合肥地区新建盾构隧道下穿铁路路基段地层预加固措施研究

2020-01-02李士中

铁道建筑 2019年12期

李士中

（中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

随着我国城市现代化进程的不断推进，城市规模急速膨胀，人口数量不断增长，对交通规模及其效率提出更高的要求。为满足居民日常出行需求，缓解城市交通压力，建立舒适方便、安全高效的地下轨道交通网络成为各个城市的主要解决方案之一。我国合肥地区有大范围的硬塑土分布，针对这一地质特点，地下轨道交通通常采用盾构法施工。盾构法施工过程中经常会遇到下穿既有建（构）筑物的情况，尤其是遇到下穿铁路线路这类对地表容许变形值有严格要求的工程风险点时，常成为工程建设过程中的重点和难点。

国内外大量盾构法施工经验表明，其或多或少会扰动地层，引起地层位移而导致不同程度的地面沉降；地面沉降的主要原因是盾构掘进所引起的地层损失和隧道周围土体受到扰动破坏后的再固结。从盾构法施工引起地面沉降原因可知，对铁路下方地基土体进行适当加固，可提升土层的物理力学性能，增加土层抗扰动能力，从而控制盾构穿越时引起的地面变形［1-2］。

本文通过合肥一轨道交通线下穿合福高速铁路联络线、合武铁路工程实例，提出不同的地层加固方案；通过三维有限元数值模拟方法分析不同类型地层加固方案对路基沉降的影响［3-4］。

1 工程概况

本工程轨道交通线路与铁路线路夹角约为82°（图1），线路左右中心线间距约为12 m，采用盾构法施工。洞身穿越地层为⑥2黏土层（图2），下穿路基段的盾构隧道埋深为17.46～17.69 m；区间结构顶部与路基基底最小竖向净距约为17.46 m。

图1 区间隧道下穿铁路路基段平面示意

图2 区间隧道下穿铁路路基段纵断面（单位：m）

合福高速铁路联络线全长41.74 km，为双线客运专线联络线。盾构下穿段设计速度为160 km/h，采用线间距为5.0 m的有砟轨道，设计年限为100年。

合武铁路全长359 km，为Ⅰ级双线电气化铁路，设计速度250 km/h，是我国第1条设计速度超过200 km/h 且完全按照客运专线配置设计的客货共线铁路。盾构下穿段设计速度为120 km/h，采用线间距为5.0 m 的有砟轨道，设计年限为100年。

2 地层预加固措施

综合本工程特殊性、工程地质情况及其他城市铁路地层预处理经验，本文主要针对铁路路基下地层预处理措施进行研究，提出浅层加固方案、深层加固方案和洞周加固方案，再与不进行地层处理方案进行比较分析［5-7］。

2.1 浅层加固方案

1）主要思路。浅层加固方案主要采用浅层注浆方式，在盾构施工前对路基下浅层的黏土层进行加固，改善路基基础整体性，控制由于盾构施工引起的地表不均匀沉降。盾构施工后洞内进行补充注浆，对区间隧道周边土体再加固，防止由于盾构施工引起土体松动导致地表沉降过大。

2）加固范围。盾构施工影响范围，深度为杂填土层下3.0 m 范围的黏土层，横向为区间盾构施工横向影响范围，纵向为铁路线路外30.0 m 范围。加固施工完后，对加固范围上方的杂填土层进行补充注浆加固。浅层加固方案剖面如图3所示。

图3 浅层加固方案剖面

3）方案特点。在邻近铁路地面进行浅层加固施工，主要加固地层为黏土层，以进一步减小隧道施工过程中地层扰动和水土流失，更好地控制铁路不均匀沉降。浅层加固深度为地表下2.0～5.0 m 范围内，加固效果可采用钻孔取样方便地检查，加固效果容易控制。本方案的加固范围位于地表浅层，对于加固区和隧道之间的土体扰动相对较小。

2.2 深层加固方案

1）主要思路。深层加固方案主要采用全方位高压喷射（Metro Jet System，MJS）工法加固地层，在盾构施工前，对区间隧道上方2.0～8.5 m 范围内粉质黏土层进行加固，加固后形成铁路与隧道隔离作用地层，控制上方土体沉降。盾构施工后，洞内进行补充注浆，确保加固效果。

