富水強風化砂巖地層頂管隧道下穿既有鐵路施工技術

潘鵬旭, 陳偉, 鄭京承

(1.長沙鐵路勘察設計有限公司, 長沙 410000; 2.中南大學土木工程學院, 長沙 410075)

隨著中國公共交通事業的蓬勃發展,為了緩解城市地上空間的擁擠,地下建筑物及構筑物越來越常見,比如地鐵、地下商場、地下通道和地下管線等。當隧道穿越富水砂巖等較差地層時,極易引起地面不均勻沉降,甚至導致地表開裂,鐵路軌距變化,進而對地面交通造成嚴重影響。因而,在面對復雜的地質條件時,如何減小隧道下穿施工對地面交通的干擾一直都是國內外專家學者研究的熱點[1-2]。

Li等[3]采用極限分析的方法求解了非圓隧道開挖面的上限解,并給出了一種以改進的速度場表示的開挖面破壞模式。王敦顯[4]結合現場監測結果,采用數值模擬的方法研究了復雜環境條件下盾構下穿鐵路時,隧道施工及列車荷載對地表沉降變形的影響。尹文強等[5]結合現場試驗和理論計算分析了頂管施工擾動對地表沉降的影響,并優化修正了相關理論計算參數。付琪生[6]考慮電力隧道施工方案和地層加固方案,對開挖過程中鐵軌的變形特征進行了研究。馬相峰等[7]針對砂卵石地層盾構下穿鐵路路基工程,采用FLAC3D進行數值模擬,并結合現場監測結果進行驗證分析,證明了地層注漿加固對控制路基沉降的有效性。姚洪錫等[8]建立了車-軌-路涵過渡段三維有限元模型,開展了框架涵下穿既有鐵路工程的動力特性分析。仇文革[9]采用工法比較、數值模擬、現場監測反饋等手段,研究了在敏感區域進行盾構施工時地表沉降規律以及地表沉降的控制措施,并引入全自動實時監測系統來對施工進行實時指導。屈克軍[10]結合現場監測、數值模擬和理論推導分析了飽和砂層中流固耦合效應對頂管隧道穩定性的影響。荊哲等[11]針對高水位軟弱地層中頂管隧道的穩定性開展了研究,得出鋼頂管穩定性與長細比負相關,管周圍壓和橢圓化變形共同決定其實際穩定系數。

雖然針對隧道下穿既有鐵路線沉降變形控制及穩定性分析的成果較多,但是現有研究成果或只考慮地層富水或只考慮列車荷載,較少考慮地層飽水弱化及列車荷載的綜合作用?，F以某電纜隧道工程下穿既有鐵路段為工程依托,綜合考慮強風化砂巖地層富水、列車荷載等工況,對隧道變形,地表沉降等進行分析,并結合現場監測情況以及治水、變形控制措施,給出合理科學的現場施工指導意見,以期為今后類似工程提供可靠參考實例。

1 工程概況

如圖1所示,深圳某電纜隧道工程下穿廣深鐵路段,隧道與既有廣深鐵路相交里程為K141+360,下穿鐵路4股道,電纜隧道與廣深交角為76°46′。該工程地下水豐富、圍巖為飽水強風化砂巖,施工地層條件差,下穿既有線施工安全壓力大,施工時線路及軌面的沉降控制要求較高。為減少電纜隧道施工對廣深鐵路運營的影響和保證廣深鐵路運營安全,工程下穿鐵路段采用頂管施工,電纜隧道設計為內徑為3.5 m、外徑為4.2 m的圓形斷面,同時綜合采用數值模擬、現場監測與控制措施相結合的施工技術,保障項目的順利實施。

圖1 下穿段俯視圖Fig.1 Top view of the underpass

2 理論公式計算及數值模擬分析

2.1 Peck理論公式計算路基沉降

Peck提出了路面沉降計算的Peck公式,他認為地層變形由地層損失引起,地表沉降槽體積等于地層損失體積,地表沉降槽符合正態分布曲線,地表沉降計算公式如下。

(1)

