地铁盾构下穿高速铁路情况下的路基加固与轨面控制

程雄志

（上海铁路局，200071，上海∥工程师）

随着地铁建设的发展，盾构隧道下穿铁路的工程逐渐增多。盾构穿越施工是一项存在多项不确定因素的综合工程，盾构下穿铁路所引起的铁路路基沉降、线路变形，加剧了轨道不平顺，继而加大轮轨间的冲击力，对铁路安全运营有严重影响［1－2］。目前对于盾构隧道施工引起地表沉降的规律已有大量的研究［3－7］。为了保证铁路的安全运行，可以对盾构穿越处路基采取搅拌桩或旋喷桩围护和注浆加固，并严格控制盾构推进时的施工参数。前者可以减少铁路运行引起的动荷载，并增加土体抗力以减少管片内力，同时达到控制变形、保证安全的目的［8－10］；后者可以减少施工对地层的扰动。

对于普通铁路有砟轨道而言，该种加固措施下的沉降量基本满足铁路运行安全的要求；而对于高速铁路的无砟轨道而言，仅采用该种加固措施，沉降量和沉降完成周期往往不能满足铁路轨道结构和运行安全的要求［11］，需研究新的路基加固措施。

1 工程概况

1.1 工程简介

某地铁盾构下穿既有铁路站场区间段，平面情况见图1。盾构隧道推进施工采用从南向北的方案，推进施工时的运营线路包括：2条客运专线正线，高铁设计速度目标值为350km／h，正线采用CRTSⅠ型板式无砟轨道；4条到发线，采用有砟宽轨枕轨道；另有3条既有线改线铁路，为有砟轨道。地铁区间盾构隧道管片外径6.2m，厚度350mm，两隧道水平中心间距为13.7m，隧顶平均埋深为15.6m，隧道埋深及地质剖面分别见图1、图2。

图1 盾构隧道下穿既有铁路平面示意图

1.2 工程地质情况

据勘察结果显示，本段工程勘察深度内的土层自上而下分为①2素填土、③1黏土、③2粉质黏土、④2粉质黏土、④3粉土夹粉砂、④5粉质黏土层，其具体物理力学指标见表1。

图2 土层纵剖面图

表1 土的物理力学指标

1.3 问题提出

本工点高速铁路为CRTSⅠ型板式无砟轨道，沉降控制要求更为严格，普通的注浆加固技术措施不能满足高速铁路无砟轨道对沉降的要求，因此在盾构穿越高速铁路正线正下方时需要加强保护措施，以控制盾构穿越引起的铁路沉降。

2 路基加固方案及理论检算分析

2.1 路基加固方案

2.1.1 注浆和板桩联合加固方案

在高铁新建施工路基的同时，对盾构穿越城际正线的区间段，采用注浆加固（三轴搅拌桩包围范围为注浆加固区），同时施做桩板加固保护措施（以下简称联合加固）。钢筋混凝土板厚1.5m，长（平行于高铁正线方向）79m，宽12m，板下方设四排φ1 000＠3 000mm钻孔灌注桩，每排桩桩顶设1 500×2 000梁连接，此外在板角部也设置了钻孔灌注桩。两隧道中间和两侧桩长分别为50m、55 m，板角部桩长50m，如图3所示。

图3 高速铁路桩板结构联合加固图（单位：m）

2.1.2 注浆加固方案

地铁盾构在穿越普通铁路有砟轨道线路段时，若地质情况较差，一般对路基采取搅拌桩或旋喷桩围护和注浆加固的方案，以改善和提高路基土体的抗力性能。

旋喷加固区：铁路路基外侧1m位置，由两排直径为1.5m的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为0.2m。主加固区：城际站场一侧为两边旋喷桩之间的范围，既有线站场一侧为最北铁路线外5m至最南铁路线外5m的范围；注浆加固，要求Ps不低于1MPa。次加固区：城际站场一侧为旋喷桩外侧10m范围，既有线站场一侧为主加固区外延10m范围，南、北两站场之间区域；注浆加固，要求Ps不低于0.8MPa。主加固区、次加固区的加固要求逐渐降低，在强度及刚度上形成过渡。其中，旋喷桩的深度为隧道底部以下1m至地面；主、次加固区的深度为③2土层底至隧道底部以下0.5m，普铁加固注浆加固方法范围如图4所示。

图4 普铁加固注浆加固方法范围图（单位：mm）

2.1.3 有限元分析

图5 联合加固的二维有限元模型

针对本工点加固方案，需对盾构施工过程中地表沉降进行计算分析。选取盾构隧道包含桩数最多的横断面建立二维有限元模型。联合加固的二维有限元模型如图5所示，注浆加固的二维有限元模型为图6所示。模型中土体采用硬土模型（HS），单元形式为15节点的三角形单元；加固板采用板单元进行模拟，桩根据刚度等效的原理进行等效处理；桩与土体间加入接触单元模拟两者间的相对滑移关系。

图6 注浆加固的二维有限元模型

数值计算所用的参数详见表2。

表2 数值计算所用参数

2.2 加固效果分析

加固效果的计算对比如图7所示。

图7 两种不同加固方式加固效果的计算结果图

由表2、图7所示，按照本文所述二种加固方案，采用联合加固相结合的方式加固后，在地铁盾构穿越高铁后的地表最大沉降量为2.81mm，远小于仅采用注浆加固下的最大地表沉降25.18mm。