2）加固范围。在盾构施工影响范围内，深度为盾构管片顶层上方2.0～8.5 m 范围的较深土层，横向为区间盾构施工横向影响范围，纵向为铁路线路外30.0 m范围。由于MJS 工法施工引起地层松动，在加固施工完后，对上方地层进行补充注浆加固。深层加固方案剖面如图4所示。

图4 深层加固方案剖面

3）方案特点。在邻近铁路地面进行MJS 工法施工，对轨道交通区间隧道上方的土体进行加固，通过提高加固范围土体刚度形成隔离作用，主要控制地表的沉降。本方案MJS 工法加固深度较大，加固股道下方地层时采用倾斜施工，该施工方法对操作人员技术和管理要求较高；在隧道施工影响范围内加固，对地面影响范围相对较小；由于加固深度较大，加固效果检查难度较大。同时加固施工时对隧道上方的地层扰动范围相对较大，主加固区施工完后，应对加固区上方土体补充注浆加固，减少因地层加固施工对上覆地层产生的扰动影响。

2.3 洞周加固方案

1）主要思路。洞周加固方案主要采用MJS 工法加固，对区间隧道外缘外2.0 m 地层进行加固处理，加固后形成强度和刚度较大的土体，减小盾构施工对周围土层稳定性的影响。盾构施工推进后，在洞内进行补充注浆，对区间隧道周边土体再加固，防止由于盾构施工引起土体松动导致地表沉降过大。

2）加固范围。在区间左右线隧道外缘外上下左右各2.0 m 范围内⑥2黏土层进行加固，纵向为铁路线路外30.0 m 范围。由于MJS 工法施工引起地层松动，在加固施工完后，对上方注浆施工范围内土体补充注浆加固。洞周加固方案剖面如图5所示。

图5 洞周加固方案剖面

3）方案特点。在邻近铁路地面进行MJS 工法施工，对轨道交通区间左右线隧道周边2.0 m 范围内土体进行加固，通过提高加固范围内土体刚度，减少盾构施工对周边土体的扰动影响，达到控制地表沉降的效果。本方案的加固深度最大，施工难度相对最大；在隧道施工影响范围内加固，对地面影响范围相对最小；由于加固深度较大，加固效果检查难度较大，加固效果不易控制。同时MJS 工法加固施工时对隧道上方地层扰动范围相对较大，加固区施工完后，应对加固区上方土体补充注浆加固，减少对地层扰动影响。

3 不同加固方案下路基沉降数值模拟

3.1 模型简述

下穿位置盾构施工所处的地层为⑥2 黏土层，盾构结构顶面距离地表最小距离为17.5 m。采用有限元软件进行三维数值模拟，模型上边界取至路基表面，下边界取至盾构底部向下49.0 m，横向取隧道中心线两侧各50.0 m，模型沿隧道长度取60环管片宽度即90.0 m，盾构外轮廓距离模型边界均大于5倍洞径。数值模拟过程中同时使用了摩尔-库伦本构模型和弹性本构模型，其中地层及路基采用摩尔-库伦本构模型模拟其变形受力特征，盾构隧道的管片和注浆层采用弹性本构模型模拟。盾构隧道管片混凝土等级为C50，管片环宽度为1.5 m，采用6 分块错缝拼装，管片环内直径5.4 m、外直径6.0 m、厚度0.3 m，用板单元模拟，采用修正惯用法模拟管片环向接头抗弯刚度降低，弯曲刚度有效率η= 0.8。模型尺寸为长90.0 m、宽124.0 m、高72.5m，划分单元数量为131 924。数值模拟采用的各土层参数、路基材料参数以及盾构相关参数见表1—表3。

表1 各层土体主要参数

表2 路基填料参数

表3 盾构及管片参数

表4 vmax＞160 km/h线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值 mm

3.2 模拟结果

根据GB/GW 102—2019《普速铁路线路维修规则》中对线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值的要求（见表4），并参考合肥市轨道交通1号线一期工程下穿合肥火车站站场的沉降控制标准，作业验收管理值为线路设备大修、计划维修和临时补修作业的质量检查标准；计划维修管理值为安排轨道维修计划的质量管理标准；临时补修管理值为应及时进行轨道整修的质量控制标准。本盾构隧道施工项目中，选择速度大于160 km/h 正线和到发线的临时补修标准，确定线路轨道静态几何不平顺容许偏差管理值为路基不均匀沉降，按8 mm控制。

