大粒径卵石地层中盾构下穿既有铁路的影响分析

杜明芳,朱东东,易领兵,满景奇

(1.河南工业大学 土木建筑学院,河南 郑州 450001; 2.中交铁道设计研究总院有限公司,北京 100089)

随着地铁建设的快速发展,在复杂地层中修建地铁的工况越来越多。卵石地层有着独特的土质特性,颗粒之间孔隙较大,无黏聚力,土层反应灵敏,盾构刀盘在切削土体时,卵石地层原来的平衡状态会遭到破坏,若控制不当,则会引起地层局部坍塌[1]。洛阳轨道交通2号线刘富村出入线区间盾构下穿施工为卵石地层,且卵石粒径较大,上方还有既有运营铁路存在,施工困难较大。

盾构法施工在软土地层中的研究取得了丰硕的成果,文献[2-4]通过对现场监测数据的分析,研究了盾构下穿施工对既有铁路的影响。数值分析作为一种现代化的分析方法,在科研工作中也起着重要的作用。文献[5]通过FLAC3D模拟软件对合肥地铁盾构隧道下穿河道施工进行了分析,并得出了相应结论；文献[6-9]通过数值模拟和现场检测对比的方法,对软土地层中盾构施工引起的影响分析研究,并取得了不俗的成果;文献[10]通过室内模型试验进行了地铁盾构施工对地下管线的影响研究,探究了在盾构开挖条件下,地下管线在黏土和砂土不同地层中受力和变形规律。在研究了盾构施工引起的地层变形规律之后,对于工程中加固措施的选择显得尤为重要,工程周边环境的不同导致了同一种加固措施并不能适应所有的工程情况,文献[11-14]结合实际工程实例,选出了适合该工程的最佳加固方案,为类似工程提供了重要的参考价值。卵石地层中盾构施工引起的影响研究相对较少,尤其是洛阳市这种卵石颗粒大(最大粒径可达40 cm)、分选性差的地层,会给盾构施工带来较大的困难。因此,弄清盾构在卵石地层中下穿既有铁路引起的地表沉降规律以及铁轨变形特征是盾构安全施工的保证。

本文将依托洛阳市轨道交通2号线刘富村出入线区间,针对卵石地层特点及盾构下穿既有铁路的特殊工况,基于三维数值模拟和实际监测数据,揭示盾构在卵石地层中下穿既有铁路的铁轨及地表沉降规律,同时对几种常用加固方案进行分析,并与实际监测结果进行对比,以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

洛阳市城市轨道交通2号线刘富村出入线区间,由龙门大道站始发,下穿伊洛路,然后以350 m半径东转下穿焦柳铁路、洛宜铁路至刘富村出入线明挖段设计终点。区间左、右线线间距约为13 m,穿越铁路段隧道结构覆土为7.46～9.56 m,至铁路轨道覆土为11.98～15.55 m。本区间下穿洛宜、焦柳铁路路基段采用盾构法施工,盾构区间结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数如下:内径5.5 m、外径6.2 m,管片厚度350 mm、环宽1.5 m。焦柳铁路为上、下行双线电气化铁路,该段范围内铁路基础为碎石道床。线路允许速度为110 km/h。洛宜铁路为单线非电气化铁路,线路允许速度为60 km/h,碎石道床基础,区间隧道与洛宜、焦柳铁路平剖面关系如图1所示,图1中单位为m。

图1 区间隧道与铁路平剖面位置关系

本工程场地地层主要为杂填土、黄土状粉质黏土、卵石、细砂,地层变化较大。地下水为孔隙潜水,埋深15～25 m。区间盾构穿越洛宜、焦柳铁路段隧道范围内主要为稍密卵石土,级配一般,粒径以2～10 cm为主,最大粒径可达40 cm,填隙物以砂、砾砂为主。

