu)施工過(guò)程中鐵路路基沉降、橋樁的位移。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)本工程的重要等級(jí)、周邊環(huán)境和施工難度，對(duì)滬昆鐵路、杭甬高鐵防護(hù)加固方案設(shè)計(jì)如下：（1）下穿前對(duì)滬昆鐵路范圍內(nèi)的土體進(jìn)行主動(dòng)注漿，注漿采用水泥漿，水灰比1：1，注漿壓力1.0～1.5Mpa，注漿加固強(qiáng)度不小于1Mpa，同時(shí)設(shè)置兩排￠800mm@600mm二重管旋噴樁，旋噴樁豎向加固范圍同主動(dòng)注漿加固范圍。（2）側(cè)穿高鐵樁基采用隔離樁，隔離樁為￠800mm@1000mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)27m，在左、右線盾構(gòu)1m沿盾構(gòu)軸線方向排布并保證鉆孔樁與橋樁樁心距不小于6m；樁頂設(shè)置冠梁及混凝土橫撐，將隔離樁連成整體，鉆孔樁施做時(shí)隔一打一，減少對(duì)周邊土層的擾動(dòng)。隔離樁間地鐵穿越區(qū)土體進(jìn)行注漿加固，加固深度自標(biāo)高0.2至盾構(gòu)底以下3m。

4 盾構(gòu)隧道施工對(duì)滬昆、杭甬高鐵影響分析

4.1 三維模型及計(jì)算參數(shù)

假定上方滬昆鐵路（路基）與杭甬鐵路（高架）沉降已完成，計(jì)算中得出的沉降是由于地鐵隧道施工中土體的擾動(dòng)引起的。Plaxis 3D建立三維有限元模型，模型總長(zhǎng)度135m、總寬度為150m，深度為70m，土體本構(gòu)采用土體硬化模型模擬，采用5‰地層損失率來(lái)計(jì)算模擬施工過(guò)程。根據(jù)工程的施工順序，計(jì)算時(shí)的模擬步驟如下：工況1：隔離樁（包括樁頂內(nèi)支撐）施工；工況2：右線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)東側(cè)邊緣位置；工況3：右線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)中心位置；工況4：右線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)西側(cè)邊緣位置；工況5：右線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆鐵路路基東側(cè)坡腳位置；工況6：右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推進(jìn)至滬昆鐵路下行線路基中心位置；工況7：右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推進(jìn)至滬昆鐵路上行線路基中心位置；工況8：右線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆鐵路路基西側(cè)坡腳位置；工況9：右線隧道貫通；工況10：左線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)東側(cè)邊緣位置；工況11：左線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)中心位置；工況12：左線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)西側(cè)邊緣位置；工況13：左線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆鐵路路基東側(cè)坡腳位置；工況14：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推進(jìn)至滬昆鐵路下行線路基中心位置；工況15：左線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推進(jìn)至滬昆鐵路上行線路基中心位置；工況16：左線隧道盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至滬昆鐵路路基西側(cè)坡腳位置；工況17：左線隧道貫通。

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)計(jì)算，地鐵隧道開(kāi)挖對(duì)鐵路路基造成影響， 雙線隧道完成后滬昆鐵路路基最大沉降7.71mm，滿足要求。

施工過(guò)程中引起高鐵橋墩墩頂最大橫橋向累計(jì)位移發(fā)生在工況2（右線隧道盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)推進(jìn)至滬昆高鐵、杭深鐵路橋墩承臺(tái)），位于264#墩，最大位移為0.251mm；高鐵橋墩的墩頂最大順橋向累計(jì)位移發(fā)生在工況9（右線盾構(gòu)貫通），位于264#墩，最大位移為-0.868mm；高鐵橋墩墩頂最大豎向累計(jì)位移發(fā)生在工況17（左線盾構(gòu)貫通），位于264#墩，最大位移-0.495mm，橋梁位移值均滿足規(guī)范要求。

5 盾構(gòu)推進(jìn)其他施工措施建議

5.1 施工參數(shù)選取

為了保證上方鐵路的行車安全盾構(gòu)施工參數(shù)的合理選取是重要因素，因此結(jié)合以往對(duì)施工參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果以及杭州地區(qū)類似工程實(shí)踐中實(shí)際的施工參數(shù)，確定本工程的施工參數(shù)。