(2)

(3)

V1=4Viπr2

(4)

(5)

式中:S(x)為地面沉降量,mm;x為計算點距隧道中心線的距離,m;V1為單位鉆孔長度上的地層損失量,m3/m;Vi為地層損失率;Smax為隧道中心線處最大沉降量,mm;i為沉降槽寬度系數,m;z為覆土層厚度,取z=12 m;φ為土層/巖層內摩擦角,(°);W為沉降槽總寬度,m;r為頂管隧道外半徑,m;Vi依據經驗取3.01%[12],計算可得,不考慮地層富水時Smax=7.03 mm,考慮地層富水弱化作用時Smax=10.26 mm。

2.2 數值模擬

在項目開展前期,通過數值模擬,分析各種工況下既有鐵路的沉降情況。具體工況如表1所示。

表1 模型計算工況

計算工況1時,只施加頂進力和進行隧道的開挖;計算工況2時,其他條件與工況1一致,但將強風化砂巖地層參數調整為飽水弱化后的參數;計算工況3時,其他條件與工況1一致,并在道床表面施加列車荷載;計算工況4時,則將強風化砂巖地層參數調整為飽水參數的同時,在道床表面施加列車荷載,其他條件與工況1一致。

2.2.1 荷載計算

頂進力計算采用《頂管工程施工規程》(DG/TJ 08—2049—2008)中的公式,即

P=πD1Lfs+PF

(6)

將式(6)代入數值得P=πD1Lfs+PF=π×4.14×100×8+3 960.7=14 365.65 kN,則掌子面上的頂進壓力為259 kPa,均布施加在掌子面上。

列車動荷載采用換算土柱法轉化為靜荷載,荷載值根據《高速鐵路設計規范》[13]取60 kPa均勻地分布在鐵路路基上。

2.2.2 數值模型及參數

數值模型如圖2所示,模型參數如表2所示。分析計算時,對模型四周施加X和Y方向的約束,模型底部對Z方向進行約束。

表2 模型參數

圖2 數值模擬模型Fig.2 Model of numerical simulation

針對強風化砂巖地層富水的影響,考慮砂巖在飽水狀態下力學性能將會發生劣化[14],并以飽水30 d的砂巖力學參數作為弱化參數,工程全風化砂巖和強風化砂巖基本位于地下水位以下,因而需調整此兩者力學參數,如表3所示。

表3 飽水弱化砂巖地層參數

2.2.3 數值模擬結果分析

不同工況下,鐵路基礎的沉降位移橫向分布如圖3所示,不考慮列車荷載時,鐵路基礎在隧道下穿段正上方出現最大峰值沉降,并且由隧道中心線向兩側逐漸減小,此時鐵路基礎沉降主要由頂進開挖導致,與頂進方向相關,考慮地層富水弱化作用時,鐵路基礎沉降槽范圍略有增大。而當考慮列車荷載時,鐵路基礎沉降大幅增加,在軌道中心線處有最大沉降,并沿軌道中心線向兩側遞減,說明此時列車荷載對路基沉降的影響較大。

圖3 鐵路路基沉降橫向分布圖Fig.3 Lateral distribution of railway subgrade settlement under various work conditions

鐵路軌道沉降橫向分布如圖4所示,能夠注意到,軌道沉降橫向分布趨勢與地表沉降相同,沉降值均由隧道中心線向兩側遞減,但軌道沉降較之相同工況下的地表沉降略大。

隧道不同位置下最大沉降和隆起值如表4所示,考慮地層富水時,可以發現較之只考慮開挖和頂進力的工況1,隧道進出口拱頂沉降有較大幅度增大,隧道底部隆起略有增大,但下穿段隆起增加明顯。這說明富水導致砂巖地層抗變形能力以及承載力減弱,因而在隧道穿越富水砂巖地層時,必須嚴格監測頂進過程中隧道的變形、應力等,以防工程事故的發生。只考慮列車荷載的工況3下穿越段隧道拱頂沉降較之只考慮地層富水時更大,而隧道隆起反而減小,且此時隧道進出口沉降隆起值變化較小,說明列車荷載主要影響下穿段施工安全,下穿段施工時應當嚴格控制列車行進速度。

