地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿擋墻式鐵路路堤變形控制措施研究

宋月光

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

近年來，隨著我國地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿工程逐步增多。其中，針對盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿鐵路路基工程已開展大量研究，部分學(xué)者采用數(shù)值分析的方法對盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路路基的地表沉降進(jìn)行了三維仿真數(shù)值模擬[1-4]，也有學(xué)者采用風(fēng)險分析的方法對盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路風(fēng)險進(jìn)行分析[5-6]。另外，盧裕杰采用風(fēng)險分析結(jié)合數(shù)值計算的方法分析盾構(gòu)下穿對鐵路站場路基的影響[7]；季大雪通過理論計算結(jié)合數(shù)值分析的方法對盾構(gòu)推進(jìn)引起鐵路沉降進(jìn)行計算分析[8]；韓彥斌等利用專家調(diào)查法和層次分析法對盾構(gòu)隧道穿越鐵路股道的施工風(fēng)險進(jìn)行統(tǒng)計和評估[9]；袁建議等對盾構(gòu)隧道下穿鐵路對管片襯砌承受列車荷載引起的附加動應(yīng)力進(jìn)行研究[10]；蔡小培等對盾構(gòu)下穿施工引起高速鐵路軌道的變形特征進(jìn)行了研究[11]；龔倫等采用3D動力有限元對列車荷載引起下穿隧道的振動影響進(jìn)行研究[12]。不難發(fā)現(xiàn)，以往研究多針對土質(zhì)邊坡路基，盾構(gòu)與鐵路的夾角均大于45o，且主要關(guān)注對鐵路路基及軌道的保護(hù)，而對鐵路的重要附屬設(shè)施接觸網(wǎng)立柱的保護(hù)鮮有涉及。以下結(jié)合北京地鐵13號線盾構(gòu)區(qū)間下穿東北環(huán)鐵路工程，對盾構(gòu)區(qū)間小交角下穿擋墻式鐵路路堤及接觸網(wǎng)立柱的工程風(fēng)險及控制措施進(jìn)行研究。

1 工程概況

本工程盾構(gòu)區(qū)間下穿東北環(huán)鐵路，區(qū)間左線與鐵路交角為45°，區(qū)間右線與鐵路交角為33°。下穿段鐵路位于昌平區(qū)北京龍祥制版工業(yè)園西側(cè)，為雙線電氣化鐵路，設(shè)計速度為110 km/h，國鐵Ⅱ級，有砟軌道。鐵路路堤兩側(cè)擋墻采用扶壁式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，擋墻高5.6 m，縱向節(jié)長7.5 m。區(qū)間隧道下穿接觸網(wǎng)立柱4根，其中，正穿GJ58號立柱；鄰近側(cè)穿GJ57、SJ33、SJ34號立柱，區(qū)間隧道與立柱水平凈距分別為4.18 m、8.3 m、3.3 m；立柱采用φ700鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約4.2 m。區(qū)間隧道下穿鐵路平面、立面位置關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿鐵路平面位置關(guān)系(單位：m)

圖2 東北環(huán)鐵路擋墻式路堤設(shè)計(單位：m)

區(qū)間隧道直徑為6 m、管片厚0.3 m，隧道左右線拱頂與擋墻底間垂直凈距分別為11.899 m、11.934 m。隧道上部地層為素填土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、中砂層，隧道洞身基本位于中砂層，隧道基底位于粉質(zhì)黏土層。地下水位于地面以下9.5 m(為潛水)，隧道位于地下水位以下。區(qū)間隧道下穿鐵路立面位置關(guān)系及地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 區(qū)間隧道下穿鐵路立面位置關(guān)系(單位：m)

2 工程風(fēng)險分析

2.1 與鐵路交角

區(qū)間與鐵路交角較小，區(qū)間左線與鐵路交角為45°，區(qū)間右線與鐵路交角僅33°。小角度下穿增大了對鐵路的影響范圍，從而增加鐵路軌道的整體變形及縱向不均勻變形。

