地铁盾构隧道下穿高铁路基沉降变形特征研究

宋月光

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

随着轨道交通建设的快速发展,地铁盾构隧道下穿铁路路基工程逐步增多。 目前,针对盾构隧道下穿铁路路基已开展了大量的研究工作,这些研究主要集中在以下2 个方面:①利用理论分析[1-3]、数值计算[4-7]、监测数据分析[8]等方法对盾构隧道下穿铁路路基的沉降变化规律、钢轨变形[9]、加固措施[10-12]等进行研究;②采用风险分析[13-15]、专家调查及层次分析[16]等方法对盾构隧道下穿铁路路基的工程风险及控制措施进行分析研究。 蔡小培等对盾构下穿施工引起高速铁路轨道的变形特征进行研究[17];徐干成等采用数值分析的方法对盾构隧道下穿高速铁路路基的地表沉降进行三维仿真数值模拟[18-19];韩学芳对盾构隧道下穿高速铁路路基采用“混凝土板+钻孔桩+CFG桩”联合加固措施控制路基变形的有效性进行分析[20];孙连勇等利用数值计算的方法分析注浆加固和不注浆加固2 种工况下的铁路路基变形特征[21];刘建友等基于统计分析提出盾构下穿高速铁路路基沉降控制标准的确定方法[22]。 现有研究基本都基于已定线路走向、埋深和开挖顺序条件下,对隧道施工及铁路路基的影响进行分析研究,而对不同埋深及开挖顺序条件下,盾构隧道施工引起的高速铁路路基沉降变化规律的研究较少。

为降低隧道下穿高速铁路路基的施工风险,并控制工程投资,结合北京地铁昌平线南延工程盾构区间隧道下穿京张高铁路基工程,对盾构隧道小角度下穿高铁路基在不同隧道埋深条件下的路基沉降变化规律、合适的隧道覆土厚度、左右线隧道开挖顺序对路基沉降的影响、加固措施等关键技术问题进行系统研究,以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

北京地铁昌平线南延盾构区间下穿京张高铁路基段,区间与铁路交角21o。 京张高铁是国家高速铁路网的重要组成部分,最高设计速度350 km/h,下穿段位于北京市区范围内,设计速度200 km/h。 下穿段京张高铁线间距4 m,路基采用土质边坡路基,宽12.8 m、高1 m,采用A、B 组料,道床采用聚氨酯固化。区间隧道与铁路平面位置关系见图1,铁路路基横断面见图2。

图1 区间隧道与京张高铁平面位置关系(单位:m)

图2 京张高铁路基横断面(单位:m)

地铁区间隧道线间距17 m,采用盾构法施工,盾构管片直径6 m、厚0.3 m。 下穿段地层情况如下:素填土、粉细砂、卵石圆砾、粉质黏土、卵石圆砾、粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、粉质黏土。 地下水分2 层,一层为潜水层,水位位于地面以下7 m;二层为微承压水层,承压水头位于地面以下13.1 m。 区间隧道与铁路立面位置关系及地层分布情况见图3。

图3 地铁区间隧道与京张高铁立面位置关系(单位:m)

2 数值计算模型

2.1 计算模型与参数

有限元计算软件采用MIDAS GTS NX,计算模型尺寸综合考虑区间隧道施工对铁路路基的影响范围及隧道与铁路路基的相对位置关系,模型尺寸为310 m(长)×100 m(宽)×60 m(深)。 开挖直径取6.28 m,盾构直径取6 m,盾构背后空隙注浆填充,注浆层采用实体单元;铁路路基、聚氨酯固化道床、土体等均采用实体单元;除聚氨酯固化道床采用理想线弹性模型外,其余实体单元采用满足修正摩尔-库仑屈服准则的理想弹塑性模型。 隧道管片及盾壳采用板单元、理想线弹性模型。 列车荷载采用ZK 荷载。 模型约束情况:模型四周施加水平位移约束,模型底部为竖向固定位移约束,地表不施加约束。 计算模型见图4。

图4 计算模型

各层土、铁路路基及管片背后注浆层物理力学参数取值见表1、表2。

表1 地层物理力学参数

续表1

表2 地层刚度及弹性模量参数MPa

模型其他材料物理力学参数取值见表3。

表3 模型其他材料物理力学参数

2.2 盾构施工模拟

盾构施工每开挖步进尺1.2 m,具体施工步骤如下:①初始应力计算并位移清零;②钝化第一开挖步盾构隧道及管片背后注浆层范围内土体单元,激活本开挖步盾壳单元,同时在开挖面上施加法向力以维持开挖面受力平衡;③钝化盾壳及开挖面法向力,激活本开挖步管片及背后注浆层,模拟管片安装及背后注浆,同时重复“②”中过程,完成第二开挖步隧道开挖;④重复“②、③”过程,循环完成整个隧道施工。

