張 舵

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

隨著城市地鐵的建設(shè)，所遇環(huán)境條件變化較多，需穿越障礙物種類(lèi)繁雜，包括橋梁、房屋、河流、道路等等。其中運(yùn)營(yíng)期間的鐵路線路，對(duì)沉降要求較高，對(duì)處理措施要求較嚴(yán)。目前國(guó)內(nèi)上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此類(lèi)情況，多采用盾構(gòu)穿越。以某城市地鐵區(qū)間穿越鐵路為例進(jìn)行分析，介紹下穿既有鐵路的技術(shù)措施。

1 工程概況

該盾構(gòu)區(qū)間隧道橫穿鐵路，共計(jì)8股道，位于鐵路站場(chǎng)內(nèi)，行車(chē)密度大，施工期間需保證列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)。土層從上到下分別為:素填土、礫砂、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化角巖、強(qiáng)風(fēng)化角巖。地下水位約在地面以下3.5 m，隧道拱頂覆土厚度約14 m。區(qū)間與鐵路路基的關(guān)系見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 區(qū)間穿越鐵路平面

圖2 區(qū)間穿越鐵路剖面

各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 路基沉降和軌道變形要求

盾構(gòu)施工對(duì)鐵路的影響主要包括路基沉降和軌道變形，其中軌道變形是控制鐵路行車(chē)安全的主要因素。

對(duì)于有砟軌道的路基沉降，可以通過(guò)回填道砟、補(bǔ)充注漿等方式予以補(bǔ)充，所以普通鐵路路基沉降要求不高?！惰F路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2005)［1］中7.6.2條規(guī)定，一級(jí)鐵路路基沉降量≤20 cm、沉降速率均≤5 cm/年。《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)［2］中規(guī)定:對(duì)于有砟軌道，設(shè)計(jì)速度為250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm、沉降速率均≤3 cm/年;設(shè)計(jì)速度為300、350 km/h，一般地段工后沉降≤5 cm、沉降速率均≤2 cm/年;

對(duì)于無(wú)砟軌道的路基應(yīng)遵循無(wú)砟軌道完工后的工后總沉降ΔS，不允許危害鐵路運(yùn)營(yíng)安全或產(chǎn)生損壞線路可使用性的軌道變位，也不能超過(guò)系統(tǒng)扣件豎向高度調(diào)整量的某一比例?！陡咚勹F路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)［2］中規(guī)定，無(wú)砟軌道路基工后沉降不宜超過(guò)15 mm;沉降比較均勻并且調(diào)整軌面高程后的豎曲線半徑滿足(Rsh≥0.4V2sj)的要求時(shí)，允許的工后沉降為30 mm。

在施工中以軌道沉降變形為實(shí)際控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)2006年鐵道部發(fā)布的《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)［2006］146 號(hào))［3］，適用于1 435 mm 標(biāo)準(zhǔn)軌距和線路允許速度為200 km/h及以下的線路。規(guī)則第6.2.1條規(guī)定了線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值。

高速鐵路還應(yīng)遵守《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，同時(shí)應(yīng)以鐵路運(yùn)營(yíng)單位的實(shí)際軌道平順性管理數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。如北京鐵路局京鐵工［2008］238號(hào)文件《京津城際鐵路無(wú)砟軌道線橋設(shè)備維修規(guī)則(試行)》［4］第 7.1.1 條之規(guī)定。

3 計(jì)算分析

3.1 沉降分析計(jì)算

盾構(gòu)隧道施工不可避免地導(dǎo)致隧道上方一定范圍內(nèi)地面出現(xiàn)沉降。在軟弱地層中施工盾構(gòu)隧道，引起地面沉降的主要原因是盾構(gòu)施工引起隧道周?chē)馏w的損失和地下水位下降引起的土體固結(jié)沉降。應(yīng)通過(guò)預(yù)先計(jì)算預(yù)測(cè)沉降量并在施工過(guò)程中控制地面沉降值等措施保證隧道上方鐵路的安全。分自然狀態(tài)和隧道頂部預(yù)加固兩種情況進(jìn)行分析。

3.1.1 計(jì)算模式

采用平面有限元法，考慮地層與襯砌共同作用。

為分析注漿與不注漿兩種施工方案對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起地表變形的影響，數(shù)值計(jì)算中采用平面應(yīng)變的二維有限元地層結(jié)構(gòu)模型。為便于對(duì)比，兩種方案均采用相同尺寸、地層參數(shù)以及相同邊界約束條件的有限元模型，而區(qū)別在于注漿方案將通過(guò)提高注漿范圍土體模量進(jìn)行模擬。有限元模型如圖3所示，模型水平寬度為60 m，高度為40 m。上、下行線隧道水平間距為18.4 m，其幾何尺寸基本相同，外徑為6.0 m，管片厚度為300 mm。隧道上方覆土厚度為14.4 m，對(duì)隧道頂部9.0 m、中心線每側(cè)6.0 m范圍圍巖進(jìn)行加固。

圖3 區(qū)間隧道計(jì)算斷面

3.1.2 材料本構(gòu)方程

對(duì)于巖土體材料，其變形是極其復(fù)雜的，這不僅與巖土體的成分、成因、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，還與巖土體的歷史、受荷狀況等有關(guān)。巖石能夠很好地承受壓應(yīng)力，但是只能承受很小的拉應(yīng)力。巖石的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中幾乎不存在彈性極限，因?yàn)閹r石甚至在很小的荷載作用下，就出現(xiàn)顯著的不可逆的塑性變形。所以，計(jì)算過(guò)程中采用 Drucke-Prager彈塑性的非線性本構(gòu)模型［5］。