2.2 軌道變形

盾構(gòu)隧道開挖會使隧道周邊土體產(chǎn)生應(yīng)力釋放，引起隧道上方土體變形，進(jìn)而引起軌道變形。軌道變形過大會引起軌道高低不平順、軌距變化、三角坑等病害。軌道高低不平順會增加列車通過時的沖擊力，加速軌道及道床結(jié)構(gòu)的變形，對車輛設(shè)備及行車安全構(gòu)成危害；軌距過大或過小，在與其他因素共同作用下可能會引起脫軌或爬軌；三角坑會引起輪軌作用力發(fā)生變化，其高點(diǎn)會使車輛出現(xiàn)側(cè)滾，同時對車體附加一個垂直力，使車輛產(chǎn)生垂直振動，其低點(diǎn)會使車輛懸空減載，同時使車輛轉(zhuǎn)向架扭曲變形，嚴(yán)重時可能造成列車脫軌。

2.3 擋墻變形

擋墻為路堤的支護(hù)構(gòu)件，擋墻一旦發(fā)生較大變形或傾斜，勢必引起路堤及軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，嚴(yán)重時路堤可能發(fā)生垮塌；擋墻沿縱向每7.5 m設(shè)置了一道伸縮縫，兩區(qū)間隧道均跨縫穿越，結(jié)構(gòu)伸縮縫處極易產(chǎn)生較大的差異沉降，進(jìn)而引起軌道產(chǎn)生較大的突變變形，嚴(yán)重影響行車安全。因此，需采取措施嚴(yán)格控制擋墻整體變形及縱向不均勻變形。

2.4 接觸網(wǎng)立柱變形

接觸網(wǎng)是列車供電裝置，若接觸網(wǎng)立柱沉降傾斜過大，會對列車運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，本工程區(qū)間正穿接觸網(wǎng)立柱1根，側(cè)穿接觸網(wǎng)立柱3根、最近水平距離僅3.3 m，為確保鐵路運(yùn)營及施工安全，需對接觸網(wǎng)立柱采取防護(hù)措施。

2.5 地面超載影響

路堤較現(xiàn)狀地面高約4 m，存在較大的地面超載，盾構(gòu)掘進(jìn)時，超載會增大盾殼與土體間的摩擦力及刀盤正面水土壓力，而盾構(gòu)推力主要由這兩部分作用力組成[13]，盾構(gòu)下穿施工時應(yīng)及時調(diào)整盾構(gòu)推力，主動控制變形；同時，地面超載也會增大管片結(jié)構(gòu)受力。

2.6 盾尾空隙填充

盾構(gòu)機(jī)外徑大于隧道管片外徑，在盾構(gòu)機(jī)尾部管片與土體間存在較大空隙，根據(jù)相關(guān)研究，盾構(gòu)隧道的大部分沉降由盾尾空隙引起[14]，本工程變形要求嚴(yán)格，盾尾空隙填充填料的選擇及填充的及時性是變形控制的重點(diǎn)。

3 工程控制措施

依據(jù)風(fēng)險分析，從鐵路防護(hù)、盾構(gòu)施工控制、管片結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面采取措施控制下穿鐵路風(fēng)險。

3.1 鐵路防護(hù)措施

(1)扣軌加固措施

東北環(huán)鐵路采用碎石道床，軌道結(jié)構(gòu)整體性較差，為盡量減小盾構(gòu)施工期間軌道的縱向不均勻變形及軌道間的差異變形，采用了3-5-3扣軌，如圖4所示。

圖4 扣軌設(shè)計(單位：mm)

扣軌從盾構(gòu)隧道中線向兩側(cè)對稱進(jìn)行，采用隔六換一。枕木尺寸220 mm×280 mm×3 200 mm，鋼軌采用43 kg/m軌，鋼軌與枕木間通過扣板及U形螺栓相連。扣軌加固范圍按距盾構(gòu)隧道影響線外延3 m考慮，總長125 m。

