軟土地區盾構隧道斜下穿多股鐵路路基變形規律

黃 龍 吳國偉 涂家康

(1.紹興市軌道交通集團有限公司, 312099, 紹興; 2.中鐵第五勘察設計院集團有限公司, 102600, 北京∥第一作者, 高級工程師)

隨著鐵路和城市軌道交通的不斷發展,地鐵隧道穿越鐵路路基的情況也越來越多,地鐵盾構隧道的施工可能會引起鐵路軌面不平順,甚至影響到鐵路的運行安全。目前,研究人員已對盾構隧道施工引起的鐵路沉降規律及加固方案進行了大量研究[1-3],但對軟土地區盾構隧道斜下穿既有運營鐵路的研究相對較少。基于此,本文以紹興軌道交通1號線(以下簡稱“1號線”)下穿杭甬鐵路為例,采用數值模擬分析法,研究地層加固及盾構隧道下穿施工對既有鐵路路基的影響規律。同時,結合現場監測數據驗證地層預加固措施對控制鐵路路基沉降的有效性。

1 工程概況

1.1 盾構穿越情況

1號線大灘站—火車站站區間盾構穿越杭甬鐵路紹興站站房及站內6個鐵路股道,隧道采用土壓平衡盾構施工,盾構內徑為5.9 m,外徑為6.7 m,管片寬度為1.2 m,厚度為40 cm,管片采用錯縫拼裝形式,區間線路與杭甬鐵路交角為70.3°,下穿鐵路位置的盾構埋深約為18.5 m,左右線中心距約為16 m。盾構區間與杭甬鐵路的平面位置關系示意圖如圖1所示。盾構下穿的杭甬鐵路紹興站為有砟軌道、電氣化線路(軟橫跨),站內共有6股鐵路股道,其中蕭甬(杭州蕭山—寧波)鐵路上下行正線2股,到發線4股,下穿處無道岔。

圖1 盾構區間與杭甬鐵路的平面位置關系示意圖

1.2 工程地質條件

下穿位置盾構上覆土層,自上而下依次為①1碎石填土、①2素填土、③1-2淤泥質黏土、④2粉質黏土、④3粉質黏土,盾構主要穿越④3粉質黏土和⑤2粉質黏土,土質相對較差。土層主要參數如表1所示。

表1 土層主要參數

2 盾構隧道掘進施工對杭甬鐵路路基的變形影響

通常情況下,鐵路路基沉降是導致上方線路不平順的主要原因,結合以往地鐵盾構隧道下穿有砟鐵路線路的經驗,并征詢鐵路部門意見,盾構下穿施工引起的鐵路路基沉降需控制在10.00 mm以內。

在1號線下穿杭甬鐵路的施工過程中,地鐵盾構施工會導致既有鐵路下部地層損失,進而引起地層的沉降或隆起,造成鐵路路基和軌道的變形,危害列車的正常運行。采用有限元分析軟件建立三維仿真模型,模擬盾構掘進對杭甬鐵路的影響,為采取預加固措施提供理論依據。

2.1 數值模型

基于巖土有限元軟件Plaxis3D,建立巖土、盾構隧道、鐵路路基一體化模型。土層計算參數結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值,數值計算模型如圖2所示。假設圍巖為理想彈塑性材料,采用Mohr-Coulomb模型,圍巖均采用實體單元模擬,盾構隧道管片采用結構板單元模擬,土體單元為10節點四面體單元,結構板單元為6節點面單元。在有限元軟件中,通過凍結隧道范圍內的土體單元激活管片單元,同時進行斷面收縮來模擬盾構掘進過程,即先施工左線隧道,再施工右線隧道。隧道下穿杭甬鐵路路基區域的主要穿越土層為④3粉質黏土和⑤2粉質黏土,土體的強度較差。根據工程經驗,采用5‰～8‰的地層損失率分析盾構隧道施工對杭甬鐵路路基的變形影響,其中未采取地基預加固時地層損失率取8‰,采取加固時地層損失率取5‰。路基上部列車和軌道荷載參照TB 10001—2016 《鐵路路基設計規范》,路基上所施加的列車和軌道荷載的分布寬度定為3.5 m,等效荷載為60 kPa。