表4 不同工況下隧道各位置最大位移值

當同時考慮地層富水及列車荷載時,能夠注意到,不論是地表沉降還是隧道拱頂豎向位移均大幅增加,尤其是頂進進出口位置達到甚至超過了監測預警值(地表沉降控制值為30 mm,報警值為21 mm)。因而,對于富水強風化砂巖地層的下穿頂進隧道施工,隧道進出口時應當加固周圍巖體并采取合適的止水措施;同時應當嚴格按照規范進行實時監測以及執行各項變形控制措施。

3 現場監測、理論預測、數值模擬結果對比分析

項目在頂管施工下穿的既有鐵路上設立了沉降觀測點,鐵路地段每股道均需設立一組沉降觀測點,非鐵路地段每隔15 m縱向距離設一組沉降觀測點。沉降觀測點是在管中心線及管中心線左右各3 m和5 m處各設一點,五點成一組。沉降觀測點設置大樣圖如圖5所示,在頂進過程中必須測量鐵路路基和路面的沉降,并隨時調整頂進速度及注漿壓力?，F場監測情況如圖6所示。

圖5 沉降觀測點設置大樣圖Fig.5 Large sample map of settlement observation point setting

開挖結束后地表沉降以及隧道拱頂沉降監測結果與數值模擬結果對比如圖7所示。

圖7 現場監測結果與數值模擬結果對比Fig.7 Comparison between results of on-site monitoring and numerical simulation

由圖7(a)可知,現場監測結果地表沉降值與數值模擬結果的基本趨勢相同,數值上小于數值模擬的結果。值得注意的是,下穿段的現場監測地表沉降遠小于考慮列車荷載時的數值模擬結果,與只考慮開挖時的數值模擬結果相近,現場監測結果較小是因為施工時采取的地層加固等變形控制措施取得了較為良好的效果,因而地表沉降較小。

由圖7(b)能夠發現,數值模擬由于未考慮進出口止水加固等措施,隧道拱頂沉降遠大于隧道其他部位,而現場監測結果由于對隧道進出口及下穿段進行了嚴格的變形控制措施,拱頂沉降明顯小于模擬結果,進出口拱頂沉降更是控制在了5 mm以下。

圖8為現場監測、Peck公式預測與數值模擬鐵路基礎沉降結果對比曲線,容易注意到數值模擬結果與不考慮地層富水時Peck公式預測結果十分相近,小于考慮地層富水時Peck公式預測結果,但由于其未考慮地層加固及止水措施,路基沉降大于現場監測結果。同時現場監測結果較小也進一步說明了施工時采取的地層加固等變形控制措施效果較優。

圖8 現場監測、理論預測與數值模擬結果對比Fig.8 Comparison of results of on-site monitoring, theoretical prediction and numerical simulation

4 現場安全施工措施

針對富水強風化砂巖地層頂管隧道下穿施工可能遇到的各種問題,采取了多種措施進行治水及變形控制。

4.1 止水洞口

頂管施工過程中,無論是出洞還是進洞,管道和洞口之間都必須有一定的間隙。為保證頂管機進出洞時泥漿和地下水不從頂管機外殼周圍涌出,需在頂進方向安裝洞口止水裝置。洞口止水裝置安裝在工作井與接收井沿管線方向的側壁預留洞上,該預留洞的直徑比頂管機外徑稍大(約10 cm),由預埋螺栓、鋼壓環及橡膠圈組成,如圖9所示。

