砂卵石地層盾構(gòu)小角度下穿鐵路施工技術(shù)研究

趙衛(wèi)星

（中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司 四川成都 610040）

1 引言

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展和交通網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善，盾構(gòu)下穿既有線路的情況越來(lái)越多。為降低盾構(gòu)施工對(duì)既有線路的擾動(dòng)，避免危及既有線路行車安全，有必要采取一定的工程防護(hù)措施。目前眾多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬［1－3］或工程類比［4－6］等方法對(duì)盾構(gòu)下穿鐵路安全施工技術(shù)進(jìn)行了研究，但多為盾構(gòu)正穿或大角度下穿，而當(dāng)盾構(gòu)小角度下穿時(shí)，下穿距離增長(zhǎng)、擾動(dòng)范圍變大，且砂卵石地層力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，沉降難以控制。因此有必要對(duì)下穿過(guò)程中各線路的沉降規(guī)律以及控制技術(shù)進(jìn)行研究。

2 工程概況

成都地鐵6號(hào)線侯家橋－興盛區(qū)間左線隧道長(zhǎng)1 582.770 m，右線隧道長(zhǎng)1 581.119 m，最小曲線半徑400 m，最大坡度28‰，覆土厚度9～20.58 m。盾構(gòu)在區(qū)間內(nèi)依次下穿西環(huán)新增二線路基段、成灌高鐵引橋段、西環(huán)線路基段，如圖1所示。

圖1 區(qū)間鐵路線平面

四條鐵路線均為碎石道床，設(shè)計(jì)行車速度120 km／h，線路與鐵路線平面交角為25°～30°。下穿段隧道距路基頂面最小凈距為20.9 m。隧道埋深范圍內(nèi)主要為素填土，松散、稍密、中密以及密實(shí)卵石層，絕大部分洞身位于中密卵石和密實(shí)卵石層。

3 下穿段地表沉降規(guī)律理論分析及數(shù)值模擬

3.1 理論分析

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，刀盤面板會(huì)擠壓土體并產(chǎn)生接觸應(yīng)力，魏綱［7］等人利用彈性力學(xué)的Mindlin解推導(dǎo)出刀盤正面附加推力引起的地表變形w1為：

式中：x為隧道軸向上離開(kāi)開(kāi)挖面水平距離（m）；P為刀盤產(chǎn)生的附加推力（kPa）；G為土的剪切彈性模量（MPa）；D 為盾構(gòu)直徑（m）；h為隧道埋深（m）；v為土體泊松比。

W1由下式計(jì)算：

式中：y為隧道橫斷面距軸線的距離（m）。

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，盾殼與洞壁間會(huì)產(chǎn)生摩擦，這部分摩擦力引起的地表變形w2為：

式中：L為盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度（m）；R為盾殼半徑（m）；p為土體與盾殼間單位面積上的摩擦力（kPa）。

W2由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：η為土體損失率，砂卵石地層取0.4% ～0.6%［9］。

刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力也會(huì)造成地表變形，根據(jù)文獻(xiàn)［10］，刀盤正面摩擦和側(cè)面摩擦對(duì)地表沉降的影響值較小，因此忽略其影響，則盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的總變形值w為：

假設(shè)此刻刀盤位于隧道軸線與既有線交點(diǎn)正下方，將侯－興區(qū)間地勘資料及盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)代入式（1）～式（6）得到不同線路夾角下既有線方向上100 m范圍內(nèi)變形曲線，如圖2所示。由圖2可知：隨著線路夾角減小，既有線沉降槽寬度和最大沉降值均增大。當(dāng)夾角為30°時(shí)，既有線受擾動(dòng)范圍在70 m左右，故施工過(guò)程中需要重點(diǎn)對(duì)該范圍內(nèi)路基進(jìn)行加固和監(jiān)測(cè)。

