复杂地层盾构穿越大规模铁路车辆段方案研究

2022-12-15娄小骏

工程建设与设计 2022年22期

娄小骏

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 100000）

1 引言

随着我国城市轨道交通的大规模建设，一些地铁线路会不可避免地穿越一些大规模铁路编组站，其地层复杂、穿越风险极大。为保证既有铁路的正常运营，需要对穿越段软弱土层及风险建构筑物采用必要的加固措施。本文通过有限元计算，结合工程实践经验，从安全性、经济性及可实施性3个方面进行方案研究。

2 工程概况

2.1 区间结构概况

和平路站—骆驼山站区间从和平路站引出后，沿和平路向东行进，下穿既有3号线盾构隧道，侧穿和平大桥桥墩，下穿徐州客整所铁路（共39股道），下穿铁路6层宿舍、4层徐州铁路车辆配件厂、检修厂等铁路用房，侧穿世茂天城小区后到达骆驼山站。区间隧道下穿铁路平面位置关系如图1所示。

图1 区间隧道下穿铁路平面位置关系图

区间隧道采用盾构法施工，隧道埋深12.88～25.32 m，纵断面采用“V”形坡，最大坡度25‰。

2.2 工程地质条件

区间穿越中风化石灰岩、硬塑黏土、可塑黏土层、砂质粉土、粉砂等上软下硬复合地层，地质条件较为复杂。

2.3 铁路概况

和平路站—骆驼山站区间隧道下穿徐州检修所、客车整备场及陇海上行线、京沪上行线、京沪下行线、陇海下行线、东到线、京沪四线、京沪三线、发东线与军用线等正线股道，并下穿部分铁路用房，所穿越的铁路股道均为有砟轨道。

2.4 站厂内铁路房屋基概况

区间下穿6层车辆段职工宿舍（一层下室），条形基础，隧道埋深约19.14 m，主要穿越土层为2-3b-3粉质黏土；下穿4层徐州铁路车辆配件厂（无地下室），独立基础，隧道埋深约19.45 m，主要穿越土层为2-3b-3粉质黏土，下穿3层上海铁路局合肥车辆段徐州检修厂（无地下室），独立基础，隧道埋深约22.12 m，主要穿越土层为2-3a-3黏土、2-5-3粉砂；下穿1层铁路用房（无地下室），条形基础，隧道埋深约22.65 m，主要穿越土层为2-3a-3黏土、2-5-3粉砂。

2.5 铁路路基经验控制指标

通常情况下，铁路路基沉降是导致上方线路不平顺的主要原因，根据TB 10314—2021《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》，在线路慢行期间（盾构施工期间），沉降变化速率控制在4 mm/d以内，道岔区的沉降量控制在1 mm以内，非道岔区的沉降量控制在10 mm内。钉闭道岔按照普通铁路考虑。

2.6 加固方案

隧道拱部的粉砂层稳定性极差，盾构推进过程中可能会导致掌子面垮塌，地层损失过大，从而造成地面沉降过大，给铁路运营造成极大的安全隐患。

为了保证铁路的运营安全，把路基沉降控制在允许范围内，需要对京沪上行线下方隧道拱部粉砂层进行注浆加固。考虑到经济性，加固范围为隧道外侧3 m，铁路外侧10 m，加固体顶面和底面分别伸入黏土层（相对隔水层）1 m，避免穿越粉砂层时盾构出现失水。该区域采用1.5 m×1.5 m梅花形布置袖阀管注浆加固，袖阀管注浆的浆液为水泥浆，注浆压力控制在0.4～0.6 MPa，水灰比为1∶1.25，加固体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa[1]。区间下穿铁路路基加固剖面图如图2所示。

图2 区间下穿铁路路基加固剖面图

隧道管片预留深层注浆孔，盾构穿越后根据监测数据，必要时可通过管片注浆孔进行深层注浆，注浆范围为隧道拱顶180°以上，注浆深度为3 m。

铁路宿舍、配件厂等铁路用房均为条形基础，无地下室，周围预打袖阀管，施工期间加强监测，根据监测数据及时进行注浆加固。

3 数值计算分析

3.1 计算模型及基本假定

3.1.1 基本假定

由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能和严格按照实际的施工步骤进行数值模拟是非常困难的。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化。在本次数值模拟中采用了以下假设：

