砂卵石地層盾構小角度下穿鐵路施工技術研究

趙衛星

（中鐵建昆侖地鐵投資建設管理有限公司 四川成都 610040）

1 引言

隨著我國軌道交通建設飛速發展和交通網絡的逐漸完善，盾構下穿既有線路的情況越來越多。為降低盾構施工對既有線路的擾動，避免危及既有線路行車安全，有必要采取一定的工程防護措施。目前眾多學者通過數值模擬［1－3］或工程類比［4－6］等方法對盾構下穿鐵路安全施工技術進行了研究，但多為盾構正穿或大角度下穿，而當盾構小角度下穿時，下穿距離增長、擾動范圍變大，且砂卵石地層力學性質不穩定，沉降難以控制。因此有必要對下穿過程中各線路的沉降規律以及控制技術進行研究。

2 工程概況

成都地鐵6號線侯家橋－興盛區間左線隧道長1 582.770 m，右線隧道長1 581.119 m，最小曲線半徑400 m，最大坡度28‰，覆土厚度9～20.58 m。盾構在區間內依次下穿西環新增二線路基段、成灌高鐵引橋段、西環線路基段，如圖1所示。

圖1 區間鐵路線平面

四條鐵路線均為碎石道床，設計行車速度120 km／h，線路與鐵路線平面交角為25°～30°。下穿段隧道距路基頂面最小凈距為20.9 m。隧道埋深范圍內主要為素填土，松散、稍密、中密以及密實卵石層，絕大部分洞身位于中密卵石和密實卵石層。

3 下穿段地表沉降規律理論分析及數值模擬

3.1 理論分析

盾構推進時，刀盤面板會擠壓土體并產生接觸應力，魏綱［7］等人利用彈性力學的Mindlin解推導出刀盤正面附加推力引起的地表變形w1為：

式中：x為隧道軸向上離開開挖面水平距離（m）；P為刀盤產生的附加推力（kPa）；G為土的剪切彈性模量（MPa）；D 為盾構直徑（m）；h為隧道埋深（m）；v為土體泊松比。

W1由下式計算：

式中：y為隧道橫斷面距軸線的距離（m）。

盾構推進時，盾殼與洞壁間會產生摩擦，這部分摩擦力引起的地表變形w2為：

式中：L為盾構主機長度（m）；R為盾殼半徑（m）；p為土體與盾殼間單位面積上的摩擦力（kPa）。

W2由下式進行計算：

式中：η為土體損失率，砂卵石地層取0.4% ～0.6%［9］。

刀盤轉動過程中的摩擦力也會造成地表變形，根據文獻［10］，刀盤正面摩擦和側面摩擦對地表沉降的影響值較小，因此忽略其影響，則盾構掘進過程中的總變形值w為：

假設此刻刀盤位于隧道軸線與既有線交點正下方，將侯－興區間地勘資料及盾構設備參數代入式（1）～式（6）得到不同線路夾角下既有線方向上100 m范圍內變形曲線，如圖2所示。由圖2可知：隨著線路夾角減小，既有線沉降槽寬度和最大沉降值均增大。當夾角為30°時，既有線受擾動范圍在70 m左右，故施工過程中需要重點對該范圍內路基進行加固和監測。

圖2 既有線變形曲線

唐曉武［8］假定地層損失沿隧道軸向均勻分布，并對Sagaseta鏡像法公式進行修正，得到盾尾間隙造成的地表沉降w3為：

3.2 數值模擬

根據下穿段地質情況及既有線結構和分布建立三維數值仿真模型，為研究下穿過程中地表和各條線路變形規律，選取24個監測點，其分布如圖3所示。

圖3 監測點位置

（1）地表預加固前仿真結果

隧道貫通后，左右線中心位置地表沉降變化規律如圖4所示。

圖4 隧道軸線沉降曲線

由圖4可知：各曲線變化規律一致，即盾構下穿鐵路基床前，地表沉降變化不大；當盾構進入下穿區域時，由于地表鐵路基床的存在，地表載荷以及結構物性質發生變化，導致沉降值急劇增大。沉降最大值位于隧道間中心線與成灌高鐵中心線交點處。西環上下行線、成灌高鐵對地表沉降影響范圍為軸向±60 m。

部分監測點沉降隨開挖過程的變化如圖5所示。由圖5a可知：左線隧道開始掘進時，成灌高鐵、西環上下行線軌枕均產生一定量的隆起；當盾構掘進至78 m處時，西環增二線軌枕開始產生沉降；當掘進至125 m處時，成灌線和西環線開始產生沉降；當盾構掘進至200 m處時，各線路沉降值趨于穩定。由圖5b可知：當盾構掘進至175 m處時，各線路沉降值穩定，西環增二線軌枕最大沉降達18 mm，且與兩隧道軸線交點處沉降值相差較大。成灌線軌枕沉降最大達19.7 mm，西環線軌枕最大沉降值達19.8 mm。