2 下穿段加固措施

根据调查,洛宜、焦柳线在区间穿越影响范围内列车行驶速度较低(线路允许速度分别为60、110 km/h)地铁区间下穿时段铁路限速45 km/h。同时根据中国铁路总公司修订的《普速铁路线路修理规则》(2019年版),考虑铁路轨道已有的变形值,并结合国内已有诸多成功穿越国铁的地铁工程经验。本区间穿越铁路路基段相关控制标准为:① 轨面沉降值≤10 mm; ②相邻两股钢轨水平高差≤10 mm;③ 相邻两股钢轨三角坑≤10 mm; ④路基最大沉降值≤15 mm,地面最大沉降值≤20 mm。

本工程盾构隧道下穿铁路距离较近,盾构隧道又处于地层稳定性较差的卵石地层中,盾构下穿对铁路的影响较大。根据现场调查及以往工程实例研究,拟对该工程进行以下2种加固措施。

(1) 下穿前对铁路路基进行加固。钻孔间距2 m×2 m,梅花形布设,下插角5°,钻孔长度10～ 15 m;注浆管采用φ42×5 mm钢花管,沿管壁间隔20 cm钻孔,钻孔呈梅花型布设,孔位互成90°,孔径60～80 mm。注浆采用1∶1水泥-水玻璃双液浆。注浆压力为0.2～0.4 MPa,具体注浆压力、注浆量根据现场情况及时进行调整。注浆加固范围为区间两侧外20 m,总长度77 m,如图2所示。

图2 路基注浆加固示意图

(2) 洞内深孔注浆加固。土体在管片上增设注浆孔(预埋注浆管),根据地质及掘进情况, 对隧道上半断面3 m范围内的地层进行注浆加固,注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆,注浆压力控制在0.3～0.5 MPa,注浆施工结束后注浆孔采用微膨胀水泥封堵,如图3所示。

图3 洞内深孔注浆加固示意图

为了盾构安全下穿既有铁路,并且使得加固方案经济合理,在研究地层变形规律的同时,将对4种不同工况进行计算验证,对不同工况的加固效果进行分析,并与实际监测结果进行对比。

工况1 不采取任何加固措施。

工况2 采取路基提前注浆加固方案。

工况3 隧道洞内深孔注浆加固。

工况4 2种加固措施同时采用。

3 数值计算分析

3.1 模型建立

洛阳市轨道交通2号线刘富村出入线段盾构隧道与焦柳铁路实际交角85°,模型近似选取为90°,模型左右尺寸边界选取约隧道5倍洞径,即模型X方向尺寸为120 m；模型上下边界选为实际工程距离,即模型Z方向尺寸为50 m；模型Y方向尺寸选为90 m,整个模型尺寸为120 m×90 m×50 m。模型土体选用摩尔库伦本构关系,土体采用3D实体单元模拟,管片采用2D板单元模拟,铁路路轨采用1D梁单元模拟,4种不同工况模拟步骤如下:

工况1 不采取任何加固措施,按照实际地勘资料赋予土体属性,先开挖左线隧道,后开挖右线隧道,在每一步隧道开挖完成时,激活该步盾构管片。

工况2 利用Madis/GTS改变属性模块在隧道开挖之前对路基土体进行加固处理。

工况3 同步注浆层在激活盾构管片时同时激活,洞内深孔注浆层需在下一步盾构管片完成时激活。

工况4 同时按照工况3和工况4的模拟方法进行有限元分析计算。

材料取值参数见表1所列,三维整体模型图如图4所示。

表1 岩土力学指标及材料参数表

图4 三维整体模型图

3.2 工况1计算结果

工况1地层位移云图、铁轨位移云图和横向沉降槽曲线如图5～图7所示。通过对工况1的计算结果分析可知,隧道开挖会对周围土体产生扰动,引起隧道周围土体产生变形,地层最大沉降发生在隧道正上方,当不采取任何加固措施时,地层最大沉降值为21.7 mm,本工程地面沉降值要求不大于20 mm,不符合规范要求。

图5 工况1地层位移云图

图6 工况1铁轨位移云图

图7 工况1铁轨横向沉降槽曲线图

由图7可知，铁轨最大沉降发生在左线隧道中心正上方,沉降值为15.46 mm,规范要求铁轨最大沉降值≤10 mm,铁轨沉降值同样不符合规范要求。因此,对洛阳市卵石地层中盾构下穿既有铁路采取加固措施是非常必要的。在采取加固措施之前,对盾构下穿引起的铁轨变形规律进行研究,提取模型铁轨变形数值进行分析。

