地铁盾构隧道下穿沪宁城际铁路无砟轨道路基的影响研究

2020-07-28韩学芳

铁道建筑技术 2020年5期

韩学芳

(中国铁路上海局集团有限公司上海 200071)

1 引言

随着城市轨道交通的快速发展，盾构隧道下穿既有铁路的工程越来越多。盾构隧道施工会对周围地层产生扰动，导致既有铁路路基产生不均匀沉降，进而加剧轨道的不平顺，对铁路运营造成安全隐患。尤其是高速铁路路基，对变形的控制要求更为严格[1]。目前大量学者针对盾构隧道施工引起的地表沉降问题研究成果较多[2-4]，并在盾构隧道穿越普速铁路路基工程中得到广泛应用[5-6]，但对盾构隧道下穿运营条件下高铁路基研究较少。徐干成等[7]提出了盾构隧道下穿高铁路基时掘进参数的控制措施；霍军帅等[8]以采用应力释放率的方法研究了高铁路基加固采用板+桩组合结构形式的可行性，并用有限元法对轨道结构进行动静响应分析。

本文依托无锡地铁3号线穿越沪宁城际铁路与京沪铁路工程，采用理论分析结合有限元单元法，研究采用混凝土板+钻孔桩+CFG桩预加固措施后盾构隧道下穿对沪宁城际铁路路基的影响，结合施工监测数据对地基加固方案及其加固效果进行定量分析，以期为类似工程提供参考。

2 工程背景

2.1 盾构隧道与铁路位置关系

无锡地铁3号线出无锡火车站后沿兴昌北路向西前行，以半径为300 m的曲线按预留通道穿越沪宁城际铁路(2股正线5股到发线)，然后穿越京沪普速铁路。沪宁城际除北侧到发线(7)外其余股道均位于混凝土加固板范围内。到发线(7)距加固板最大垂直距离约5 m。区间线路与沪宁城际铁路夹角约42°，与京沪普速铁路夹角约60°，穿越沪宁城际段隧道埋深12.9～14.3 m，区间盾构隧道下穿沪宁城际平面图如图1所示，本工点地貌类型属于长江三角洲太湖冲湖积平原区，下穿工点盾构隧道穿越地层主要为⑥1黏土和④2砂质粉土，相关土层物理力学参数见表1。

图1 地铁盾构隧道与沪宁城际铁路、京沪铁路平面位置关系

表1 相关土层物理力学参数

2.2 沪宁城际铁路地基加固方案

沪宁城际铁路施工时已采取混凝土板+钻孔桩+CFG桩加固措施预留地铁穿越条件，加固区横、纵断面如图2所示。钢筋混凝土板长×宽×高为58 m×48 m×1.8 m，其横向支座处配筋为φ32@100+φ28@100，跨中配筋φ32@100+φ25@100。钢筋混凝土板纵向配筋为上下侧各φ28@100。钻孔灌注桩桩径为1 m，桩间距4 m，钢筋混凝土板的左中右各一排，中间一排桩长64 m，两侧桩长54 m，持力层均为⑧4砂质粉土。CFG桩桩径为φ0.5 m，桩间距1.8 m，隧道上方桩长为8 m，隧道两侧桩长20 m。区间隧道距两侧CFG桩的水平距离大于1 m，左线隧道距离隧道顶CFG桩竖向距离大于0.86 m，右线隧道距离隧道顶CFG桩竖向距离大于0.16 m。除加固区外，沪宁城际DK176+557.45～176+769.6段的路基形式为CFG复合地基，CFG桩桩径0.8 m，桩长17.5 m，间距1.8 m，正方形布置。

图2 加固区横纵断面示意

3 无加固措施时的地表沉降估算

盾构隧道下穿既有铁路势必会引起地表沉降，若控制不当将严重威胁运营安全。针对盾构隧道施工引起的地表沉降计算，国内外学者进行了大量的研究，诸如Peck公式、Sagaseta公式、Loganathan和Poulos公式、魏纲等提出的改进Peck公式等[9-11]，本文采用Peck公式对盾构隧道下穿引起的天然地基地表沉降进行计算。

Peck地表沉降公式表达式为:

式中，S为x位置处的地面沉降量；Smax为隧道轴线上方最大地面沉降量；x为地表一点到隧道轴线的横向水平距离；i为地面沉降槽宽度系数；H为覆土厚度；R为隧道外半径；Vloss为单位长度土体损失量，Vloss＝πR2η，η为土体损失率。

目前国内外针对计算土体损失率η的方法主要有三种。

(1)理论计算法

采用Lee等[12]提出的等效土体损失参数g进行计算，式中R为隧道开挖半径，土体损失量为:

式中，g＝G′p+U3D+ω，其中G′p＝αGp。

Gp为盾构机与衬砌之间的几何空隙，考虑到注浆填充应乘以一个折减系数α，α根据土体取经验值。U3D为盾构机前部土体的三维弹塑性变形，ω为施工因素，η与g之间的换算关系为:

(2)反分析方法

利用已测得的地表沉降数据，根据Peck公式求出i值，再反分析求解η值:

(3)经验方法

土体损失率η与工程及水文地质情况、隧道施工参数及工程管理经验等因素有关，根据无锡地区参数取值经验，分别取η为0.5%和0.8%进行计算，由式(3)和式(6)可得，无锡地铁3号线下穿沪宁城际铁路在未加固时引起的最大地表沉降值Smax分别为6.30 mm、10.08 mm。