3 隧道不同埋深对铁路路基沉降影响分析

为分析不同隧道埋深对铁路路基沉降的影响,分别对隧道拱顶覆土9,12,15,18,21,24 m 等6 种工况下隧道施工引起的铁路路基沉降进行计算分析,按先开挖左线后开挖右线考虑。 穿越铁路段左右线隧道全部施工完成后,沿铁路线路方向路基中心线处断面各工况路基最终沉降曲线见图5。

图5 不同覆土工况铁路路基沉降槽曲线

从图5 可以看出,当隧道覆土厚度9 m 时,路基沉降曲线整体呈“W”形,低点多位于隧道左右线上方,路基最大沉降点位于地铁左线隧道上方(先施工隧道);当隧道覆土厚度12 m 时,路基沉降曲线仍大致呈“W”形,但“W”形已不明显,“W”形底部范围缩减显著,底部范围由覆土9 m 时的位于左右线隧道上方,缩减至位于左右线隧道中间区域中线两侧很小范围,路基最大沉降点靠近左线隧道(先施工隧道);当隧道覆土厚度＞12 m 时,路基沉降曲线整体呈“V”形,低点基本位于左右线隧道中间区域中线附近。

各工况路基最大沉降值见表4。

表4 不同隧道覆土厚度路基最大沉降值

由表4 可以看出,随着隧道覆土厚度的增加,路基最大沉降值不断减小,当隧道覆土厚度≤18 m 时,覆土9,12,15,18 m 各工况间铁路路基最大沉降值差值依次为0.63,0.53,0.43 mm,沉降变化幅度依次为7.7%、7%、6.1%;当隧道覆土厚度＞18 m 时,各工况最大沉降差值依次为0.22,0.04 mm,沉降变化幅度依次为3.3%、0.63%。 从以上变化规律可以看出,当隧道覆土厚度≤18 m 时,随着隧道覆土厚度的增加,沉降衰减幅度较大,沉降值变化较为明显;当隧道覆土厚度＞18 m 时,随着隧道覆土厚度的增加,沉降衰减幅度不断降低,沉降值变化不明显,当覆土厚度＞21 m,沉降值已基本无变化。

4 隧道覆土厚度确定

根据隧道不同埋深对铁路路基沉降影响分析,隧道覆土厚度越大,路基沉降值越小,对铁路路基保护越有利,当隧道覆土厚度＞3D(D为盾构隧道直径,即18 m)时,再进一步增加隧道埋深,对铁路路基沉降影响已经很小,从工程角度出发,可认为基本无影响。 同时,如区间线路坡度调整困难,覆土厚度增大会引起区间两侧车站埋深增加,从而增加工程投资。 因此,下穿铁路段隧道覆土厚度建议按以下原则确定:①线路条件允许,隧道覆土厚度控制在3D左右较为适宜;②线路条件受限,隧道覆土厚度应综合考虑工程投资、实施风险、变形控制要求等因素对技术方案进行深入比选。以本工程为例,下穿铁路位置距区间两侧车站较远,区间隧道覆土按3D控制,对区间两侧车站埋深基本无影响,

综合考虑安全性及经济性,本工程下穿铁路段隧道覆土厚度按18 m 控制。

5 隧道不同开挖顺序对铁路路基沉降影响分析

为研究隧道不同开挖顺序对铁路路基沉降的影响,在隧道覆土9,12,15,18 m 条件下,分别对先开挖左线后开挖右线、先开挖右线后开挖左线2 种工况下隧道施工引起铁路路基沉降进行计算分析,计算结果见图6～图9。

图6 覆土9 m 不同开挖顺序铁路路基沉降槽曲线

图7 覆土12 m 不同开挖顺序铁路路基沉降槽曲线

图8 覆土15 m 不同开挖顺序铁路路基沉降槽曲线

图9 覆土18 m 不同开挖顺序铁路路基沉降槽曲线

各覆土条件下,路基最大沉降值见表5。

表5 各工况下不同覆土厚度路基最大沉降值mm

由表5 可知,基于隧道与路基的相对位置关系,隧道在不同覆土厚度条件下,先开挖右线后开挖左线引起的路基最大沉降数值均小于先开挖左线后开挖右线所引起的数值;不同开挖顺序最大沉降差值依次为0.34,0.05,0.03,0.02 mm,随着覆土厚度的增加,沉降差值快速衰减,当隧道覆土厚度≥12 m 时,两者差值已经很小,沉降数值基本相当。 从铁路路基沉降曲线看,同一覆土条件下,不同开挖顺序路基沉降曲线形态基本一致,随着覆土厚度增大,路基沉降曲线的形态变化规律与“3 章”中的变化规律也基本一致。