1）地层材料采用修正莫尔-库仑准则计算；

2）假定土层成层均质水平分布；

3）隧道开挖中管片与盾壳结构采用板单元模拟；

4）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化。

3.1.2 三维数值模型

使用Midas GTS/NX有限元软件进行数值模拟分析，并根据盾构隧道与铁路路基的空间位置关系建立三维有限元计算模型。

现选择地层范围为：隧道结构外左右两侧范围取5倍左右洞径，即模型X向范围为120 m；区间隧道结构底板下方取约5倍左右洞径，即模型Z向范围为50 m；模型尺寸为：宽×长×高＝XYZ＝120 m×400 m×50 m。模型采用混合网格生成，包括125 301个单元和144 780个节点。盾构隧道与铁路结构关系模型如图3所示。

图3 盾构隧道与铁路结构关系模型图

模型中土体、基础皆采用实体单元模拟，管片衬砌采用板单元模拟。

3.2 计算参数

在模拟过程中，围岩地层、房屋基础以及盾构管片结构的物理力学参数取自岩土勘察报告，其中，弹性模量取压缩模量的3倍，弱风化灰岩采用弹性本构模拟。整个模拟过程共分为两大步：

1）开挖隧道前，铁路路基在重力作用下完成地应力平衡，位移清零。

2）模拟盾构推进过程。先冻结右线隧道内土体模拟右线隧道盾构掘进过程，再通过激活右线盾构混凝土板模拟右线盾构管片的拼装，右线隧道盾构贯通模型边界。冻结左线隧道内土体模拟左线隧道盾构掘进过程，再通过激活左线盾构混凝土板来模拟左线盾构管片的拼装，左线隧道盾构贯通模型边界。

3.3 计算结果

对区间穿越铁路采用有限元计算软件进行计算分析，地层损失率控制按0.5%考虑。图4为左右线隧道掘进通过后，铁路股道群路基竖向位移云图。

图4 左右线隧道掘进通过后铁路股道群路基竖向位移云图

区间左线隧道穿越后，路基最大沉降约为-2.15 mm，右线隧道穿越后路基最大沉降约为-3.57 mm，最大不均匀沉降约为1.9 mm。满足铁路路基控制指标的要求。

4 盾构施工控制

4.1 土压力控制

正面土压力直接影响切口及前方位置的地表变化。正面土压力的理论设定值P0计算公式为：

式中，Pc为土压力，kPa；Pw为水压力，kPa；K0为土的静止侧压力系数；γ′为土的有效重度，kN／m3；γw为水的重度，kN／m3；H为盾构T作面中心处深度，m；q为地面超载，kPa。

考虑列车动载较大，结合以往施工经验在轨道位置的土压力增加10～15 kPa。在施工中做好监测工作，并及时把测量成果反馈到掘进作业班组，以便调整掘进参数至合理值，做到合理化施工。在盾构穿越铁路轨道过程中必须严格控制切口平衡土压力，使盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。

4.2 推进速度控制

穿越股道群时，盾构机推进速度建议控制在每天掘进5～6环，并根据实际情况及时调整，可以有效控制地面沉降。盾构掘进尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，并严禁停机。

4.3 出土量控制

盾构掘进过程中每环管片的出土量直接关系到土压的平衡，从而影响地面沉降。盾构掘进土体损失量应控制在0.5%以内，一旦盾构掘进施工出土量没有控制好，会出现较大的超挖现象，就可能出现正面岩土失稳、坍塌，所以，此段施工必须在土压平衡状态下进行盾构掘进，过程中严格控制出土量。穿越过程中将每环的出土量控制在理论出土量的97%～98%，根据土压的变化情况及地面沉降数据情况，及时进行微调，以保证穿越过程中掌子面土压平衡，达到控制地面沉降的效果。