a) 三維網格模型

2.2 加固方案

對于穿越鐵路段,盾構隧道在軌道兩側向軌道下方斜向打設袖閥注漿管,袖閥管呈梅花形布置,間距為1 m,加固范圍為盾構區間上方2 m(覆蓋④3粉質黏土)至盾構底部以下3 m土體,加固寬度為左右線盾構兩側各3 m范圍,同時保證加固體邊線與鐵路股道及盾構掘進面垂直。加固方案示意圖如圖3所示。

a) 平面圖

2.3 盾構掘進施工對杭甬鐵路的影響分析

2.3.1 路基沉降變形分析

由于穿越的股道較多且各股道的變形規律基本類似,因此以盾構隧道施工對杭甬鐵路5#到發線為例進行分析。各工況下,5#到發線路基中心沿鐵路線縱向位置的堅向變形曲線如圖4所示,其他股道僅列出其路基最大沉降值,如表2所示。

表2 各股道路基最大沉降值

圖4 各工況下5#到發線路基中心沿鐵路線縱向位置的 豎向變形曲線

由圖4可知:盾構掘進過程中,杭甬鐵路5#到發線的路基在左線貫通時的最大沉降值為4.75 mm,位于左線開挖面正上方;隨著盾構隧道右線的貫通,鐵路路基沉降最大值逐漸向兩隧道中間偏移;當盾構隧道右線貫通時,路基的最大沉降值為8.20 mm,位于左右線隧道的中間位置。由表2可知:當鐵路路基未采取加固措施時,杭甬鐵路路基最大沉降值為13.12 mm,位于杭甬鐵路5#到發線,超過沉降控制標準要求;當采用注漿加固措施后,杭甬鐵路路基最大沉降值為8.20 mm,滿足控制標準要求。由此可見,對盾構穿越區域的地基進行主動加固是非常有必要的。

2.3.2 軌道幾何狀態分析

根據各工況下股道左右軌的豎向變形分析結果,按照10 m弦長計算各工況下左右軌的高低幾何形態,同樣僅對5#到發線的不平順性進行分析。各工況下,5#到發線左右軌高低不平順及水平不平順曲線如圖5所示,其他股道僅列出其不平順最大值,如表3所示。

表3 各股道軌道幾何不平順最大值

a) 左軌高低不平順

由圖5 a)和5 b)可知:各工況下,由盾構施工引起的5#到發線左軌軌面高低不平順最大值為0.247 mm,發生在工況三;5#到發線右軌軌面高低不平順最大值為0.228 mm,也發生在工況三,但其均未超過TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》規定的控制標準要求。由圖5 c)可知,各工況下,由盾構施工引起的5#到發線鋼軌軌面水平不平順最大值為0.371 mm,發生在工況六,未超過TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》規定的控制標準要求。由表3可知:盾構施工引起的軌道高低不平順最大值為0.247 mm,發生在5#到發線左軌位置;水平不平順最大值為0.465 mm,發生在6#到發線位置。以上軌道幾何不平順均未超過控制標準要求。

3 現場監測分析

在盾構下穿施工期間,杭甬鐵路處于正常運營狀態。為實時監測鐵路線路的沉降控制效果,對隧道頂部注漿加固區布設監測點。本工程盾構下穿紹興站內杭甬鐵路共6道股道,監測點分別在1、3、5、6股道外側各布置1個監測斷面,另外分別在1、2股道之間,2、4股道之間,4、6股道之間,3、5股道之間各布置1個監測斷面,共布置8個監測斷面,每個監測斷面點埋設12個測點。監測點在施工影響區域中心向兩側展開,沿鐵路路基縱向呈斷面埋設,布設在鐵路路基兩側路肩上,盾構隧道頂部軸線布設1個路基測點、盾構兩側輪廓邊線布設路基測點各1個,盾構外邊線向外沿路基布置間距不大于10 m。現選取變形最大的股道5外側斷面Ⅰ作為典型截面,其沉降監測點布置示意圖如圖6所示。

