软土地区盾构隧道斜下穿多股铁路路基变形规律

2023-10-08吴国伟涂家康

城市轨道交通研究 2023年9期

黄龙吴国伟涂家康

(1.绍兴市轨道交通集团有限公司, 312099, 绍兴; 2.中铁第五勘察设计院集团有限公司, 102600, 北京∥第一作者, 高级工程师)

随着铁路和城市轨道交通的不断发展,地铁隧道穿越铁路路基的情况也越来越多,地铁盾构隧道的施工可能会引起铁路轨面不平顺,甚至影响到铁路的运行安全。目前,研究人员已对盾构隧道施工引起的铁路沉降规律及加固方案进行了大量研究[1-3],但对软土地区盾构隧道斜下穿既有运营铁路的研究相对较少。基于此,本文以绍兴轨道交通1号线(以下简称“1号线”)下穿杭甬铁路为例,采用数值模拟分析法,研究地层加固及盾构隧道下穿施工对既有铁路路基的影响规律。同时,结合现场监测数据验证地层预加固措施对控制铁路路基沉降的有效性。

1 工程概况

1.1 盾构穿越情况

1号线大滩站—火车站站区间盾构穿越杭甬铁路绍兴站站房及站内6个铁路股道,隧道采用土压平衡盾构施工,盾构内径为5.9 m,外径为6.7 m,管片宽度为1.2 m,厚度为40 cm,管片采用错缝拼装形式,区间线路与杭甬铁路交角为70.3°,下穿铁路位置的盾构埋深约为18.5 m,左右线中心距约为16 m。盾构区间与杭甬铁路的平面位置关系示意图如图1所示。盾构下穿的杭甬铁路绍兴站为有砟轨道、电气化线路(软横跨),站内共有6股铁路股道,其中萧甬(杭州萧山—宁波)铁路上下行正线2股,到发线4股,下穿处无道岔。

图1 盾构区间与杭甬铁路的平面位置关系示意图

1.2 工程地质条件

下穿位置盾构上覆土层,自上而下依次为①1碎石填土、①2素填土、③1-2淤泥质黏土、④2粉质黏土、④3粉质黏土,盾构主要穿越④3粉质黏土和⑤2粉质黏土,土质相对较差。土层主要参数如表1所示。

表1 土层主要参数

2 盾构隧道掘进施工对杭甬铁路路基的变形影响

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,结合以往地铁盾构隧道下穿有砟铁路线路的经验,并征询铁路部门意见,盾构下穿施工引起的铁路路基沉降需控制在10.00 mm以内。

在1号线下穿杭甬铁路的施工过程中,地铁盾构施工会导致既有铁路下部地层损失,进而引起地层的沉降或隆起,造成铁路路基和轨道的变形,危害列车的正常运行。采用有限元分析软件建立三维仿真模型,模拟盾构掘进对杭甬铁路的影响,为采取预加固措施提供理论依据。

2.1 数值模型

基于岩土有限元软件Plaxis3D,建立岩土、盾构隧道、铁路路基一体化模型。土层计算参数结合本工程地质勘察报告和相关的工程经验进行取值,数值计算模型如图2所示。假设围岩为理想弹塑性材料,采用Mohr-Coulomb模型,围岩均采用实体单元模拟,盾构隧道管片采用结构板单元模拟,土体单元为10节点四面体单元,结构板单元为6节点面单元。在有限元软件中,通过冻结隧道范围内的土体单元激活管片单元,同时进行断面收缩来模拟盾构掘进过程,即先施工左线隧道,再施工右线隧道。隧道下穿杭甬铁路路基区域的主要穿越土层为④3粉质黏土和⑤2粉质黏土,土体的强度较差。根据工程经验,采用5‰～8‰的地层损失率分析盾构隧道施工对杭甬铁路路基的变形影响,其中未采取地基预加固时地层损失率取8‰,采取加固时地层损失率取5‰。路基上部列车和轨道荷载参照TB 10001—2016 《铁路路基设计规范》,路基上所施加的列车和轨道荷载的分布宽度定为3.5 m,等效荷载为60 kPa。

a) 三维网格模型

2.2 加固方案

对于穿越铁路段,盾构隧道在轨道两侧向轨道下方斜向打设袖阀注浆管,袖阀管呈梅花形布置,间距为1 m,加固范围为盾构区间上方2 m(覆盖④3粉质黏土)至盾构底部以下3 m土体,加固宽度为左右线盾构两侧各3 m范围,同时保证加固体边线与铁路股道及盾构掘进面垂直。加固方案示意图如图3所示。

a) 平面图

2.3 盾构掘进施工对杭甬铁路的影响分析

2.3.1 路基沉降变形分析

由于穿越的股道较多且各股道的变形规律基本类似,因此以盾构隧道施工对杭甬铁路5#到发线为例进行分析。各工况下,5#到发线路基中心沿铁路线纵向位置的坚向变形曲线如图4所示,其他股道仅列出其路基最大沉降值,如表2所示。