圖5 各監測點沉降隨開挖步變化曲線

根據文獻［11］，當隧道中心埋深為18～20 m，設計時速≤120 km的碎石道床，其路基允許最大的沉降值為16 mm。根據仿真結果，軌枕最大沉降值達20 mm，嚴重影響到既有線路安全運營，因此下穿前必須采取適當措施，做好鐵路下方土體加固，保證鐵路線安全運營。

（2）鋼花管注漿加固后沉降值對比

鋼花管注漿加固原理：將管壁預留有注漿孔的鋼花管插入土體并進行壓力注漿，水泥漿液被注入后向周圍土體滲透，經過土體的固化、擠密作用形成鋼花管＋水泥土的復合樁體，借此改善巖土體的物理力學性能。

數值分析中通常采用實體單元、樁單元或界面單元聯合的方法對鋼花管注漿進行模擬［12］，本文采用樁單元模擬成灌線和西環線的預加固，如圖6所示。

圖6 土體加固模型

加固前后各監測點沉降值如表1所示。西環增二線未進行加固，地表沉降值變化較小；西環線預加固后，最大沉降值由20.2 mm變為16.9 mm，降低16.3%。成灌高鐵預加固后，最大沉降值由20.7 mm變為16.8 mm，降低18.8%，基本滿足鐵路路基沉降控制要求，且預加固后，兩線沉降值標準差降低，沉降分布更加均勻，表明鋼花管注漿對鐵路路基沉降控制具有一定的效果。

表1 加固前后仿真數據對比

4 下穿鐵路線關鍵施工技術

實際下穿過程中，為確保既有線安全，將地層加固與洞內注漿、分段掘進、自動化監測等相結合，形成砂卵石地層下盾構小角度下穿既有線綜合施工技術。

4.1 地面預加固

盾構通過成灌線和西環線前，在地面采用鋼花管注漿預加固，鋼花管管徑108 mm，成孔同地面夾角為10°～40°，注漿采用單液漿。

4.2 盾構分段掘進

由于成灌線、西環線為主要線路，車輛通行量大，為了盡量減小盾構施工對上方鐵路運輸影響，盾構施工利用鐵路運營天窗期分段穿越。

分段穿越過程中為防止停機復推對地層造成較大擾動，采取以下措施：

（1）長時間停機時土倉壓力應保持在1.2～1.4 bar，一旦土壓小于1 bar時立即向土倉內注入膨潤土，同時轉動刀盤，保證恢復掘進時刀盤扭矩的穩定性。

（2）掘進時，利用中盾注漿向盾體上方及時注入1～2 m3的膨潤土或惰性漿液，用以填充刀盤與盾體間的開挖間隙。

（3）嚴格控制掘進參數。長時間停機后，土倉內渣土流動性變差，恢復掘進時應適當降低螺旋輸送機轉速，增大推力來增加土倉內渣土量，并向土倉內加入一定量的膨潤土以提高渣土流動性。掘進15 min后，緩慢提高螺旋輸送機轉速，提高掘進速度，降低推力，使盾構機處于正常掘進狀態。盾構機停機前，為減少刀盤前方地表的沉降，需要對土倉進行保壓，應增大推力、降低螺旋輸送機轉速，降低掘進速度。各階段掘進參數如表2所示。

表2 分段掘進參數控制

4.3 洞內注漿加固

盾構下穿過程中，在同步注漿的基礎上，根據地質及掘進情況進行洞內二次注漿。注漿材料為1∶1的水泥－水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間，穩壓時間不小于30 min。盾構下穿后，及時對下穿段成型壁后注漿效果進行雷達探查，檢測是否注漿密實，確保無空腔等不良情況。

4.4 下穿后累計沉降分析

盾構下穿施工前按圖3布設自動化監測點，下穿過程中密切關注地表變形并委托鐵路局工務段全程進行監管及應急處置。各監測點累計沉降值如表3所示。

表3 各監測點累計沉降值

各線路沉降均值為2.86 mm，最小值－0.5 mm，最大沉降值為6.7 mm，發生在右線隧道與西環增二線交點附近，各點沉降均小于既有線沉降控制值。本次下穿效果較為理想，保證了既有線路的運營安全。

5 結論

通過理論分析和數值模擬揭示了小角度下穿過程中既有線沉降規律，基于工程實踐，提出地層預加固、洞內加固注漿、掘進參數控制、分段掘進的綜合施工技術。結果表明：該技術可有效控制既有線沉降，保證既有線路運營安全，為砂卵石地層條件下長距離下穿既有線路提供一定的參考。