6 加固措施对铁路路基沉降影响分析

通过前述分析,隧道覆土18 m,先开挖右线后开挖左线方案较为合理,此时,铁路路基沉降最大值6.60 mm,不满足铁路主管部门提出的路基沉降控制值5 mm 要求。 为满足沉降控制指标要求,对隧道周边土体进行注浆加固。 注浆加固范围:平面为盾构隧道轮廓外5 m,立面为隧道拱顶以上5 m、基底以下1.5 m,浆液采用水泥水玻璃双液浆。 采用先注周边后注中间、跳孔间隔注浆,注浆时应严格控制注浆压力,注浆压力以水泥浆液能顺利注入为原则,尽量采用较小的注浆压力,防止因注浆压力控制不当引起路基隆起,确保铁路正常运营[23]。 加固设计平、立面见图10、图11。

图10 注浆加固平面(单位:m)

图11 注浆加固立面(单位:m)

为验证工程措施的有效性,对采取土体加固措施后隧道施工引起路基沉降进行计算分析,并与未采取加固措施的计算结果进行对比,见12。 采取加固措施后路基沉降曲线整体仍呈“V”形,低点仍位于左右线隧道中间区域;采取注浆加固措施后,路基最大沉降值3.8 mm,相较于未采取加固措施沉降值减小约42%,沉降值大幅降低,且路基最大沉降满足变形控制指标要求。

图12 注浆加固与未注浆加固铁路路基沉降槽曲线

7 与实测数据的对比分析

为确保铁路运营安全,及时掌握铁路变形情况,施工时制定铁路专项监测方案,监测点平面间距5 m,采用自动化监测。 现场实测数据与模型预测数值对比情况见图13。

图13 实测与模型预测铁路路基沉降槽曲线

根据现场实测数据, 铁路路基最大沉降为3.62 mm,与预测值3.8 mm 相差0.18 mm,差值比率4.97%,在误差允许范围之内。 实测最大值点与预测最大值点偏差2 m 左右,这主要是因为测点间距按5 m布置,在沉降最大值点处并未布置测点,但实测最大值点是与预测最大值点距离最近的监测点,从而说明预测峰值点位置也基本准确。 从曲线形态上看,实测沉降曲线与计算预测沉降曲线形态基本一致,都呈“V”形。 综上,理论分析模型及成果与现场施工情况基本匹配,所采取的工程措施安全可靠。

8 结论

目前,本次研究依托工程已实施完成,铁路路基沉降数值与设计预期值基本相符,铁路运行状况良好,达到预期目标。 主要研究结论如下。

(1)当隧道覆土厚度≤3D时,随覆土厚度的增加,路基沉降降幅明显,控制沉降效果显著;当隧道覆土厚度＞3D时,随覆土厚度的增加,路基沉降变化不明显。 因此,隧道覆土厚度宜控制在3D左右。

(2)当隧道覆土厚度≤2D时,路基沉降曲线整体大致呈“W”形,覆土越浅“W”形越明显;随着覆土厚度的增加,“W”形底部范围逐渐缩减,底部范围由左右线隧道上方区域逐步缩减至左右线隧道中间区域中线附近;“W”形曲线沉降最大值点位于先施工隧道侧。

(3)当隧道覆土厚度＞2D时,路基沉降曲线整体呈“V”形,低点基本位于左右线隧道中间区域中线附近。

(4)从隧道不同开挖顺序对路基沉降影响分析结果来看,不同开挖顺序对路基沉降曲线形态影响不大;先开挖右线隧道的路基沉降值要小于先开挖左线隧道的路基沉降值;当隧道覆土厚度≥2D时,不同开挖顺序引起的路基沉降值差异很小,但从有利于沉降控制的角度来看,宜优先开挖右线隧道。

(5)对隧道周边注浆加固后,路基沉降曲线形态及最大沉降点位置与未对隧道周边注浆加固时基本一致;未采取注浆加固措施路基最大沉降6.6 mm,采取注浆加固措施后路基最大沉降3.8 mm,沉降数值大幅降低,说明注浆加固能有效控制路基沉降。

(6)计算曲线形态与实测曲线形态基本一致,计算路基最大沉降3.8 mm,与实测路基最大沉降3.62 mm基本一致,从而验证相关措施具有可靠性、有效性。