市域铁路大直径盾构并行施工对邻近高铁路基变形影响分析*

王 纲

(上海东华地方铁路开发有限公司,200071,上海)

新建城市轨道交通线路与铁路运营线并行建设时,必须重点关注新建线路施工对铁路运营线安全的影响[1-2]。大直径盾构小净距并行既有高铁路基施工会造成高铁路基周围土体应力环境变化[3],进而导致高铁路基产生附加变形。如何有效控制隧道开挖变形及保证既有高铁线路的安全运营,成为工程设计与施工中的关键。

本文依托上海市域铁路机场联络线(以下简称“机场联络线”)大直径盾构隧道并行既有沪杭高铁路基段工程,针对邻近高铁路基的大直径盾构施工变形控制难题,基于监测数据分析了门式隔离桩加固下盾构并行施工对土体扰动及对高铁路基变形的影响规律,可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

机场联络线连接上海虹桥机场与浦东机场。机场联络线盾构段长距离并行既有沪杭高铁路基,联络线盾构段与沪杭高铁路基的相对位置如图1所示。并行段盾构埋深为7.80～19.13 m,自小里程往大里程埋深逐渐加深;隧道外边缘与铁路路基坡脚的最近距离为8.4 m,位于机场联络线里程DK7+002.643位置处(高铁里程K5+458.990)。盾构段隧道采用外径为13.6 m、厚度为0.55 m的双线大直径盾构管片。为控制高铁路基变形,保证既有高铁线路的安全运营,盾构施工采用门式隔离桩进行防护。隔离桩为φ1 000 mm、间距1 200 mm的钻孔桩,桩底至盾构底以下7 m;桩顶部设置内支撑,间距为6 m。

图1 机场联络线盾构段与高铁路基相对关系平面图

并行段沪杭高铁轨道结构为CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道,路基高约3.6 m。高铁路基西侧采用C25片石混凝土挡墙,内部采用宽5.0 m、层间距0.6 m的双向土工格栅加固;高铁路基东侧采用M7.5浆砌片石拱形截水骨架,内部采用宽3.0 m、层间距0.6 m的双向土工格栅加固。高铁路基底部采用厚0.5 m的C30混凝土桩板加固。桩板底部采用φ0.6 m、间距3 m的钻孔桩加固,桩长约36 m。以盾构段并行高铁路基段间距最小位置为例,盾构隧道与高铁路基空间位置关系如图2所示。

图2 机场联络线隧道与高铁路基位置关系横断面图

场地土层物理力学参数如表1所示。场地软弱土层深厚,包括③1淤泥质粉质黏土层和④1淤泥质黏土层。软土具有高含水量、触变性、弱渗透性和明显的流变性等特点。在上海软土地区进行盾构近距离并行施工,易对周围土体和邻近高铁路基产生不利影响。

表1 工程场地土层物理力学参数

1.2 施工监测方案

机场联络线并行高铁路基的盾构施工段里程为DK6+645.000—DK7+002.643。监测内容包括地面沉降和高铁路基变形。监测点平面布置如图3所示。地面沉降监测点共77个,高铁路基沉降监测点共30个。

图3 机场联络线并行高铁路基盾构施工段监测点平面布置示意图

2 监测数据分析

2.1 地面沉降

为分析机场联络线并行既有高铁路基段的盾构施工对土体的影响规律,收集盾构施工过程中和盾构施工完毕后隧道正上方共30个地面沉降监测点的沉降值进行分析,结果如图4所示。盾构在施工过程中和施工完毕后,隧道正上方地面总沉降最大值分别为21.14 mm和 20.32 mm。机场联络线里程DK6+835—DK6+915的地面沉降测点相对其他里程测点出现隆起现象。

图4 地面各监测点竖向位移统计图

为进一步分析盾构施工沿隧道横向对地面竖向变形的影响,选取盾构隧道46环断面各沉降监测点的实测数据进行分析,结果如图5所示。由图5可知:① 地面最大沉降位于隧道上方,且距隧道越远沉降值越小。B46-8监测点处地面沉降不受盾构施工影响。② 盾构施工完毕后,远离高铁路基侧地面变形为隆起,靠近地铁路基侧地面变形为沉降。③ 门式隔离桩外测点最大隆起为9.12 mm,远小于隔离桩内地面竖向变形,表明门式隔离桩加固能有效限制桩外土体变形,具有良好的隔断效果。

图5 盾构隧道46环断面不同施工阶段不同监测点地面竖向位移

图6为盾构隧道46环断面不同监测点地面竖向位移时程曲线图。由图6可知:① 由于刀盘的压力变化和挤土作用,盾构到达断面前20 m内,土体受到扰动出现轻微隆起现象,最大隆起量为5.48 mm。② 盾构通过断面后50 m内,地面沉降迅速发展,此阶段是地面沉降的主要阶段。一方面由于存在65 mm的盾尾间隙;另一方面由于短时间内浆液尚未完全固结,难以提供足够的支护力。此时,地面最大沉降位于B46-2测点处,最大沉降值为19.29 mm。③ 盾构通过断面50 m后,地面沉降变化速率变缓,随着同步注浆浆液逐渐固结形成强度,地面沉降逐渐趋于稳定。

图6 盾构隧道46环断面不同测点地面竖向位移时程曲线图

2.2 高铁路基变形

为进一步分析机场联络线并行既有高铁施工对高铁路基的影响,收集盾构施工过程中和施工完毕后高铁路基底座板监测点的监测值进行分析,结果如图7所示。其中竖向位移负值表示路基沉降,水平变形负值表示路基向盾构侧方向变形。

a) 竖向

由图7可知,盾构施工过程中,高铁路基底座板最大隆起为1.6 mm、最大沉降为1.9 mm。沪杭高铁路基底座板远离盾构侧移动的最大水平位移为1.4 mm、向盾构侧移动的最大水平位移为1.9 mm,各监测点变形的最大值都小于工程监测报警值[4],说明门式隔离桩防护加固措施能有效控制高铁路基变形,具有良好的隔断效果,可保证既有高铁线的正常运营。

综上所述,机场联络线盾构施工引起沪杭高铁路基变形满足高铁路基变形累计值±2 mm的控制要求[6]。开挖期间,在相应区段限速的情况下,机场联络线盾构施工未影响既有高铁线的正常运营。

3 结语

本文基于机场联络线并行沪杭高铁段的盾构施工的实测数据,分析盾构施工对既有高铁路基的变形影响规律,得到以下结论:

1) 盾构施工完毕后,地面最大沉降位于隧道上方,远离高铁路基侧地面变形为隆起,靠近高铁路基侧地面变形为沉降。盾构在施工过程中和施工完毕后,地面总沉降最大值分别为21.14 mm和20.32 mm。

2) 盾构施工对地面竖向变形的影响主要集中在刀盘到达断面前20 m和通过断面后50 m内,通过前土体表现为隆起,通过后土体表现为沉降。

3) 门式隔离桩加固能有效限制桩外土体位移,控制高铁路基变形。盾构施工完毕后,沪杭高铁路基水平和竖向变形最大值均为1.9 mm。机场联络线盾构施工未影响沪杭高铁的正常运营。