地鐵盾構下穿哈大高速鐵路加固效果分析

劉 立 明

(沈陽鐵道工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110005)

1 工程概況

大連地鐵5號線后鹽站—后關村站區間全長3 347 m，區間隧道采用盾構法施工，在K22+860～K22+960附近下穿哈大高速鐵路，臨近盾構穿越段的高鐵橋基礎為擴大基礎，其中：左線距31號橋墩基礎水平和豎向凈距分別為3.27 m，17.10 m，距32號橋墩基礎水平和豎向凈距分別為3.03 m，16.45 m。右線距32號橋墩基礎水平凈距和豎向凈距分別為2.97 m，16.24 m，距33號橋墩水平凈距和豎向凈距分別為3.07 m、豎向凈距13.08 m。盾構穿越高鐵平面位置如圖1所示。本區間標準線間距為17 m，最大線間距為29 m，平面最小曲線半徑為500 m。穿越高鐵橋下為緩和曲線段，緩和曲線長70 m。

2 水文地質條件

盾構穿越哈大高鐵土層自上而下依次為：素填土，層厚1.0 m；中風化白云巖，盾構區間位于中風化白云巖層中，覆巖13.40 m。中風化巖為灰色和灰白色，隱晶質結構，中厚層狀構造，巖芯為塊狀、柱狀，對應的飽和單軸抗壓強度為22.4 MPa～81.2 MPa，標準值為39.5 MPa，綜合判定屬較軟巖～堅硬巖，巖體較為破碎，巖體基本質量等級為Ⅳ級。

3 盾構加固措施

盾構下穿既有高速鐵路時，普遍使用的加固措施通常是可以對地基土采用注漿加固等措施[1]，另一注意事項是嚴格控制盾構的施工參數[2]。隨著經濟的快速發展，地鐵建設越來越多，不可避免的和高速鐵路交叉，地鐵盾構下穿高鐵時，均選擇下穿高鐵高架橋區段。穿越高架橋下，便于變形觀測也容易實時盾構加固，保證既有高速鐵路的安全運營。

本次盾構穿越白云巖時，除盾構施工所包括的同步注漿、二次注漿及必要的補償注漿外，還應從盾構區間內對拱部地層進行補救注漿加固，在盾構后約10環處向襯砌背面巖體進行二次注漿，高鐵橋下隧道盾構時采用完善的超前注漿方法，可以盡可能的減少盾構時差異沉降。

盾構區間對應高鐵橋下施工的止起里程為K22+912～K22+928，本施工范圍內管徑為2.75 m，外觀內徑為3.1 m，管片厚度為0.35 m，盾構機類型為復合式涂鴉平衡盾構機，盾構管片采用6分塊，由一塊封頂塊、兩塊鄰接、三塊標準塊組成，采用普通環錯縫拼裝，每環塊寬1.2 m。在高鐵橋下盾構區段拱頂需要注漿加固，注漿漿液加固的擴散半徑為0.5 m，相鄰注漿加固體的夾角為45°，區間頂部主要位于中風化白云巖中，結合現場施工及監測情況[3]，區間盾構下穿高鐵加固橫斷面如圖2所示。

實時對漿液配比進行動態調整，保證漿液能夠快速填充密實，并在較短時間內達到強度，注漿壓力不大于0.5 MPa，二次壓漿可以有效減少同步注漿不足，加固后，可以顯著降低中風化巖上部地表沉降[4]，采用本方案，可以有效的保證盾構隧道穿越高速鐵路時，沉降符合規范要求，同時，也能夠保證既有高速鐵路安全運營。

結合地質勘察報告，本區段有溶洞存在，為保證盾構安全，盾構機需要配置超前探測設備，能夠及時探測發現盾構前方20 m內溶洞。針對溶洞情況，盾構設計時考慮完善的超前注漿方案，盾構體周向設置10處超前注漿孔，其中上部6根，下部4根。前盾隔板設置7處水平超前注漿孔，在必要時可對開挖面前方進行超前注漿地基加固。

采用微動技術圈定巖溶異常靶區，有條件的地段進行地質鉆探驗證；無法直接在巖溶異常靶區鉆探的，以巖溶異常靶區為中心，在外側不舍鉆孔，采用跨孔電磁波CT進行空間掃描工作，除此之外的勘察區采用鉆孔與跨孔電磁波CT相結合的工作方式。

采用地震微動物探工作共推斷發現了4處溶洞發育區和3處巖體破碎區，發育深度基本在8.0 m～23.5 m之間，沿線位方向發育寬度一般在1.7 m～2.9 m，絕大部分都集中在隧道洞身及以上10.0 m范圍內。

