地鐵盾構隧道下穿高鐵路基沉降變形特征研究

宋月光

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

隨著軌道交通建設的快速發展,地鐵盾構隧道下穿鐵路路基工程逐步增多。 目前,針對盾構隧道下穿鐵路路基已開展了大量的研究工作,這些研究主要集中在以下2 個方面:①利用理論分析[1-3]、數值計算[4-7]、監測數據分析[8]等方法對盾構隧道下穿鐵路路基的沉降變化規律、鋼軌變形[9]、加固措施[10-12]等進行研究;②采用風險分析[13-15]、專家調查及層次分析[16]等方法對盾構隧道下穿鐵路路基的工程風險及控制措施進行分析研究。 蔡小培等對盾構下穿施工引起高速鐵路軌道的變形特征進行研究[17];徐干成等采用數值分析的方法對盾構隧道下穿高速鐵路路基的地表沉降進行三維仿真數值模擬[18-19];韓學芳對盾構隧道下穿高速鐵路路基采用“混凝土板+鉆孔樁+CFG樁”聯合加固措施控制路基變形的有效性進行分析[20];孫連勇等利用數值計算的方法分析注漿加固和不注漿加固2 種工況下的鐵路路基變形特征[21];劉建友等基于統計分析提出盾構下穿高速鐵路路基沉降控制標準的確定方法[22]。 現有研究基本都基于已定線路走向、埋深和開挖順序條件下,對隧道施工及鐵路路基的影響進行分析研究,而對不同埋深及開挖順序條件下,盾構隧道施工引起的高速鐵路路基沉降變化規律的研究較少。

為降低隧道下穿高速鐵路路基的施工風險,并控制工程投資,結合北京地鐵昌平線南延工程盾構區間隧道下穿京張高鐵路基工程,對盾構隧道小角度下穿高鐵路基在不同隧道埋深條件下的路基沉降變化規律、合適的隧道覆土厚度、左右線隧道開挖順序對路基沉降的影響、加固措施等關鍵技術問題進行系統研究,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

北京地鐵昌平線南延盾構區間下穿京張高鐵路基段,區間與鐵路交角21o。 京張高鐵是國家高速鐵路網的重要組成部分,最高設計速度350 km/h,下穿段位于北京市區范圍內,設計速度200 km/h。 下穿段京張高鐵線間距4 m,路基采用土質邊坡路基,寬12.8 m、高1 m,采用A、B 組料,道床采用聚氨酯固化。區間隧道與鐵路平面位置關系見圖1,鐵路路基橫斷面見圖2。

圖1 區間隧道與京張高鐵平面位置關系(單位:m)

圖2 京張高鐵路基橫斷面(單位:m)

地鐵區間隧道線間距17 m,采用盾構法施工,盾構管片直徑6 m、厚0.3 m。 下穿段地層情況如下:素填土、粉細砂、卵石圓礫、粉質黏土、卵石圓礫、粉質黏土、粉質黏土、粉細砂、粉質黏土。 地下水分2 層,一層為潛水層,水位位于地面以下7 m;二層為微承壓水層,承壓水頭位于地面以下13.1 m。 區間隧道與鐵路立面位置關系及地層分布情況見圖3。

圖3 地鐵區間隧道與京張高鐵立面位置關系(單位:m)

2 數值計算模型

2.1 計算模型與參數

有限元計算軟件采用MIDAS GTS NX,計算模型尺寸綜合考慮區間隧道施工對鐵路路基的影響范圍及隧道與鐵路路基的相對位置關系,模型尺寸為310 m(長)×100 m(寬)×60 m(深)。 開挖直徑取6.28 m,盾構直徑取6 m,盾構背后空隙注漿填充,注漿層采用實體單元;鐵路路基、聚氨酯固化道床、土體等均采用實體單元;除聚氨酯固化道床采用理想線彈性模型外,其余實體單元采用滿足修正摩爾-庫侖屈服準則的理想彈塑性模型。 隧道管片及盾殼采用板單元、理想線彈性模型。 列車荷載采用ZK 荷載。 模型約束情況:模型四周施加水平位移約束,模型底部為豎向固定位移約束,地表不施加約束。 計算模型見圖4。

圖4 計算模型

各層土、鐵路路基及管片背后注漿層物理力學參數取值見表1、表2。

表1 地層物理力學參數

續表1

表2 地層剛度及彈性模量參數MPa

模型其他材料物理力學參數取值見表3。

表3 模型其他材料物理力學參數

2.2 盾構施工模擬

盾構施工每開挖步進尺1.2 m,具體施工步驟如下:①初始應力計算并位移清零;②鈍化第一開挖步盾構隧道及管片背后注漿層范圍內土體單元,激活本開挖步盾殼單元,同時在開挖面上施加法向力以維持開挖面受力平衡;③鈍化盾殼及開挖面法向力,激活本開挖步管片及背后注漿層,模擬管片安裝及背后注漿,同時重復“②”中過程,完成第二開挖步隧道開挖;④重復“②、③”過程,循環完成整個隧道施工。