圖9 洞口及其止水施工Fig.9 Tunnel portal and its waterstop construction

4.2 施工頂進過程中的防護辦法

管身穿越鐵路段進行封鎖、慢行施工:廣深Ⅰ、Ⅱ線限速60 km/h;廣深Ⅲ線和廣深Ⅳ線日夜限速45 km/h。穿越廣深鐵路頂管施工期間每天0:30—2:30封鎖廣深4條線路下穿施工部分,進行頂管地段線路整修施工。線路的整修和保養按照封鎖、慢行計劃進行,每天按施工計劃和根據實際的情況對相應的線路進行整修、保養。采取勤檢查、勤觀測的原則;線路防護員應當接車并注意壓速,保證列車在施工地段內的慢行速度,并檢查線路上有無侵入限界的情況發生,并及時采取有效的處理措施。

如圖10所示,每天需對線路的路基進行檢查,發現路基有下沉情況時及時回填道碴,利用晚上的封鎖時間進行搗固,所有應急材料堆放地遠離下穿位置80 m以上。

圖10 道砟、砂袋等應急材料準備Fig.10 Preparation of emergency materials

4.3 質量保證措施

工程施工中嚴格遵守各項施工制度,認真執行各項變形控制措施以及地層治水措施,及時對管道接頭進行止水與注漿施工,如圖11所示,獲得了良好的變形控制效果。

圖11 管道接頭處止水、注漿施工Fig.11 Waterstop and grouting construction at pipe joints

(1)項目部應派專人對成品管、鋼套環、止水帶從質量、保管、安裝等進行全面監督,確保管接口密封性能良好。

(2)頂管注漿工藝是施工的關鍵,必須從膨潤土的材料,攪拌、壓注進行全面監控,嚴格按操作規程施工,降低頂進阻力。頂進過程中,應嚴格控制頂力在允許范圍內,并留足夠的安全系數。

(3)頂管姿態控制應在質量標準范圍以內,如果在頂進過程中,發現方向失控,應立即停止頂進,逐級上報,經研究同意后,方可繼續頂進。

(4)采取一切措施,依據頂管施工工藝的要求,減少不利地質情況對施工的不利影響,確保頂進過程的連續性。

(5)沉降控制:根據地面沉降監察反饋信息及時調整泥水壓控制值、排土量與頂進速度,若發現沉降值超標,立即停止頂迸,查明原因,采取相應措施后才能重新頂進,確保既有鐵路的安全。

(6)洞口止水裝置的同心度誤差小于1 cm。機頭到達接收井,應避免管子叩頭現象。

5 結論

通過理論分析、數值模擬及現場監測結果的對比分析,并結合現場施工措施,得到了以下結論。

(1)頂管隧道下穿施工時,頂進力、地層富水、地表列車荷載都會對軌道以及地表變形產生影響,在三者綜合作用下,可能會嚴重影響頂管隧道和既有鐵路的安全,因而富水強風化砂巖地層中頂管隧道下穿既有鐵路時必須嚴格按照要求進行監測及變形控制。

(2)通過數值模擬對不同工況下的地表沉降、隧道變形等進行了計算分析,發現列車荷載會使得下穿段地表沉降和隧道拱頂沉降增大,而地層富水弱化對隧道進出口段沉降及下穿段底部隆起影響較大;當地層富水和列車荷載一起作用時,隧道沉降及下穿段路基沉降均會大幅增加,隧道進出口位置甚至會超過監測預警值。

(3)Peck公式預測、數值模擬計算和現場監測結果對比分析發現,數值模擬結果與不考慮地層富水弱化時的Peck公式計算結果相近,但由于其未考慮加固止水措施,地表沉降大于現場監測結果。

(4)通過嚴格執行治水、注漿、監測及變形控制措施,強風化砂巖地層中的下穿隧道施工獲得了良好的效果,將地表沉降值和隧道拱頂沉降值分布控制在6 mm和10 mm以下,隧道底部隆起控制在5 mm以內。

工程的順利實施可為類似項目提供良好的示范案例及施工經驗。