采用電磁波CT共推斷發現了8處溶洞發育區和1處巖體破碎區，溶洞位置與鉆孔揭露情況吻合性較好。根據詳細勘察成果及本次勘察成果，鉆孔揭露的16個溶洞全部為全充填，充填物為軟塑～可塑黏性土及風化巖碎塊，溶洞直徑一般不大于1.0 m，大直徑溶洞較少，溶洞埋深主要在15.0 m以上。鉆孔揭露的16個溶洞當中，隧道頂板以上有10處，占62.50%，洞徑0.4 m～2.2 m。隧道結構范圍內5個，占31.25%，洞徑0.3 m～2.6 m。隧道底板以下1個，占6.25%，洞徑0.9 m。溶洞多位于隧道頂板以上和隧道結構范圍內，隧道底板以下溶洞發育較弱。

施工前根據實際情況，綜合利用高精度瞬變電磁技術、高密度電法、微動等物探方法更準確的探查出該區域的巖溶發育、巖層風化破碎情況等。隧道底板以下5.0 m投影范圍內的溶洞必須填充處理；隧道底板以下5.0 m內但不在隧道投影范圍內的溶洞根據實際情況采取處理措施；隧道底板以下5.0 m范圍以外的溶洞可不處理。每個注漿處理區域的溶洞均要檢測一次，隨機鉆孔取芯，無側限抗壓強度不低于0.4 MPa，處理效果不達標需要補注。

4 數值模型的建立

數值分析中，隧道襯砌管片選用實體單元模擬，材料為C50混凝土管片，土層選用摩爾—庫侖模型，結構選用線彈性模型[5]，有限元計算中土體力學性質指標詳見表1。

表1 土體力學指標

選用三維有限元模型進行施工加固模擬，為了降低邊界效應對數值分析中計算結果的不利作用，確保相應計算結果精準，隧道兩側距離不低于4倍洞徑，模型寬度為60 m；隧道下方取40 m，模型高度63 m；隧道施工方向長度為50 m。網格劃分采用六面體單元，單元總數為80 268個。C50混凝土重度取為25 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量取為34 500 MPa。素填土和中風化白云巖彈性模量分別取為4 000 MPa，39 500 MPa，其余土層力學指標不變。計算分析時，在模型底部施加豎向約束，其余4個側面分別施加垂直各個側面方向的水平位移約束，同時，模型計算前均施加重力荷載。盾構穿越模擬如圖3，圖4所示。

通過有限元數值分析，得出3個高鐵橋墩不同位置的沉降值，見圖5，盾構通過后，哈大高鐵最不利橋梁基礎整體沉降發生在中間的橋墩，沉降值為0.73 mm，0.53 mm為相鄰橋墩的墩基礎最大沉降差，沉降值滿足高速鐵路的安全控制要求，遵照《客運專線300 km/h～350 km/h軌道不平順管理值》和《鐵路線路維修規則》，并結合本地情況和國內類似工程的施工加固措施，按照無砟軌道要求高速鐵路控制值為隆起1 mm，沉降為1 mm考慮，修建地鐵時，采用本加固方法穿越高鐵橋下巖層，能夠保證沉降值符合要求，也能夠確保高速鐵路的列車運營安全。

經數值分析，地鐵施工完畢后，路基的最大沉降槽曲線如圖6所示，最大沉降值為8.08 mm，最大沉降值位于兩條盾構隧道的對稱面位。

5 結論及建議

1)盾構法施工時，首先要確保同步注漿質量和數量符合設計要求，避免地層變形、提升結構的抗滲性，也可以起到改善結構受力，必須保證襯砌管片與盾構圍巖的間隙充填密實，同時，結合下穿段具體地質情況，需要在試驗段先行分析出最佳注漿量及注漿壓力，保證在盾構穿越高鐵時所用參數最優。

2)施工前向鐵路部門申報完備的穿越施工方案，待鐵路部門審批通過后方可施工。并應由鐵路部門提出具體的允許變形值及沉降值控制指標，以便在施工中監測控制，施工過程中加強沉降監測，及時優化施工參數。

3)盾構掘進時，需要嚴格控制掘進速度和姿態，不應頻繁的調整，減少糾偏次數，姿態調整時需要嚴格控制在±5 mm范圍內。

4)進入高鐵橋下投影段前，必須全面檢查盾構機和相關其配套設備，確保以最佳的狀態盾構穿越最關鍵區段。嚴格控制同步注漿量，避免因盾尾空隙未能得到及時填充而產生下沉。并及時進行二次注漿，保證二次注漿量，為了達到更好的控制后期沉降值，注漿時需要結合監測信息情況及時調整，確保以最佳方式盾構穿越。

5)在盾構掘進過程中，通常洞身圍巖塑性區的發展具備滯后性，為了減少盾構時在高速鐵路橋下圍巖中的停留時間，可以快速的完成管片布設安裝工作。

6)采用地面注漿處理的溶洞，應經過鐵路部門同意，做好專項施工方案。盾構過程中遇到待填充物的溶洞，需要加大注漿量快速通過，同時在成型隧道上安排二次補充注漿，防止隧道下沉影響結構質量。溶洞較大，需要進行地面鉆孔注漿，泵送砂漿把溶洞填充密實后再向前推進。

7)施工過程中做好施工監測，為調整和優化施工措施提供可靠信息和依據。