（1）盾構(gòu)推進(jìn)土倉(cāng)壓力。大量的工程經(jīng)驗(yàn)表明，盾構(gòu)前倉(cāng)推力的增加引起的盾構(gòu)前方隆起可以平衡部分地表沉降，從而可以減少地面沉降；建議在盾構(gòu)掘進(jìn)中，在實(shí)際施工中，前倉(cāng)土壓力可取1.1～1.2倍的靜止土壓力，即前倉(cāng)土壓力值宜比理論值高出15～25 kPa。

（2）頂進(jìn)速度。盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過(guò)快，不利于控制地表沉降。根據(jù)軟土地區(qū)既有盾構(gòu)下穿鐵路的工程經(jīng)驗(yàn)，保持2.0～2.5cm/min的推進(jìn)速度勻速推進(jìn)，每日推進(jìn)7～10環(huán)，排土量為理37.1m3/環(huán)，能有效控制地面沉降。

（3）隧道偏移。在盾構(gòu)進(jìn)入穿越區(qū)前，應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)至最佳，嚴(yán)控盾構(gòu)糾偏。盾構(gòu)施工中，要盡量避免盾構(gòu)機(jī)“蛇”形，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)蛇形運(yùn)動(dòng)的修正，應(yīng)以長(zhǎng)距離慢慢修正為原則，一次糾偏量不宜超過(guò)5mm。根據(jù)隧道地質(zhì)變化、隧道埋深、盾構(gòu)姿態(tài)、刀盤(pán)扭矩等，及時(shí)跟蹤調(diào)整，對(duì)出現(xiàn)的小偏差及時(shí)調(diào)整，以減少地層的擾動(dòng)。

5.2 盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔注漿

穿越鐵路時(shí)，每環(huán)盾構(gòu)管片增設(shè)10個(gè)注漿孔。在盾構(gòu)通過(guò)后，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況通過(guò)增設(shè)的注漿孔及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿，以限制地層沉降，確保滬昆鐵路路基、杭甬高鐵橋樁的安全。

6 主要結(jié)論與建議

通過(guò)分析和論證，得到本工點(diǎn)技術(shù)方案的主要結(jié)論和建議如下：

（1）對(duì)滬昆鐵路工程，為控制盾構(gòu)施工引起的鐵路線路變形、減小地鐵隧道結(jié)構(gòu)承受的鐵路動(dòng)荷載及地鐵隧道長(zhǎng)期變形對(duì)鐵路的影響，建議在盾構(gòu)施工期間，實(shí)行限速。下穿時(shí)考慮地層預(yù)加固，施工期間應(yīng)控制盾構(gòu)施工參數(shù)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及鐵路線路的監(jiān)護(hù)、養(yǎng)護(hù)等工作。

（2）下穿杭甬高鐵期間，由于隧道與樁基凈距較小，在減少隔離加固措施對(duì)樁基影響的前提下采取鉆孔灌注樁加固隔離，確保樁基變形在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

（3）盾構(gòu)推進(jìn)、注漿加固期間至施工結(jié)束后最少三個(gè)月內(nèi)（應(yīng)觀測(cè)到鐵路線路變形穩(wěn)定為止），必須進(jìn)行同步跟進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并加強(qiáng)線路的養(yǎng)護(hù)維修。

（4）地鐵建設(shè)制定設(shè)計(jì)施工方案前應(yīng)與鐵路養(yǎng)護(hù)及運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)加強(qiáng)溝通，相互協(xié)作，地鐵設(shè)計(jì)施工方案應(yīng)征得鐵路管理部門(mén)批準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂培林.軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道下穿鐵路干線引起的線路沉降規(guī)律分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2007，28（02）：12-16.

[2]徐干成，李成學(xué)，王后裕等.地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析[J].巖土力學(xué)，2009，30（S2）：269-272.

[3]霍軍帥，王炳龍，周順華.地鐵盾構(gòu)隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2011，32（05）：71-77.