(2)擋墻及路堤基底加固

為提高擋墻及路堤基底的剛度及整體性，減少盾構(gòu)施工期間擋墻及軌道結(jié)構(gòu)變形，對擋墻及路堤基底進(jìn)行注漿加固。根據(jù)盾構(gòu)施工對鐵路影響程度不同，將加固區(qū)分為主加固區(qū)及次加固區(qū)，平面加固范圍：主加固區(qū)為隧道兩側(cè)各0.7H(H為盾構(gòu)隧道底至地面距離)，次加固區(qū)為隧道兩側(cè)0.7H～1.0H。立面加固范圍：基底墊層以下5 m(如圖5、圖6所示)。

圖5 注漿加固平面(單位：m)

圖6 注漿加固立面(單位：m)

主加固區(qū)在盾構(gòu)施工前完成注漿加固；次加固區(qū)根據(jù)盾構(gòu)施工監(jiān)測情況確定是否需要進(jìn)行注漿加固。采用先周邊后中間、跳孔間隔注漿，漿液采用水泥漿。注漿時應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿壓力以水泥漿液能順利注入為原則，盡量采用較小的注漿壓力，防止因注漿壓力控制不當(dāng)引起路堤隆起，確保鐵路正常運(yùn)營。

(3)擋墻伸縮縫加固

為提高擋墻的整體性，減小伸縮縫處的差異沉降，采用槽鋼對擋墻伸縮縫進(jìn)行加固。槽鋼沿豎向設(shè)置3排(排距1.6 m)，每排均采用雙拼[32b槽鋼，槽鋼與擋墻間通過化學(xué)錨栓連接，如圖7所示。

圖7 擋墻加固設(shè)計(單位：mm)

(4)接觸網(wǎng)立柱加固

為提高接觸網(wǎng)立柱整體穩(wěn)定性，除鄰近鐵路側(cè)外，其余三面均架設(shè)鋼斜撐。鋼斜撐采用雙拼L80 mm×50 mm×5 mm角鋼，斜撐一端與立柱加強(qiáng)槽鋼焊接，另一端與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板焊接，立柱基礎(chǔ)鄰近擋墻側(cè)利用既有擋墻結(jié)構(gòu)、其余位置設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，如圖8、圖9所示。

圖8 接觸網(wǎng)立柱加固平面(單位：mm)

圖9 接觸網(wǎng)立柱加固立面(單位：mm)

3.2 盾構(gòu)施工控制措施

(1)土倉壓力

土倉壓力過低，會造成刀盤前方土體向土倉內(nèi)移動，進(jìn)而引起地面沉降。地面超載會使隧道下穿路基時刀盤前方的土壓力與正常掘進(jìn)段相比有所提高，根據(jù)理論計算大約提高10%。因此，隧道下穿掘進(jìn)時，應(yīng)注意及時提高土倉壓力，以平衡增加的土壓力，主動控制沉降。

(2)盾構(gòu)總推力

由于地面超載的存在，根據(jù)理論計算，下穿路基期間，盾構(gòu)總推力會比正常掘進(jìn)段提高15%左右。盾構(gòu)推力過大會引起地面隆起，過小會引起地面沉降。因此，盾構(gòu)進(jìn)入下穿路基影響區(qū)域前，應(yīng)適當(dāng)提高推力，通過影響區(qū)后應(yīng)適當(dāng)降低推力，具體數(shù)值根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整，主動控制沉隆。

(3)同步注漿

同步注漿是盾尾空隙填充、減小變形的關(guān)鍵工序。相較于傳統(tǒng)的同步注漿材料，克泥效漿液具有凝結(jié)時間快、粘稠度高、抗稀釋性和擋水性好、抗沉陷性強(qiáng)等特點(diǎn)。多個已實(shí)施工程的實(shí)踐表明，該漿液在控制變形方面具有一定的優(yōu)勢。另外，應(yīng)保證同步注漿的及時性，同步注漿速度應(yīng)與盾構(gòu)掘進(jìn)速度相匹配。