由图7还可知,在双线盾构隧道开挖完成之后,铁轨位移形成U形沉降槽,最大沉降发生在左线隧道正上方,沉降值为15.46 mm。在模型计算过程中先开挖左线隧道,后开挖右线隧道,左线隧道上方铁路沉降值大于右线隧道上方铁路沉降值,由此可见,盾构下穿铁路的沉降不是在一个阶段内完成,至少在隧道开挖完成之后还有一个后续沉降。这种后续沉降是由土的固结蠕变以及右线隧道施工的扰动形成的工后沉降,为了研究轨面沉降发生阶段,轨面与左线隧道交叉点(a点)随开挖步沉降值曲线如图8所示。

图8 a点随开挖步沉降值曲线

由图8可知,a点随开挖步的沉降大致分为4个阶段,盾构到达前、盾构下穿时、盾构通过后以及右线隧道施工时的扰动。在盾构到达前,由于盾构机掌子面压力很难做到与原始地层土压力相同,因此,若掌子面推力过大，则将导致铁轨的隆起；若过小，则会引起铁轨沉降。

本模型在采取参数时相对保守,在盾构到达前铁轨有1.06 mm沉降发生。当盾构机开始下穿铁路时,铁轨沉降急剧发生,当左线隧道开挖完成时,铁轨沉降值为12.23 mm,整个下穿过程铁轨产生了11.17 mm的沉降。当盾构通过后,土体进行固结蠕变,是铁轨沉降进一步增加,但沉降值较少,整个过程沉降值为0.96 mm,此时铁轨总沉降量为13.19 mm。当右线隧道盾构到达铁路下方时对左线隧道产生扰动,当右线隧道开挖完成时,a点沉降值增加了2.27 mm,最终铁轨最大沉降为15.46 mm。由上述分析可知,铁轨沉降发生最大阶段为盾构下穿时,由于卵石土土质特性,工后沉降中土体的固结蠕变占比较小,主要为右线隧道开挖对卵石土体的扰动导致左线隧道产生工后沉降。

3.3 不同加固措施计算对比

3种加固措施情况下盾构下穿铁路的地面沉降云图和轨面沉降云图如图9～图11所示。

图9 工况2地面和轨面沉降云图

图10 工况3地面和轨面沉降云图

图11 工况4地面和轨面沉降云图

分析有加固措施的计算云图结果可知,在只有路基提前注浆的工况2情况下,地层最大沉降为18.83 mm,轨面最大沉降值为11.55 mm,轨面沉降值大于10 mm,不符合规范要求。在进行路基提前注浆之后,轨面最大沉降值相比工况1减少了3.91 mm,但是地面沉降值相比工况2只减少了2.87 mm。这是由于路基提前注浆会使路基刚度增大,抵抗变形能力增加,但对下部土体并没有实质性的改变,因此对地面沉降值改善较小。

由图10可知,在只有隧道洞内深孔注浆的情况下,地面最大沉降值为16.84 mm,轨面最大沉降值为13.61 mm,地面沉降值虽然符合要求,但依然偏大,轨面沉降值大于10 mm,不符合要求。与工况2相比,在只有洞内深孔注浆的情况下,地面沉降控制要好于工况2,但轨面沉降控制要差于工况2。由于变形由隧道开挖引起,由下而上进行变形的传递,对隧道周围土体加固,可以很好地控制地面沉降值,但由于卵石地层特性,变形从下而上传递时,并不具有一定的线性规律，因此只对洞内进行深孔注浆加固对轨面沉降控制效果并不好。综上所述,工况2和工况3的单独加固效果均不能满足规范允许沉降值要求。

由图11可知,在路基提前注浆和洞内深孔注浆2种加固措施同时施加的情况下,地层最大沉降值为11.14 mm,轨面最大沉降值为6.17 mm,地层沉降和轨面沉降均符合规范要求,因此,盾构在大粒径的卵石地层中下穿既有铁路时,对路基进行提前注浆加固和洞内深孔注浆加固是十分有必要的。与工况1、工况4情况相比地层沉降减少了10.56 mm,轨面沉降减少了9.29 mm,加固效果明显。