参照文献[1]，可见无加固时盾构隧道施工引起的地表沉降不能满足高铁路基变形控制要求，对盾构隧道下穿沪宁城际工点采取适当的预加固措施是有必要的。

4 数值模型建立与施工模拟

利用有限元软件PLAXIS 3D，建立包括岩土、隧道、路基及上部线路一体的模型，根据隧道穿越土层的工程性质、线路线形和相关工程经验确定隧道开挖引起的地层损失率，在数值计算中采用0.5%和0.8%的地层损失率计算，以考察盾构隧道施工对沪宁城际路基的变形影响。

4.1 模型建立

选取下穿节点建立三维有限元模型，模型总长度155 m、总宽度为140 m，深度约为70 m，盾构隧道外径为6.2 m，内径为5.5 m。几何模型底部施加完全固定约束，两侧施加竖直滑动约束，模型表面为自由边界。土体采用土体硬化模型(HS)模拟，单元类型为10节点四面体单元，加固板采用板单元进行等效处理，钻孔桩和CFG桩采用嵌入式梁单元模拟，土层参数按照表1选取。

4.2 施工模拟

在PLAXIS 3D有限元软件中通过冻结隧道范围内土体单元，激活管片单元，并进行断面收缩和施加掌子面压力来模拟盾构掘进过程。整个隧道施工过程模拟按照实际盾构施工推进方向和顺序进行分步开挖，先施工左线隧道，再施工右线隧道，左右线推进方向相反。具体开挖工况如图3所示，工况具体为:工况1，左线隧道盾构机刀盘到达沪宁城际路基西南侧边缘位置；工况2，左线隧道盾构机刀盘到达沪宁城际路基中轴线位置；工况3，左线隧道贯通模型；工况4，右线隧道盾构机刀盘到达沪宁城际路基东北侧边缘位置；工况5，右线隧道盾构机刀盘到达沪宁城际路基中轴线位置；工况6，右线隧道贯通模型。

图3 盾构隧道施工工况划分

4.3 路基沉降计算

针对无锡地铁3号线盾构隧道下穿沪宁城际铁路路基加固区的施工，选取沪宁城际两条正线(上行线和下行线)以及处于加固区以外的到发线(7)沿股道方向的纵剖面进行分析。通过数值模拟，得到在地层损失率为0.5%和0.8%时沪宁城际铁路路基顶面的各个工况的沉降分布曲线，如图4和图5所示。

图4 沪宁城际路基纵向沉降曲线(η＝0.5%)

图5 沪宁城际路基纵向沉降曲线(η＝0.8%)

从图4可知，采用加固措施后，地层损失率为0.5%时，盾构隧道双线贯通后沪宁城际上下行线路基顶面沉降最大值分别为0.664 mm和0.712 mm，铁路正线路基加固后的最大沉降是未加固时最大沉降值的11.3%。到发线(7)的路基顶面沉降最大值为2.898 mm。从图5可知，采用加固措施后，地层损失率为0.8%时，盾构隧道双线贯通后沪宁城际上下行线路基顶面沉降最大值分别为0.888 mm和0.907 mm，铁路正线路基加固后的最大沉降是未加固时最大沉降值的9%。到发线(7)的路基顶面沉降最大值为4.346 mm。

采取混凝土板+钻孔桩+CFG桩预加固措施后，沪宁城际上、下行线沉降满足控制标准，而到发线(7)由于位于预留加固混凝土板外且邻近结构边缘，沉降值介于正线股道最大沉降值和未加固的最大地表沉降值之间。考虑到到发线为有砟道床，且临近车站速度较低，因此未采取新的预加固措施。随着地层损失率取值的增加，路基顶面沉降增大，可见在盾构隧道下穿时合理选取盾构推进的施工参数极其重要。

为更直观地体现混凝土板+钻孔桩+CFG桩预加固措施的效果，沿着垂直于股道的方向给出在地层损失率分别为0.5%和0.8%时路基横断面上的沉降曲线，如图6所示。加固区范围内路基沉降较为均匀，远离加固区范围后的沉降值则迅速增加。

图6 沪宁城际路基横断面沉降曲线

5 现场监测

为保障铁路运营安全和盾构推进的安全性，在盾构隧道穿越沪宁城际时对沪宁城际铁路路肩的竖向沉降进行实时监测，监测断面里程为K126+470～K126+620。具体监测时间节点可分为以下阶段:左线盾构穿越期(穿越时间为2018年4月4日～2018年5月11日)，右线盾构穿越期(穿越时间为2018年8月8日～2018年9月16日)。沪宁城际路基沉降预警值为1 mm，报警值为2 mm。

选取变化较大的到发线(4)道，对其路肩累计变形时程曲线进行分析。在(4)道共布置监测点3个，依次为HN4+0A、HN4+1A、HN4-1A，其中0A位于左线隧道正上方(4)道路肩处、-1A位于右线隧道正上方(4)道路肩处、+1A位于左右线中间，采用AMS自动变形监测软件对全站仪进行控制，达到自动监测的目的，监测到竖向位移分别如图7所示，其中正值表示隆起，负值表示沉降。