復(fù)雜地層盾構(gòu)穿越大規(guī)模鐵路車(chē)輛段方案研究

婁小駿

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，一些地鐵線路會(huì)不可避免地穿越一些大規(guī)模鐵路編組站，其地層復(fù)雜、穿越風(fēng)險(xiǎn)極大。為保證既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，需要對(duì)穿越段軟弱土層及風(fēng)險(xiǎn)建構(gòu)筑物采用必要的加固措施。本文通過(guò)有限元計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從安全性、經(jīng)濟(jì)性及可實(shí)施性3個(gè)方面進(jìn)行方案研究。

2 工程概況

2.1 區(qū)間結(jié)構(gòu)概況

和平路站—駱駝山站區(qū)間從和平路站引出后，沿和平路向東行進(jìn)，下穿既有3號(hào)線盾構(gòu)隧道，側(cè)穿和平大橋橋墩，下穿徐州客整所鐵路（共39股道），下穿鐵路6層宿舍、4層徐州鐵路車(chē)輛配件廠、檢修廠等鐵路用房，側(cè)穿世茂天城小區(qū)后到達(dá)駱駝山站。區(qū)間隧道下穿鐵路平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道下穿鐵路平面位置關(guān)系圖

區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道埋深12.88～25.32 m，縱斷面采用“V”形坡，最大坡度25‰。

2.2 工程地質(zhì)條件

區(qū)間穿越中風(fēng)化石灰?guī)r、硬塑黏土、可塑黏土層、砂質(zhì)粉土、粉砂等上軟下硬復(fù)合地層，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

2.3 鐵路概況

和平路站—駱駝山站區(qū)間隧道下穿徐州檢修所、客車(chē)整備場(chǎng)及隴海上行線、京滬上行線、京滬下行線、隴海下行線、東到線、京滬四線、京滬三線、發(fā)東線與軍用線等正線股道，并下穿部分鐵路用房，所穿越的鐵路股道均為有砟軌道。

2.4 站廠內(nèi)鐵路房屋基概況

區(qū)間下穿6層車(chē)輛段職工宿舍（一層下室），條形基礎(chǔ)，隧道埋深約19.14 m，主要穿越土層為2-3b-3粉質(zhì)黏土；下穿4層徐州鐵路車(chē)輛配件廠（無(wú)地下室），獨(dú)立基礎(chǔ)，隧道埋深約19.45 m，主要穿越土層為2-3b-3粉質(zhì)黏土，下穿3層上海鐵路局合肥車(chē)輛段徐州檢修廠（無(wú)地下室），獨(dú)立基礎(chǔ)，隧道埋深約22.12 m，主要穿越土層為2-3a-3黏土、2-5-3粉砂；下穿1層鐵路用房（無(wú)地下室），條形基礎(chǔ)，隧道埋深約22.65 m，主要穿越土層為2-3a-3黏土、2-5-3粉砂。

2.5 鐵路路基經(jīng)驗(yàn)控制指標(biāo)

通常情況下，鐵路路基沉降是導(dǎo)致上方線路不平順的主要原因，根據(jù)TB 10314—2021《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》，在線路慢行期間（盾構(gòu)施工期間），沉降變化速率控制在4 mm/d以?xún)?nèi)，道岔區(qū)的沉降量控制在1 mm以?xún)?nèi)，非道岔區(qū)的沉降量控制在10 mm內(nèi)。釘閉道岔按照普通鐵路考慮。

2.6 加固方案

隧道拱部的粉砂層穩(wěn)定性極差，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)導(dǎo)致掌子面垮塌，地層損失過(guò)大，從而造成地面沉降過(guò)大，給鐵路運(yùn)營(yíng)造成極大的安全隱患。

為了保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，把路基沉降控制在允許范圍內(nèi)，需要對(duì)京滬上行線下方隧道拱部粉砂層進(jìn)行注漿加固。考慮到經(jīng)濟(jì)性，加固范圍為隧道外側(cè)3 m，鐵路外側(cè)10 m，加固體頂面和底面分別伸入黏土層（相對(duì)隔水層）1 m，避免穿越粉砂層時(shí)盾構(gòu)出現(xiàn)失水。該區(qū)域采用1.5 m×1.5 m梅花形布置袖閥管注漿加固，袖閥管注漿的漿液為水泥漿，注漿壓力控制在0.4～0.6 MPa，水灰比為1∶1.25，加固體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa[1]。區(qū)間下穿鐵路路基加固剖面圖如圖2所示。

圖2 區(qū)間下穿鐵路路基加固剖面圖

隧道管片預(yù)留深層注漿孔，盾構(gòu)穿越后根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，必要時(shí)可通過(guò)管片注漿孔進(jìn)行深層注漿，注漿范圍為隧道拱頂180°以上，注漿深度為3 m。

鐵路宿舍、配件廠等鐵路用房均為條形基礎(chǔ)，無(wú)地下室，周?chē)A(yù)打袖閥管，施工期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行注漿加固。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型及基本假定

3.1.1 基本假定

由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能和嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬是非常困難的。在建模和計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在本次數(shù)值模擬中采用了以下假設(shè)：