为了进一步研究盾构在大粒径卵石地层中下穿既有铁路的影响,需要对下穿过程中铁轨沉降数据进行提取分析。先提取4种工况下铁轨在隧道开挖完成之后横向沉降数据,如图12所示,然后对铁轨最大沉降值发生点(a点)随开挖步的沉降值进行数据提取,如图13所示。

图12 4种不同工况下轨面横向沉降槽曲线

由图12可知,在4种不同工况下,盾构在卵石地层中下穿既有铁路时,铁轨都会产生U形沉降槽,沉降值最大处均为左线隧道正上方。从图12中可以看出,工况1、工况2、工况3情况下,轨面沉降均不符合规范要求,只有工况4的情况下,轨面沉降≤10 mm,符合规范要求,轨面沉降值相比工况1减少了60%。因此,实际工程中采用2种加固方式同时进行的措施是盾构安全下穿既有铁路的重要保障。

从图13可以看出,4种工况沉降发生阶段基本一致,在工况4的情况下,由于2种加固措施的同时存在,使得左线隧道工后沉降很小,抵抗右线隧道施工扰动效果也是非常显著,总体沉降值也满足规范要求。因此,对路基提前注浆和隧道洞内二次注浆的加固效果是非常显著的。

4 监测数据分析

实施监测的目的是掌握地层与结构体系的动态及施工对既有铁路的影响,确保施工过程的安全。监测点要布置在最不利位置,铁轨变形是该工程控制的重难点,为了节约篇幅,只选取轨面水平向监测点数据进行分析,监测点位置如图14所示。

图14 铁轨水平向监测点布置图

为了验证模型可靠性以及研究轨面实际沉降规律,在双线隧道施工完成后,对各监测点数值进行采集,各监测点沉降值如图15所示。

图15 监测点数值曲线

由上述实际监测数据可知,在双线隧道完成后,铁轨会形成U形沉降槽,最大沉降值为6.12 mm,发生在左线隧道正上方处。沉降槽曲线与模拟结果一致,最大沉降值也与计算结果基本一致,模型准确性较好。

5 结 论

本文针对大粒径卵石地层中盾构下穿既有铁路施工,采用有限元软件对4种不同工况进行了数值模拟,并与实际监测数据进行了对比,得到以下结论:

(1) 在大粒径卵石地层中,盾构下穿既有铁路施工时,地层轨面会形成U形沉降槽,最大沉降值发生在左线隧道正上方。在不采取加固措施的情况下,地层最大沉降为21.7 mm,轨面最大沉降为15.46 mm,均不能达到沉降要求标准。

(2) 轨面沉降大致分为盾构到达前、盾构下穿时、盾构通过后及工后沉降4个阶段。盾构下穿时,轨面沉降值增加速率最快,是沉降发生的主要阶段。在工后沉降阶段,由于大粒径卵石土体特性,土的固结蠕变产生的工后沉降占比较少,工后沉降主要由右线隧道开挖扰动引起。

(3) 只进行路基提前注浆加固或者隧道洞内深孔注浆加固的情况下,轨面沉降值均不能满足要求。在2种加固措施同时采用的情况下,地面沉降值为11.25 mm,轨面最大沉降值为6.17 mm,均满足沉降控制标准,轨面沉降值减少了60%。

(4) 实际监测数据与模型计算结果基本一致,验证了模型的结果可靠性,证明了路基提前注浆和隧道洞内深孔注浆同时施加的加固方案对地层以及轨面沉降控制提升效果明显。

(5) 由于大粒径卵石土极易受到盾构刀盘开挖扰动,为了防止施工过程中掌子面突然坍塌,施工前应建立试验段,及时调整盾构推进参数,加强施工监测,保证盾构安全下穿既有铁路。

(6) 由于盾构下穿铁路段采取了对铁路限速措施,文中未考虑列车荷载的影响,列车荷载对盾构下穿施工的影响将作为后续的研究方向。