表2 各股道路基最大沉降值

图4 各工况下5#到发线路基中心沿铁路线纵向位置的竖向变形曲线

由图4可知:盾构掘进过程中,杭甬铁路5#到发线的路基在左线贯通时的最大沉降值为4.75 mm,位于左线开挖面正上方;随着盾构隧道右线的贯通,铁路路基沉降最大值逐渐向两隧道中间偏移;当盾构隧道右线贯通时,路基的最大沉降值为8.20 mm,位于左右线隧道的中间位置。由表2可知:当铁路路基未采取加固措施时,杭甬铁路路基最大沉降值为13.12 mm,位于杭甬铁路5#到发线,超过沉降控制标准要求;当采用注浆加固措施后,杭甬铁路路基最大沉降值为8.20 mm,满足控制标准要求。由此可见,对盾构穿越区域的地基进行主动加固是非常有必要的。

2.3.2 轨道几何状态分析

根据各工况下股道左右轨的竖向变形分析结果,按照10 m弦长计算各工况下左右轨的高低几何形态,同样仅对5#到发线的不平顺性进行分析。各工况下,5#到发线左右轨高低不平顺及水平不平顺曲线如图5所示,其他股道仅列出其不平顺最大值,如表3所示。

表3 各股道轨道几何不平顺最大值

a) 左轨高低不平顺

由图5 a)和5 b)可知:各工况下,由盾构施工引起的5#到发线左轨轨面高低不平顺最大值为0.247 mm,发生在工况三;5#到发线右轨轨面高低不平顺最大值为0.228 mm,也发生在工况三,但其均未超过TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》规定的控制标准要求。由图5 c)可知,各工况下,由盾构施工引起的5#到发线钢轨轨面水平不平顺最大值为0.371 mm,发生在工况六,未超过TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》规定的控制标准要求。由表3可知:盾构施工引起的轨道高低不平顺最大值为0.247 mm,发生在5#到发线左轨位置;水平不平顺最大值为0.465 mm,发生在6#到发线位置。以上轨道几何不平顺均未超过控制标准要求。

3 现场监测分析

在盾构下穿施工期间,杭甬铁路处于正常运营状态。为实时监测铁路线路的沉降控制效果,对隧道顶部注浆加固区布设监测点。本工程盾构下穿绍兴站内杭甬铁路共6道股道,监测点分别在1、3、5、6股道外侧各布置1个监测断面,另外分别在1、2股道之间,2、4股道之间,4、6股道之间,3、5股道之间各布置1个监测断面,共布置8个监测断面,每个监测断面点埋设12个测点。监测点在施工影响区域中心向两侧展开,沿铁路路基纵向呈断面埋设,布设在铁路路基两侧路肩上,盾构隧道顶部轴线布设1个路基测点、盾构两侧轮廓边线布设路基测点各1个,盾构外边线向外沿路基布置间距不大于10 m。现选取变形最大的股道5外侧断面Ⅰ作为典型截面,其沉降监测点布置示意图如图6所示。

注:LZ为路中监测点;LJ为路肩监测点。

下穿铁路期间的盾构现场施工参数为:总推力11 000～12 400 kN,刀盘扭矩2 000～2 650 kNm,刀盘转速为1.1～1.2 r/min,掘进速度为35 mm/min,土仓压力为0.22 MPa,注浆压力为0.3 MPa,注浆量为每环2.8～3.0 m3。受盾构接收时间限制,盾构左线需要3 d通过下穿铁路区域,平均每天掘进20环;盾构右线需要5 d通过下穿铁路区域,平均每天掘进12环。这可能也是导致铁路累计沉降左线位置大于右线位置的部分原因。

盾构隧道施工引起的铁路路基断面Ⅰ的沉降曲线,如图7所示,以LJ96作为横轴0点,34 m位置为盾构隧道右线中心线,51 m位置为盾构隧道左线中心线。由图7可知,盾构隧道下穿杭甬铁路引起的铁路路基沉降最大值约为5.80 mm,最大值发生在左线中心线上方而不是两隧道线路中心上方,该变形规律与数值模型计算结果有差异,主要原因可能与盾构施工的推进速度、正面土压力、注浆量、注浆压力或推进顺序等因素有关。

注:L为沿铁路方向各点至LJ96的距离。

隧道下穿铁路施工期间,2个测点累计竖向位移时间历程曲线对比,如图8所示。盾构施工期间,铁路路基隆起值越大,后续的收敛沉降值越小。路基竖向变形大致可分为4个阶段。阶段1为路基隆起阶段,测点LJ92平均隆起量约为2.17 mm,测点LJ89平均隆起量约为1.40 mm。产生这种现象的主要原因为盾构到达路基下方时,由于盾构推力及同步注浆压力的共同作用,铁路路基总体呈现隆起现象。阶段2为路基快速沉降阶段,在3 d时间内,测点LJ92从隆起2.40 mm变到沉降1.40 mm,变形速率为1.27 mm/d;测点LJ89从隆起3.20 mm变到沉降1.70 mm,变形速率为1.63 mm/d。产生这种现象的主要原因为盾构通过后,由于盾尾建筑空隙(管片与盾构外径之间的空隙)的存在,导致壁后土体发生较大的弹塑性变形,此沉降也是盾构法施工引起地层沉降的主要来源[4]。阶段3为路基的平稳波动阶段,施工期间采取二次注浆,使路基发生轻微的隆起和沉降。阶段4为后续固结沉降阶段,产生沉降的原因主要为盾构顶推过程及注浆过程中,原状土层受到了较大程度的扰动,当盾构施工完成后,发生了超孔隙水压消散的主固结沉降,以及土体骨架蠕变所引起的次固结沉降现象。