1）地層材料采用修正莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則計(jì)算；

2）假定土層成層均質(zhì)水平分布；

3）隧道開(kāi)挖中管片與盾殼結(jié)構(gòu)采用板單元模擬；

4）地層和材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化。

3.1.2 三維數(shù)值模型

使用Midas GTS/NX有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并根據(jù)盾構(gòu)隧道與鐵路路基的空間位置關(guān)系建立三維有限元計(jì)算模型。

現(xiàn)選擇地層范圍為：隧道結(jié)構(gòu)外左右兩側(cè)范圍取5倍左右洞徑，即模型X向范圍為120 m；區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)底板下方取約5倍左右洞徑，即模型Z向范圍為50 m；模型尺寸為：寬×長(zhǎng)×高＝XYZ＝120 m×400 m×50 m。模型采用混合網(wǎng)格生成，包括125 301個(gè)單元和144 780個(gè)節(jié)點(diǎn)。盾構(gòu)隧道與鐵路結(jié)構(gòu)關(guān)系模型如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與鐵路結(jié)構(gòu)關(guān)系模型圖

模型中土體、基礎(chǔ)皆采用實(shí)體單元模擬，管片襯砌采用板單元模擬。

3.2 計(jì)算參數(shù)

在模擬過(guò)程中，圍巖地層、房屋基礎(chǔ)以及盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)參數(shù)取自巖土勘察報(bào)告，其中，彈性模量取壓縮模量的3倍，弱風(fēng)化灰?guī)r采用彈性本構(gòu)模擬。整個(gè)模擬過(guò)程共分為兩大步：

1）開(kāi)挖隧道前，鐵路路基在重力作用下完成地應(yīng)力平衡，位移清零。

2）模擬盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程。先凍結(jié)右線隧道內(nèi)土體模擬右線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，再通過(guò)激活右線盾構(gòu)混凝土板模擬右線盾構(gòu)管片的拼裝，右線隧道盾構(gòu)貫通模型邊界。凍結(jié)左線隧道內(nèi)土體模擬左線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程，再通過(guò)激活左線盾構(gòu)混凝土板來(lái)模擬左線盾構(gòu)管片的拼裝，左線隧道盾構(gòu)貫通模型邊界。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)區(qū)間穿越鐵路采用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析，地層損失率控制按0.5%考慮。圖4為左右線隧道掘進(jìn)通過(guò)后，鐵路股道群路基豎向位移云圖。

圖4 左右線隧道掘進(jìn)通過(guò)后鐵路股道群路基豎向位移云圖

區(qū)間左線隧道穿越后，路基最大沉降約為-2.15 mm，右線隧道穿越后路基最大沉降約為-3.57 mm，最大不均勻沉降約為1.9 mm。滿(mǎn)足鐵路路基控制指標(biāo)的要求。

4 盾構(gòu)施工控制

4.1 土壓力控制

正面土壓力直接影響切口及前方位置的地表變化。正面土壓力的理論設(shè)定值P0計(jì)算公式為：

式中，Pc為土壓力，kPa；Pw為水壓力，kPa；K0為土的靜止側(cè)壓力系數(shù)；γ′為土的有效重度，kN／m3；γw為水的重度，kN／m3；H為盾構(gòu)T作面中心處深度，m；q為地面超載，kPa。

考慮列車(chē)動(dòng)載較大，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)在軌道位置的土壓力增加10～15 kPa。在施工中做好監(jiān)測(cè)工作，并及時(shí)把測(cè)量成果反饋到掘進(jìn)作業(yè)班組，以便調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)至合理值，做到合理化施工。在盾構(gòu)穿越鐵路軌道過(guò)程中必須嚴(yán)格控制切口平衡土壓力，使盾構(gòu)切口處的地層有微小的隆起量來(lái)平衡盾構(gòu)背土?xí)r的地層沉降量。

4.2 推進(jìn)速度控制

穿越股道群時(shí)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度建議控制在每天掘進(jìn)5～6環(huán)，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整，可以有效控制地面沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)盡量做到均衡施工，減少對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，并嚴(yán)禁停機(jī)。

4.3 出土量控制

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中每環(huán)管片的出土量直接關(guān)系到土壓的平衡，從而影響地面沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)土體損失量應(yīng)控制在0.5%以?xún)?nèi)，一旦盾構(gòu)掘進(jìn)施工出土量沒(méi)有控制好，會(huì)出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，就可能出現(xiàn)正面巖土失穩(wěn)、坍塌，所以，此段施工必須在土壓平衡狀態(tài)下進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，過(guò)程中嚴(yán)格控制出土量。穿越過(guò)程中將每環(huán)的出土量控制在理論出土量的97%～98%，根據(jù)土壓的變化情況及地面沉降數(shù)據(jù)情況，及時(shí)進(jìn)行微調(diào)，以保證穿越過(guò)程中掌子面土壓平衡，達(dá)到控制地面沉降的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于盾構(gòu)區(qū)間穿越的復(fù)雜地層，需要加強(qiáng)勘測(cè)，對(duì)局部軟弱地層采取地面加固措施，可以精準(zhǔn)防控潛在風(fēng)險(xiǎn)源，在保證工程安全的同時(shí)，可以使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化；區(qū)間穿越大規(guī)模鐵路貨場(chǎng)時(shí)，應(yīng)盡量壓低隧道埋深，將普速鐵路施工的影響控制在可接受的范圍；盾構(gòu)施工過(guò)程控制對(duì)控制地層沉降起到重要作用。