盾构施工下穿多条铁路路基加固技术分析

王 艳 明

(中铁一局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

1 工程概况

沈阳市运河水系综合治理工程(新开河东段)截污工程四标段，工程起点为崇山东路北侧盾构接收井YA33(YK8+001.42)，工程终点为联合路西侧暗挖竖井YA44(YK10+560.88)，包括截流管道主线、截流管道支线两部分设计内容，长度2 559.46 m，管道直径5.4 m。主线盾构下穿京哈下行线、车辆段入段线、机务段牵出线、车辆段出段线、京哈上行线、动车所入段线、京哈高速线左线、京哈高速线右线、动车所出段线等9条铁路股道，均为有砟轨道，除车辆段出入线外均为电气化铁路。盾构隧道与铁路路基相对位置如图1所示，盾构区间穿越铁路路基情况如表1所示。

表1 盾构区间穿越铁路情况统计表

2 水文地质条件

本地区场地砂类土及碎石类土中赋存第四系孔隙潜水，初见水位埋深8.40 m～24.40 m，相应标高为18.73 m～35.16 m；稳定水位埋深为8.50 m～24.50 m，相应标高为18.83 m～35.26 m。地下水位年变化幅度约为1 m～2 m。该地区地下水主要以大气降水、河流地下渗入为补给来源，排水方式为地下径流和人工开采。地下水沿含水层向下游径流运移，即地下水流向总的方向是由东向西。但由于受人工开采地下水的影响，局部地下水流向会有所变化。

3 盾构下穿铁路路基加固措施

盾构下穿既有高速铁路时，要保证下穿施工过程中高铁的高速、高平顺性、高安全性的要求，常用的方法有控制盾构施工速度，优化盾构参数，并采用扣轨加固、注浆加固等加固处理[1]。马相峰等[2]应用FLAC 3D对D梁加固和管棚加固两种股道加固方法尽心分析，得出盾构下穿多股铁路路基变形优化方案。程雄志[3]依托苏州某盾构隧道下穿高速铁路工程，分析了采用桩板结构和路基注浆组合加固的方法，验证了组合加固方法对减小沉降的作用。柴元四[4]基于相似比理论建立室内盾构开挖下穿铁路路基模型试验，得出盾构开挖导致既有线路沉降变形呈近似线性，若增加埋深，既有路基沉降速度及沉降量将大幅降低。蔡小培等[5]建立轨道—路基—土体有限元模型，分析盾构开挖过程中高速铁路轨道变形特征，并基于所建立的动力学模型探讨盾构下穿施工对列车运行的影响规律。

针对主线盾构下穿京哈线等9股铁路路基的施工情况，采用地面注浆与D型施工便梁加固相结合的方法，对铁路路基进行加固，保证盾构下穿过程中铁路路基的正常安全运行。

首先采取对铁路路基地面进行注浆加固：

1)对京哈下行线、机务段牵出线、京哈上行线、动车所入段线、京哈高速线左线、京哈高速线右线、动车所出段线等7条铁路采用注浆措施对铁路股道下方进行加固处理，沿管线横向注浆范围涵盖盾构主要影响区域(盾构穿越范围基底向上1∶1放坡至地面)，注浆竖向深度范围为地表下3 m至盾构顶结束，加固立面如图2所示。

2)注浆施工需在铁路轨道、接触网杆等关键位置的监控量测点布设完毕且采集完初始值后方可进行。

3)注浆采用深孔注浆方式，横向(顺轨道方向)孔距根据实测轨枕距离确定，且可适当调整，纵向位于轨道之间的孔位应避开轨枕，孔距为隔一根轨枕注浆一次。

4)注浆初始理论值定为：浆充填影响半径0.5 m，注浆速度30 L/min～50 L/min，注浆压力(终压值)为注浆处静水压力加上0.8 MPa～1.5 MPa，注浆段在最大设计压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注30 min，可结束注浆。实际注浆参数根据现场试验为准。