3 隧道不同埋深對鐵路路基沉降影響分析

為分析不同隧道埋深對鐵路路基沉降的影響,分別對隧道拱頂覆土9,12,15,18,21,24 m 等6 種工況下隧道施工引起的鐵路路基沉降進行計算分析,按先開挖左線后開挖右線考慮。 穿越鐵路段左右線隧道全部施工完成后,沿鐵路線路方向路基中心線處斷面各工況路基最終沉降曲線見圖5。

圖5 不同覆土工況鐵路路基沉降槽曲線

從圖5 可以看出,當隧道覆土厚度9 m 時,路基沉降曲線整體呈“W”形,低點多位于隧道左右線上方,路基最大沉降點位于地鐵左線隧道上方(先施工隧道);當隧道覆土厚度12 m 時,路基沉降曲線仍大致呈“W”形,但“W”形已不明顯,“W”形底部范圍縮減顯著,底部范圍由覆土9 m 時的位于左右線隧道上方,縮減至位于左右線隧道中間區域中線兩側很小范圍,路基最大沉降點靠近左線隧道(先施工隧道);當隧道覆土厚度＞12 m 時,路基沉降曲線整體呈“V”形,低點基本位于左右線隧道中間區域中線附近。

各工況路基最大沉降值見表4。

表4 不同隧道覆土厚度路基最大沉降值

由表4 可以看出,隨著隧道覆土厚度的增加,路基最大沉降值不斷減小,當隧道覆土厚度≤18 m 時,覆土9,12,15,18 m 各工況間鐵路路基最大沉降值差值依次為0.63,0.53,0.43 mm,沉降變化幅度依次為7.7%、7%、6.1%;當隧道覆土厚度＞18 m 時,各工況最大沉降差值依次為0.22,0.04 mm,沉降變化幅度依次為3.3%、0.63%。 從以上變化規律可以看出,當隧道覆土厚度≤18 m 時,隨著隧道覆土厚度的增加,沉降衰減幅度較大,沉降值變化較為明顯;當隧道覆土厚度＞18 m 時,隨著隧道覆土厚度的增加,沉降衰減幅度不斷降低,沉降值變化不明顯,當覆土厚度＞21 m,沉降值已基本無變化。

4 隧道覆土厚度確定

根據隧道不同埋深對鐵路路基沉降影響分析,隧道覆土厚度越大,路基沉降值越小,對鐵路路基保護越有利,當隧道覆土厚度＞3D(D為盾構隧道直徑,即18 m)時,再進一步增加隧道埋深,對鐵路路基沉降影響已經很小,從工程角度出發,可認為基本無影響。 同時,如區間線路坡度調整困難,覆土厚度增大會引起區間兩側車站埋深增加,從而增加工程投資。 因此,下穿鐵路段隧道覆土厚度建議按以下原則確定:①線路條件允許,隧道覆土厚度控制在3D左右較為適宜;②線路條件受限,隧道覆土厚度應綜合考慮工程投資、實施風險、變形控制要求等因素對技術方案進行深入比選。以本工程為例,下穿鐵路位置距區間兩側車站較遠,區間隧道覆土按3D控制,對區間兩側車站埋深基本無影響,

綜合考慮安全性及經濟性,本工程下穿鐵路段隧道覆土厚度按18 m 控制。

5 隧道不同開挖順序對鐵路路基沉降影響分析

為研究隧道不同開挖順序對鐵路路基沉降的影響,在隧道覆土9,12,15,18 m 條件下,分別對先開挖左線后開挖右線、先開挖右線后開挖左線2 種工況下隧道施工引起鐵路路基沉降進行計算分析,計算結果見圖6～圖9。

圖6 覆土9 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖7 覆土12 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖8 覆土15 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖9 覆土18 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

各覆土條件下,路基最大沉降值見表5。

表5 各工況下不同覆土厚度路基最大沉降值mm

由表5 可知,基于隧道與路基的相對位置關系,隧道在不同覆土厚度條件下,先開挖右線后開挖左線引起的路基最大沉降數值均小于先開挖左線后開挖右線所引起的數值;不同開挖順序最大沉降差值依次為0.34,0.05,0.03,0.02 mm,隨著覆土厚度的增加,沉降差值快速衰減,當隧道覆土厚度≥12 m 時,兩者差值已經很小,沉降數值基本相當。 從鐵路路基沉降曲線看,同一覆土條件下,不同開挖順序路基沉降曲線形態基本一致,隨著覆土厚度增大,路基沉降曲線的形態變化規律與“3 章”中的變化規律也基本一致。