3.3 管片結(jié)構(gòu)設(shè)計措施

(1)管片配筋加強(qiáng)

路堤段超載較大，根據(jù)計算，下穿路堤段管片受力較一般段增大約25%，管片配筋應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)，管片主筋直徑由18 mm調(diào)整為22 mm，其余配筋根據(jù)受力計算結(jié)果也做相應(yīng)調(diào)整。

(2)預(yù)留二次加強(qiáng)注漿孔

為控制工后沉降，在隧道普通段上半斷面3個注漿孔的基礎(chǔ)上，再增加4個預(yù)留注漿孔，一旦工后沉降較大，立即進(jìn)行二次深孔加強(qiáng)注漿。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計算模型與參數(shù)

計算采用三維有限元數(shù)值模擬的方法[15]，計算軟件采用MIDAS GTS NX，根據(jù)區(qū)間隧道與鐵路路堤的相對位置關(guān)系及隧道施工影響范圍，確定模型總尺寸為250 m(長)×140 m(寬)×60 m(深)。隧道管片結(jié)構(gòu)采用殼單元，擋墻、鐵路路堤、土體采用實(shí)體單元，接觸網(wǎng)立柱采用梁單元模擬，土體本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，并滿足摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。列車荷載按ZKH荷載考慮[16]。由于擋墻采取了加固措施，模擬計算時不考慮伸縮縫的影響，按整體結(jié)構(gòu)考慮。接觸網(wǎng)立柱計算時未考慮加固措施。盾構(gòu)直徑6 m，盾構(gòu)開挖直徑6.28 m，兩者間空隙采用注漿填充。管片、擋墻、接觸網(wǎng)立柱、注漿層為理性線彈性材料。邊界條件：模型底部施加豎向固定位移約束，模型四周約束為各面的法向位移約束，地表為自由面。計算模型如圖10所示。

圖10 計算模型

各層土的物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

模型其他材料物理力學(xué)參數(shù)取值見表2。

表2 模型其他材料物理力學(xué)參數(shù)

4.2 計算工況及施工過程模擬

計算分兩個工況：①考慮擋墻及路堤基底注漿加固；②及不考慮擋墻及路堤基底注漿。

根據(jù)現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，先開挖右線后開挖左線，開挖進(jìn)尺為1.2 m。每一開挖步序分兩個計算步：①開挖土體單元(包括盾構(gòu)隧道土體、管片環(huán)、背后注漿層)，在開挖面上施加法向力以維持開挖面受力平衡，法向力取0.15 MPa；②激活管片及注漿層，模擬管片安裝及背后注漿。

4.3 計算結(jié)果分析

(1)軌道變形

沿東北環(huán)鐵路縱向軌道中心線處斷面的軌道最終沉降曲線見圖11。由圖11可知，沉降曲線整體呈“W”形，低點(diǎn)基本位于隧道左右線上方；軌道最大沉降發(fā)生在地鐵右線隧道上方，不注漿加固工況沉降值為8.34 mm、注漿加固工況為4.23 mm；不注漿加固工況左線隧道上方最大沉降值為7.10 mm、注漿加固工況為3.74 mm。不注漿加固工況軌道最大水平位移為1.87 mm，注漿加固工況為0.77 mm，水平位移總體向隧道掘進(jìn)方向偏移。

圖11 東北環(huán)鐵路軌道沉降槽曲線

(2)擋墻變形

通過對南北兩側(cè)擋墻變形數(shù)值及規(guī)律的對比分析，兩側(cè)擋墻的變形規(guī)律基本一致，變形數(shù)值也基本相當(dāng)，北側(cè)擋墻變形略大于南側(cè)擋墻，北側(cè)擋墻的沉降曲線見圖12。根據(jù)計算結(jié)果，沉降曲線在兩隧道間呈平緩、平順變化，說明與軌道相比擋墻結(jié)構(gòu)整體性好、剛度大、抗變形能力強(qiáng)。擋墻結(jié)構(gòu)最大沉降不注漿加固工況為7.47 mm、注漿加固工況為3.88 mm，位于右線隧道上方；左線隧道上方最大沉降值不注漿加固工況為6.46 mm、注漿加固工況為3.49 mm；擋墻最大水平位移不注漿加固工況為1.03 m，注漿加固工況為0.322 mm，水平位移總體向盾構(gòu)掘進(jìn)方向偏移。