5)路基注浆时，针对每一条铁路股道，在股道两侧及中间均布置一处注浆孔，每个注浆孔打设2根注浆管，即每股道打设6根注浆管。

注浆孔平面布置如图3所示。

同时，用D24型施工便梁加固措施的铁路为京哈下行线、车辆段入段线、机务段牵出线、车辆段出段线、京哈上行线、动车所入段线、动车所出段线7条股道，采用D16型施工便梁加固措施的铁路股道为京哈高速左线、京哈高速右线2条股道。便梁支点基础施工时利用铁路天窗时间，并安设挡土板保证竖直挖土。便梁各部位不允许侵入铁路限界。

便梁安装及截面如图4～图6所示。

路基加固及盾构施工过程中，应对上述9条铁路采用远程自动化监控系统，根据实时监测情况，分别制定几何线位调整措施以及沉降变形补偿措施。同时，施工过程中，应积极与铁路相关部门保持沟通，汇报工程进展情况。并根据掘进情况，对盾构刀盘前后各20 m的纵向范围内的行车股道采取通过列车限速45 km/h的措施。

盾构施工过程中，对周边土层影响程度受控因素太多，应在掘进过程中设置50 m～100 m试验段。在穿越铁路过程中，施工参数(如土仓压力、推进速度、总推力、出土量、刀盘转速、注浆量和注浆压力等)按试验段取得的最佳参数进行施工。

4 数值模型的建立

应用Midas GTS NX有限元分析软件，建立盾构施工下穿铁路路基有限元模型，为反映盾构开挖过程铁轨变形，确保计算结果准确，模型长40 m，高20 m。土层采用修正摩尔—库仑模型，结构选用线弹性模型，有限元计算中土体力学性质如表2所示。C50混凝土弹性模量取3.45×104MPa，钢弹性模量取210 GPa，容重78.5 kN/m3。进行有限元模拟时，对周围土体施加约束，并在模型计算前施加自重荷载。模型整体如图7所示。

表2 土体力学指标

通过有限元数值计算，得出D型梁与地面注浆组合加固下盾构下穿铁路路基变形，与未加固情况下的路基变形进行对比，如图8所示。未进行加固处理时，路基最大沉降值为17.4 mm；采用D型梁与地面注浆结合的加固方式后，路基最大沉降值减小到3.82 mm。未加固时，路基中间沉降最大，整体呈“U”型槽沉降；加固后，路基整体变形减小，整体变形趋于直线，并满足沉降小于4 mm的工程要求。两种情况下，模型整体变形趋势如图9，图10所示。加固后，上方土体自稳性提高，土体沉降槽影响区扩大，整体沉降减小。D型梁结合地面注浆加固方法下盾构穿越铁路路基，能够保证施工过程列车运营安全。

5 结论与建议

1)盾构施工过程中，应保证盾片脱离盾尾后的同步注浆，防止地面变形过大而危及周围环境安全，同时作为管片外防水和结构加强层以及减少隧道的蛇形摆动，当发现同步注浆不足处，应进行二次补注浆。

2)盾构施工过程对周围土体及既有建构筑物影响较大，在盾构掘进过程中，应对土仓压力、推进速度、注浆量、注浆压力等因素进行充分考虑及优化；严格控制盾构掘进过程的线性控制及姿态控制，每环的姿态调整控制在±5 mm范围内，以避免对土体的超挖和扰动。

3)盾构施工穿越铁路路基时，应对铁路路基及下方土体进行加固处理。应用地面注浆结合D型梁组合加固的方法，可以有效控制盾构施工下穿铁路路基时路基变形，保证施工过程铁路车辆正常运行。

4)盾构掘进施工中，因开挖产生的土体损失会导致地表沉降出现“U”型槽。加固过程中，应尽量避免或减少地表不均匀沉降，避免盾构下穿铁路路基影响列车正常运行。

5)盾构施工过程中，应采取信息反馈的施工方法对盾构推进进行质量控制，盾构穿越区域地面纵向轴线位置布设沉降观测点(在构筑物等控制沉降要求较严的影响区域内布设横断面)。然后在盾构推进过程中进行跟踪沉降观测，并将所测沉降数据及时反馈。

盾构下穿铁路路基施工中，应根据不同的地质条件及施工环境，选择合适的路基加固方法以及盾构掘进方式，为施工过程中铁路正常运行提供保障。同时，施工中应做好监测工作，及时调整和优化施工方案，保证施工的安全性。