注:LZ為路中監測點;LJ為路肩監測點。

下穿鐵路期間的盾構現場施工參數為:總推力11 000～12 400 kN,刀盤扭矩2 000～2 650 kNm,刀盤轉速為1.1～1.2 r/min,掘進速度為35 mm/min,土倉壓力為0.22 MPa,注漿壓力為0.3 MPa,注漿量為每環2.8～3.0 m3。受盾構接收時間限制,盾構左線需要3 d通過下穿鐵路區域,平均每天掘進20環;盾構右線需要5 d通過下穿鐵路區域,平均每天掘進12環。這可能也是導致鐵路累計沉降左線位置大于右線位置的部分原因。

盾構隧道施工引起的鐵路路基斷面Ⅰ的沉降曲線,如圖7所示,以LJ96作為橫軸0點,34 m位置為盾構隧道右線中心線,51 m位置為盾構隧道左線中心線。由圖7可知,盾構隧道下穿杭甬鐵路引起的鐵路路基沉降最大值約為5.80 mm,最大值發生在左線中心線上方而不是兩隧道線路中心上方,該變形規律與數值模型計算結果有差異,主要原因可能與盾構施工的推進速度、正面土壓力、注漿量、注漿壓力或推進順序等因素有關。

注:L為沿鐵路方向各點至LJ96的距離。

隧道下穿鐵路施工期間,2個測點累計豎向位移時間歷程曲線對比,如圖8所示。盾構施工期間,鐵路路基隆起值越大,后續的收斂沉降值越小。路基豎向變形大致可分為4個階段。階段1為路基隆起階段,測點LJ92平均隆起量約為2.17 mm,測點LJ89平均隆起量約為1.40 mm。產生這種現象的主要原因為盾構到達路基下方時,由于盾構推力及同步注漿壓力的共同作用,鐵路路基總體呈現隆起現象。階段2為路基快速沉降階段,在3 d時間內,測點LJ92從隆起2.40 mm變到沉降1.40 mm,變形速率為1.27 mm/d;測點LJ89從隆起3.20 mm變到沉降1.70 mm,變形速率為1.63 mm/d。產生這種現象的主要原因為盾構通過后,由于盾尾建筑空隙(管片與盾構外徑之間的空隙)的存在,導致壁后土體發生較大的彈塑性變形,此沉降也是盾構法施工引起地層沉降的主要來源[4]。階段3為路基的平穩波動階段,施工期間采取二次注漿,使路基發生輕微的隆起和沉降。階段4為后續固結沉降階段,產生沉降的原因主要為盾構頂推過程及注漿過程中,原狀土層受到了較大程度的擾動,當盾構施工完成后,發生了超孔隙水壓消散的主固結沉降,以及土體骨架蠕變所引起的次固結沉降現象。

圖8 隧道下穿鐵路施工期間2個測點累計豎向位移 時間歷程曲線對比

4 結論

1) 未考慮盾構穿越區域地基加固的情況下,杭甬鐵路路基頂面最大沉降值為13.12 mm,位于杭甬鐵路5#到發線路基處,不滿足沉降控制標準要求;當盾構穿越區域采用袖閥管注漿加固措施后,杭甬鐵路路基頂面最大沉降值為8.20 mm,位于杭甬鐵路5#到發線路基處,滿足沉降控制標準要求。

2) 由監測結果可知,盾構隧道下穿杭甬鐵路引起的路基最大沉降值約為5.80 mm,進一步表明了袖閥管注漿在控制鐵路路基沉降變形方面的有效性。

3) 監測數據結果表明,盾構施工期間鐵路路基隆起值越大,后續的收斂沉降值相對越小,建議在后續類似工程的盾構推進過程中,可適當增加土倉壓力和注漿壓力,以減小后續路基沉降值。

4) 盾構隧道下穿杭甬鐵路引起的鐵路路基橫向沉降最大值發生在左線中心線上方,而不是兩隧道線路中心上方,主要原因可能與盾構施工的推進速度、正面土壓力、注漿量和注漿壓力等因素有關,因此盾構施工期間應加強盾構掘進參數的控制。