模拟计算结果如图6所示，可知：盾构隧道施工完成后地表沉降曲线沿盾构隧道中线左右对称，并且地表沉降槽符合由PECK 公式得出的双线盾构相邻施工后沉降规律叠加的表现，即线路净距较近时，最大沉降出现在两盾构之间中心线对应的地表位置。未进行加固时，盾构下穿铁路引起的最大地表沉降达到6.9 mm；采用浅层加固方案，最大地表沉降为5.9 mm；采用深层加固方案，最大地表沉降为4.5 mm；采用洞周加固方案，最大地表沉降为1.5 mm；均满足路基沉降不超过8 mm的控制标准。

对比加固和未加固时路基沉降变化可知，在对地层进行加固后，浅层加固方案盾构通过后的沉降最大，但与不进行地层加固时相比沉降值减小14.5%；深层加固方案次之，与不进行地层加固时相比沉降值减小34.8%；洞周加固方案沉降最小，与不进行地层加固时相比沉降值减小78.3%。浅层加固方案加固地层可以使路基沉降控制在应及时进行轨道整修的质量控制标准范围内；深层加固方案加固地层可以将路基沉降控制在轨道应安排维修计划的质量管理标准范围内；洞周加固方案加固地层可以将路基沉降控制在线路设备大修、计划维修和临时补修作业的质量检查标准范围内。

通过上述对下穿铁路地层3 个加固方案的研究，针对各自的优缺点进行比较分析，见表5。

图6 路基沉降模拟计算结果（单位：m）

表5 3种地层加固方案比较

综上，采用加固盾构结构周边地层的工法能够增加土层抗扰动能力，可以更好地减小盾构施工对地层的扰动，减小黏土层变形而导致的地面沉降，有效地控制盾构穿越时引起的铁路路基变形。在条件允许的情况下推荐采用盾构通过位置周边地层加固的方案。

4 盾构下穿铁路路基施工技术措施

结合本工程的特点及盾构施工经验，盾构下穿铁路路基施工时，应对铁路进行防护及增加工程措施。

1）施工前应核实地质情况，根据前期盾构掘进参数控制与地层位移的关系，确定合理的土压力设定值、排土率、掘进速度等。

2）施工前根据加固方案对地层进行加固，加固后应对加固结果进行检查，达到要求后方可进行施工。必要时应对铁路股道架设施工便梁进行防护，确保运营安全。

3）穿越前应对盾构机械进行检修，避免中间停机、漏浆或注浆系统堵管等情况发生，保证盾构能够连续匀速推进。

4）加强沉降监测，应对轨道进行穿越施工全过程监测，其中对轨道沉降、轨道横向差异沉降、轨距变化、道床纵向沉降等项目应进行24 h 远程实时监测；根据监测结果，及时优化调整掘进施工参数，做到信息化动态施工管理。采用高精度连通管自动监测方法对轨道作加密监测，盾构通过期间定时提供监测数据，并及时反馈至施工人员。

5）严格控制掘进速度和同步注浆量，避免因盾尾空隙未能及时充填而产生下沉，同步注浆推荐采用双液浆，能够快速凝结，限制地层变形。

6）及时利用盾构管片注浆孔进行洞内二次注浆，控制后期沉降，在风险较大区段可以适当增加管片环上预留注浆孔数量。

7）采用调整轨道扣件的办法及时调整轨道高程，以满足铁路线路标准。根据需要设置护轨、横向轨距杆或采用扣轨、架设便梁等保护设施。

8）盾构通过后，建议对隧道上方土层注浆加固，进一步减小地层后期变形。

9）注浆施工时，应确保在无车的情况下进行，加固后及时测量线路情况，在铁路线路几何不平顺等满足相关规范要求下方可通车。

10）当采用地表变形控制效果较差的工程措施时，应当密切监控轨道变形情况。盾构下穿施工过程中，列车应当限速通过，减速缓慢行驶。

11）施工单位施工前，应制定详细的应急预案，以策安全。