3 盾构穿越高铁施工时的相应技术措施

3.1 高铁线路限速

在盾构即将穿越施工前及过后一段时间（本项目为10天），对高铁线路的允许速度采取降速，本项目的限速值为120km／h。

3.2 盾构穿越进度控制和二次注浆

盾构机的掘进速度直接关系到对周围土体的扰动，是造成轨面变化的重要因素，根据经验和研究分析，将盾构机的推进速度在高铁区域控制为每日四环较合适。此处盾构实际推进速度基本控制在1.8cm～2.0cm／min之间，推力保持在1 300t左右，扭矩保持2 000～2 100kN·m，盾构油脂50 kg／环，泡沫剂50kg／环。

同时根据地面的变化及时进行多次的注浆，充实管片周围的空隙，减少后续轨面沉降。同步注浆3.8m3／环左右。

4 轨面状态监测、监护方法

在盾构穿越高铁施工期间，通过高精度仪器的监测及时了解施工引起的轨面变化，指导盾构穿越施工参数的调整，对控制轨面的变化起主要的作用；同时采用铁路工务常用的动态和静态相结合的监护方法，及时发现轨面的变形并予以整治。

4.1 轨面状态监测

4.1.1 监测设备

根据高铁运营期间不得上线检查的安全规定，不能采用人工检查轨面变形，必须采用自动的远程监控方法，本工程采用全站仪进行自动监测。

仪器：采用精密型自动化3D全站仪NET05。NET05自动全站仪可自动照准目标。初始化时只要照准目标的大致方位，瞄准和对焦工作就完全由NET05全站仪来自动完成。

观测墩：根据工程环境，选取合适的观测站位，建造稳固的观测墩，安置强制对中盘。

变形观测点：在点位上安置棱镜，将棱镜与固定厚度钢板连接，用特定强力胶水将钢板与轨道板粘接牢固，如图8（a）所示；有砟轨道线路测点直接与轨枕粘接牢固，如图8（b）所示。

图8 线路沉降测点图

4.1.2 监测频率

监测重点关注高铁正线，监测频率动态调整。在盾构刀盘逼近正线30、20、10m的时候观测频率为每24h4次、12次、24次。发现观测点位数据异常时，对部分点位再加密观测。盾尾逐渐远离高铁正线后，监测频率随之递减。

4.1.3 监测报警值

图9为监测布点情况，每条线路布设3个测点，分别位于每条隧道轴线及两条隧道中线与铁路交点位置；同时保护板与正线相交4个位置布设4个测点。隧道影响范围内的电化杆设置沉降监测点。

图9 监测点布置图

本工点为国内首次地铁盾构下穿高铁，对高铁正线的轨面变形控制尤为重要。经过反复研究，决定将盾构施工期间的高铁正线轨面变形报警控制值设定为：每24h沉降2mm为报警值，每24h沉降1mm为预警值，总沉降量报警值5mm。

4.1.4 监测数据分析

图10（a）为北侧高速铁路正线各测点D1—D5最终沉降量，图10（b）为南侧高速铁路正线各测点E1—E5最终沉降量。由图可以看出，位于盾构正上方的测点受盾构的影响变形大于位于隧道中心线或者其他地方的测点，北侧高速铁路正线最大沉降量发生在D4测点处，为－0.6mm，南侧高速铁路正线最大沉降量发生在E4测点处，为－0.7mm。高速铁路正线沉降量很小，所采取的联合加固方案收到很好效果。

图10 高速铁路正线纵向变形曲线

由图11可知，测点基本呈现先隆起，后下沉的形态。本工程盾构右线先推，左线后推。盾构刀盘切入大板，大板上测点开始隆起，累计最大隆起量为＋1.4 mm；之后随着盾构的推进远离，隆起量逐渐减小，沉降逐渐加大，盾尾脱离高铁正线4天后，开始趋于稳定，3个月后稳定在稳定至－0.7mm左右。

图11 高铁正线测点的累计变形时程曲线图

4.2 轨面状态监护

为更好地控制线路运行安全，需在远程监控线路变形监测的基础上，进一步对线路进行静态和动态的检查。

4.2.1 线路静态检查

高铁利用天窗期，对盾构穿越位置及影响区域的轨道几何状态采用安博格GRP1000轨检小车检查及人工检查。由于轨面变化较小，维修保养主要采用轨下胶垫调整方法。现场施工地段线路轨面状态基本良好，无发现异常变化，轨道几何形位始终处于受控状态。

4.2.2 线路动态检查

在盾构穿越施工影响期间，利用轨检车和人工添乘用便携式检查仪的动态检查方式，每日安排通过施工地点的列车次数在3～5次，便于直接了解轨面的动态变化情况。

本项目在施工限速期间，轨检车动态检查共计11次，在地铁盾构顶进施工地段没有发现线路摇晃及Ⅲ级超限等不良情况。

5 结语

（1）联合加固的工程方案地表最大计算沉降量为2.81mm，远小于仅采用注浆加固下的最大计算沉降量为25.18mm，板桩加固保护的技术措施对抵抗地表沉降效果明显，有利于保护高铁轨道结构和列车的运行质量。

（2）通过对采用联合加固后数值计算和实测验证对比分析，计算沉降量2.81mm和实测沉降量0.7mm数值相近，并且施工后的沉降量能在短时间内衰减，满足了对盾构穿越高铁施工所引起的沉降控制在5mm的技术要求。

（3）通过对线路静态和动态相结合的监测、监护控制方法，能保证盾构穿越期间的高铁运营安全。

（4）联合加固的工程必须在高铁路基施工前先期施工，因此在规划高铁时要同步规划好地铁的线位。

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