圖2 既有線變形曲線

唐曉武［8］假定地層損失沿隧道軸向均勻分布，并對(duì)Sagaseta鏡像法公式進(jìn)行修正，得到盾尾間隙造成的地表沉降w3為：

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)下穿段地質(zhì)情況及既有線結(jié)構(gòu)和分布建立三維數(shù)值仿真模型，為研究下穿過(guò)程中地表和各條線路變形規(guī)律，選取24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其分布如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

（1）地表預(yù)加固前仿真結(jié)果

隧道貫通后，左右線中心位置地表沉降變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 隧道軸線沉降曲線

由圖4可知：各曲線變化規(guī)律一致，即盾構(gòu)下穿鐵路基床前，地表沉降變化不大；當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)入下穿區(qū)域時(shí)，由于地表鐵路基床的存在，地表載荷以及結(jié)構(gòu)物性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致沉降值急劇增大。沉降最大值位于隧道間中心線與成灌高鐵中心線交點(diǎn)處。西環(huán)上下行線、成灌高鐵對(duì)地表沉降影響范圍為軸向±60 m。

部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖過(guò)程的變化如圖5所示。由圖5a可知：左線隧道開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)，成灌高鐵、西環(huán)上下行線軌枕均產(chǎn)生一定量的隆起；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至78 m處時(shí)，西環(huán)增二線軌枕開(kāi)始產(chǎn)生沉降；當(dāng)掘進(jìn)至125 m處時(shí)，成灌線和西環(huán)線開(kāi)始產(chǎn)生沉降；當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至200 m處時(shí)，各線路沉降值趨于穩(wěn)定。由圖5b可知：當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至175 m處時(shí)，各線路沉降值穩(wěn)定，西環(huán)增二線軌枕最大沉降達(dá)18 mm，且與兩隧道軸線交點(diǎn)處沉降值相差較大。成灌線軌枕沉降最大達(dá)19.7 mm，西環(huán)線軌枕最大沉降值達(dá)19.8 mm。

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降隨開(kāi)挖步變化曲線

根據(jù)文獻(xiàn)［11］，當(dāng)隧道中心埋深為18～20 m，設(shè)計(jì)時(shí)速≤120 km的碎石道床，其路基允許最大的沉降值為16 mm。根據(jù)仿真結(jié)果，軌枕最大沉降值達(dá)20 mm，嚴(yán)重影響到既有線路安全運(yùn)營(yíng)，因此下穿前必須采取適當(dāng)措施，做好鐵路下方土體加固，保證鐵路線安全運(yùn)營(yíng)。

（2）鋼花管注漿加固后沉降值對(duì)比

鋼花管注漿加固原理：將管壁預(yù)留有注漿孔的鋼花管插入土體并進(jìn)行壓力注漿，水泥漿液被注入后向周圍土體滲透，經(jīng)過(guò)土體的固化、擠密作用形成鋼花管＋水泥土的復(fù)合樁體，借此改善巖土體的物理力學(xué)性能。

數(shù)值分析中通常采用實(shí)體單元、樁單元或界面單元聯(lián)合的方法對(duì)鋼花管注漿進(jìn)行模擬［12］，本文采用樁單元模擬成灌線和西環(huán)線的預(yù)加固，如圖6所示。

圖6 土體加固模型

加固前后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值如表1所示。西環(huán)增二線未進(jìn)行加固，地表沉降值變化較??；西環(huán)線預(yù)加固后，最大沉降值由20.2 mm變?yōu)?6.9 mm，降低16.3%。成灌高鐵預(yù)加固后，最大沉降值由20.7 mm變?yōu)?6.8 mm，降低18.8%，基本滿足鐵路路基沉降控制要求，且預(yù)加固后，兩線沉降值標(biāo)準(zhǔn)差降低，沉降分布更加均勻，表明鋼花管注漿對(duì)鐵路路基沉降控制具有一定的效果。

表1 加固前后仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

4 下穿鐵路線關(guān)鍵施工技術(shù)