圖12 東北環(huán)鐵路擋墻沉降槽曲線

(3)接觸網(wǎng)立柱變形

施工影響范圍內(nèi)各接觸網(wǎng)立柱沉降值見表3。

由表3可知，右線隧道正穿接觸網(wǎng)立柱(GJ58)沉降值及水平位移最大，不注漿加固工況沉降值為7.12 mm、注漿加固工況為3.76 mm；不注漿加固工況水平位移為1.83 mm、注漿加固工況為1.05 mm。

表3 各接觸網(wǎng)立柱沉降 mm

綜上，軌道、擋墻及接觸網(wǎng)立柱的最大沉降值均位于右線隧道上方，如不采取注漿加固措施，最大沉降值均大于沉降控制指標(biāo)(5 mm)，不滿足要求；采取注漿加固措施后，沉降值大為降低，且最大沉降值均小于5 mm，滿足控制指標(biāo)要求。

5 與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比分析

針對下穿鐵路工程制定了專項監(jiān)測方案，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制軌道、擋墻及GJ58號接觸網(wǎng)立柱實(shí)測沉降曲線，并與注漿加固工況計算預(yù)測的沉降曲線進(jìn)行對比，如圖13所示。

圖13 預(yù)測與實(shí)測沉降曲線對比

由圖13可知，軌道、擋墻及GJ58號接觸網(wǎng)立柱預(yù)測與實(shí)測沉降曲線變化趨勢基本一致；軌道、擋墻沉降的實(shí)測最大值(分別為3.96 mm、3.51 mm)小于計算最大值(分別為4.23 mm、3.88 mm)，但兩者相差不大(均在10%以內(nèi))。盾尾空隙填充是控制沉降的關(guān)鍵工序，沉降實(shí)測值小于計算值，說明填充材料克泥效漿液在控制變形方面效果較好，同時也說明在施工過程中注漿時機(jī)控制得當(dāng)。接觸網(wǎng)立柱沉降實(shí)測值(1.54 mm)小于計算值(3.76 mm)，實(shí)測值約為計算值的41%，這主要是因?yàn)閿?shù)值模擬時接觸網(wǎng)立柱沒有考慮加固措施。從實(shí)測數(shù)據(jù)看，采取加固措施后，接觸網(wǎng)立柱沉降值大為降低，安全性進(jìn)一步提高。總的來看，實(shí)測變形數(shù)值均滿足相關(guān)控制指標(biāo)要求，所采取的工程措施安全可靠。

6 結(jié)論

(1)采取注漿加固措施后，沉降值約為不采取注漿加固措施時的50%，說明對擋墻及路堤基底進(jìn)行注漿加固是控制沉降的有效措施。

(2)從計算值與實(shí)測值的對比看，實(shí)測沉降曲線與計算預(yù)測的沉降曲線基本一致，軌道及擋墻的實(shí)測變形值與注漿加固工況下的計算變形值基本相當(dāng)(差異均在10%以內(nèi))，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性及采取的工程措施有效性。

(3)軌道沉降曲線整體呈“W”形，擋墻沉降曲線在兩隧道間呈平緩變化，且擋墻的變形數(shù)值要小于軌道，說明擋墻由于整體性好、剛度大，其抗變形能力優(yōu)于軌道。

(4)接觸網(wǎng)立柱實(shí)測沉降值為計算沉降值(數(shù)值計算時未考慮立柱加固措施)的41%左右，說明采取加固措施后，接觸網(wǎng)立柱的抗變形能力大為提升，為保證鐵路運(yùn)營安全，對受下穿影響較大的接觸網(wǎng)立柱采取加固措施是必要的。