6 加固措施對鐵路路基沉降影響分析

通過前述分析,隧道覆土18 m,先開挖右線后開挖左線方案較為合理,此時,鐵路路基沉降最大值6.60 mm,不滿足鐵路主管部門提出的路基沉降控制值5 mm 要求。 為滿足沉降控制指標要求,對隧道周邊土體進行注漿加固。 注漿加固范圍:平面為盾構隧道輪廓外5 m,立面為隧道拱頂以上5 m、基底以下1.5 m,漿液采用水泥水玻璃雙液漿。 采用先注周邊后注中間、跳孔間隔注漿,注漿時應嚴格控制注漿壓力,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引起路基隆起,確保鐵路正常運營[23]。 加固設計平、立面見圖10、圖11。

圖10 注漿加固平面(單位:m)

圖11 注漿加固立面(單位:m)

為驗證工程措施的有效性,對采取土體加固措施后隧道施工引起路基沉降進行計算分析,并與未采取加固措施的計算結果進行對比,見12。 采取加固措施后路基沉降曲線整體仍呈“V”形,低點仍位于左右線隧道中間區域;采取注漿加固措施后,路基最大沉降值3.8 mm,相較于未采取加固措施沉降值減小約42%,沉降值大幅降低,且路基最大沉降滿足變形控制指標要求。

圖12 注漿加固與未注漿加固鐵路路基沉降槽曲線

7 與實測數據的對比分析

為確保鐵路運營安全,及時掌握鐵路變形情況,施工時制定鐵路專項監測方案,監測點平面間距5 m,采用自動化監測。 現場實測數據與模型預測數值對比情況見圖13。

圖13 實測與模型預測鐵路路基沉降槽曲線

根據現場實測數據, 鐵路路基最大沉降為3.62 mm,與預測值3.8 mm 相差0.18 mm,差值比率4.97%,在誤差允許范圍之內。 實測最大值點與預測最大值點偏差2 m 左右,這主要是因為測點間距按5 m布置,在沉降最大值點處并未布置測點,但實測最大值點是與預測最大值點距離最近的監測點,從而說明預測峰值點位置也基本準確。 從曲線形態上看,實測沉降曲線與計算預測沉降曲線形態基本一致,都呈“V”形。 綜上,理論分析模型及成果與現場施工情況基本匹配,所采取的工程措施安全可靠。

8 結論

目前,本次研究依托工程已實施完成,鐵路路基沉降數值與設計預期值基本相符,鐵路運行狀況良好,達到預期目標。 主要研究結論如下。

(1)當隧道覆土厚度≤3D時,隨覆土厚度的增加,路基沉降降幅明顯,控制沉降效果顯著;當隧道覆土厚度＞3D時,隨覆土厚度的增加,路基沉降變化不明顯。 因此,隧道覆土厚度宜控制在3D左右。

(2)當隧道覆土厚度≤2D時,路基沉降曲線整體大致呈“W”形,覆土越淺“W”形越明顯;隨著覆土厚度的增加,“W”形底部范圍逐漸縮減,底部范圍由左右線隧道上方區域逐步縮減至左右線隧道中間區域中線附近;“W”形曲線沉降最大值點位于先施工隧道側。

(3)當隧道覆土厚度＞2D時,路基沉降曲線整體呈“V”形,低點基本位于左右線隧道中間區域中線附近。

(4)從隧道不同開挖順序對路基沉降影響分析結果來看,不同開挖順序對路基沉降曲線形態影響不大;先開挖右線隧道的路基沉降值要小于先開挖左線隧道的路基沉降值;當隧道覆土厚度≥2D時,不同開挖順序引起的路基沉降值差異很小,但從有利于沉降控制的角度來看,宜優先開挖右線隧道。

(5)對隧道周邊注漿加固后,路基沉降曲線形態及最大沉降點位置與未對隧道周邊注漿加固時基本一致;未采取注漿加固措施路基最大沉降6.6 mm,采取注漿加固措施后路基最大沉降3.8 mm,沉降數值大幅降低,說明注漿加固能有效控制路基沉降。

(6)計算曲線形態與實測曲線形態基本一致,計算路基最大沉降3.8 mm,與實測路基最大沉降3.62 mm基本一致,從而驗證相關措施具有可靠性、有效性。