實(shí)際下穿過(guò)程中，為確保既有線安全，將地層加固與洞內(nèi)注漿、分段掘進(jìn)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等相結(jié)合，形成砂卵石地層下盾構(gòu)小角度下穿既有線綜合施工技術(shù)。

4.1 地面預(yù)加固

盾構(gòu)通過(guò)成灌線和西環(huán)線前，在地面采用鋼花管注漿預(yù)加固，鋼花管管徑108 mm，成孔同地面夾角為10°～40°，注漿采用單液漿。

4.2 盾構(gòu)分段掘進(jìn)

由于成灌線、西環(huán)線為主要線路，車輛通行量大，為了盡量減小盾構(gòu)施工對(duì)上方鐵路運(yùn)輸影響，盾構(gòu)施工利用鐵路運(yùn)營(yíng)天窗期分段穿越。

分段穿越過(guò)程中為防止停機(jī)復(fù)推對(duì)地層造成較大擾動(dòng)，采取以下措施：

（1）長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)土倉(cāng)壓力應(yīng)保持在1.2～1.4 bar，一旦土壓小于1 bar時(shí)立即向土倉(cāng)內(nèi)注入膨潤(rùn)土，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，保證恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)刀盤扭矩的穩(wěn)定性。

（2）掘進(jìn)時(shí)，利用中盾注漿向盾體上方及時(shí)注入1～2 m3的膨潤(rùn)土或惰性漿液，用以填充刀盤與盾體間的開(kāi)挖間隙。

（3）嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后，土倉(cāng)內(nèi)渣土流動(dòng)性變差，恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)適當(dāng)降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，增大推力來(lái)增加土倉(cāng)內(nèi)渣土量，并向土倉(cāng)內(nèi)加入一定量的膨潤(rùn)土以提高渣土流動(dòng)性。掘進(jìn)15 min后，緩慢提高螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，提高掘進(jìn)速度，降低推力，使盾構(gòu)機(jī)處于正常掘進(jìn)狀態(tài)。盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前，為減少刀盤前方地表的沉降，需要對(duì)土倉(cāng)進(jìn)行保壓，應(yīng)增大推力、降低螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速，降低掘進(jìn)速度。各階段掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

表2 分段掘進(jìn)參數(shù)控制

4.3 洞內(nèi)注漿加固

盾構(gòu)下穿過(guò)程中，在同步注漿的基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿。注漿材料為1∶1的水泥－水玻璃雙液漿，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間，穩(wěn)壓時(shí)間不小于30 min。盾構(gòu)下穿后，及時(shí)對(duì)下穿段成型壁后注漿效果進(jìn)行雷達(dá)探查，檢測(cè)是否注漿密實(shí)，確保無(wú)空腔等不良情況。

4.4 下穿后累計(jì)沉降分析

盾構(gòu)下穿施工前按圖3布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，下穿過(guò)程中密切關(guān)注地表變形并委托鐵路局工務(wù)段全程進(jìn)行監(jiān)管及應(yīng)急處置。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值如表3所示。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降值

各線路沉降均值為2.86 mm，最小值－0.5 mm，最大沉降值為6.7 mm，發(fā)生在右線隧道與西環(huán)增二線交點(diǎn)附近，各點(diǎn)沉降均小于既有線沉降控制值。本次下穿效果較為理想，保證了既有線路的運(yùn)營(yíng)安全。

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬揭示了小角度下穿過(guò)程中既有線沉降規(guī)律，基于工程實(shí)踐，提出地層預(yù)加固、洞內(nèi)加固注漿、掘進(jìn)參數(shù)控制、分段掘進(jìn)的綜合施工技術(shù)。結(jié)果表明：該技術(shù)可有效控制既有線沉降，保證既有線路運(yùn)營(yíng)安全，為砂卵石地層條件下長(zhǎng)距離下穿既有線路提供一定的參考。