D-P模型是在考慮了靜水壓力影響的廣義Mises屈服準(zhǔn)則基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，表達(dá)式為

c——巖土類(lèi)材料的黏聚力，MPa;

φ——巖土類(lèi)材料的內(nèi)摩擦角，(°)。

D-P模型的優(yōu)點(diǎn)是采用了簡(jiǎn)單的方法考慮了靜水壓力對(duì)屈服和強(qiáng)度的影響，參數(shù)少，計(jì)算簡(jiǎn)單，同時(shí)也考慮了巖土類(lèi)的剪脹。

3.1.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)有限元計(jì)算分析，得到盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中，注漿和不注漿兩種工況下地表沉降規(guī)律。當(dāng)不注漿時(shí)，兩盾構(gòu)隧道下穿鐵路，引起的地表沉降曲線如圖4所示，由圖4可知，隧道施工完成后地面最大沉降計(jì)算值自然狀態(tài)下為-9.80 mm，沉降槽較深。注漿加固后，地表沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，地表沉降最大值為-4.92 mm，沉降槽較淺，影響范圍較小。注漿加固較不注漿地表沉降減小50%。

式中 I1——應(yīng)力第一不變量，I1=σ1+σ2+σ3;

J2——第二偏應(yīng)力張量不變量，其表達(dá)式為

圖4 無(wú)地層加固地表沉降曲線

圖5 有地層加固地表沉降曲線

計(jì)算結(jié)果顯示加固后鐵路路基沉降量較小，同時(shí)沉降槽較平緩，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)有利。故建議對(duì)鐵路下方路基進(jìn)行加固，要保證注漿漿液質(zhì)量，控制漿液范圍，盡量均勻密實(shí)，減小地層損失，切實(shí)保證注漿效果。且盾構(gòu)下穿鐵路施工時(shí)需要對(duì)地面加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)速度并實(shí)施同步注漿，避免施工對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利影響［6］。

3.2 結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算

根據(jù)計(jì)算分析，同樣軸重的情況下，列車(chē)速度越高，在盾構(gòu)頂產(chǎn)生的動(dòng)荷載越大，同時(shí)考慮盾構(gòu)施工造成的鐵路路基不平順，并參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，列車(chē)荷載可按75 kN/m條狀荷載考慮。經(jīng)過(guò)地層加固后，土體模量約提高3倍，按經(jīng)驗(yàn)其靜力觸探錐尖阻力提高為原來(lái)的2～3倍，土體水平向抗力系數(shù)提高2～3 MPa［7］。

經(jīng)計(jì)算，盾構(gòu)配筋以裂縫寬度0.2 mm控制，主筋采用10φ20 mm。對(duì)鐵路路基加固后，也可減少運(yùn)營(yíng)期間列車(chē)動(dòng)荷載對(duì)區(qū)間隧道的影響，同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)區(qū)間管片配筋、在管片中摻入鋼纖維以增加其抗裂性能等措施，確保運(yùn)營(yíng)期間區(qū)間隧道的安全。

4 采取措施

4.1 加固措施

為保證鐵路的正常安全運(yùn)行及盾構(gòu)順利推進(jìn)，采取預(yù)加固措施，如圖6所示。

圖6 加固布置縱剖面

首先進(jìn)行鐵路兩側(cè)的旋噴樁施工，加固過(guò)程中應(yīng)控制施工速度，以減小施工對(duì)鐵路的影響，旋噴樁施工期間必須對(duì)鐵路進(jìn)行監(jiān)護(hù)和監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整施工參數(shù)，并通知鐵路部門(mén)對(duì)線路進(jìn)行及時(shí)養(yǎng)護(hù);其次對(duì)主加固區(qū)(A)、次加固區(qū)(C)等進(jìn)行加固。

施工主加固區(qū)(A)時(shí)對(duì)鐵路線路應(yīng)采取以下保護(hù)措施:采用分層注漿加固，預(yù)加固范圍為主加固區(qū)(A)的70%左右，并采用復(fù)合漿液，縮短膠凝時(shí)間，以控制注漿壓力和擴(kuò)散范圍，注漿壓力和注漿速度根據(jù)線路軌道變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，減小注漿對(duì)基床的影響，同時(shí)為下一階段跟蹤注漿預(yù)留注漿孔。次加固區(qū)(C)采用豎直施作注漿孔，復(fù)合漿液，一次性加固完成［8］。

4.2 盾構(gòu)推進(jìn)控制措施

為保證鐵路正常運(yùn)輸?shù)慕^對(duì)安全，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)須采取以下技術(shù)措施。

4.2.1 洞內(nèi)措施

考慮列車(chē)動(dòng)荷載影響，對(duì)鐵路下方中心線左右兩側(cè)各50 m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管片配筋進(jìn)行加強(qiáng)，摻入鋼纖維以增強(qiáng)其抗裂性。同時(shí)根據(jù)地面監(jiān)測(cè)情況，必要時(shí)在加固(A)區(qū)進(jìn)行跟蹤注漿。

根據(jù)地面(和先行隧道)的監(jiān)測(cè)情況，不斷優(yōu)化盾構(gòu)施工的各種技術(shù)參數(shù)，合理選定推進(jìn)速度、平衡土壓力、出土量等參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)糾偏量［9］。

嚴(yán)格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量。

考慮注漿加固效果不良，對(duì)盾構(gòu)隧道均采用加設(shè)注漿孔的管片，必要時(shí)盾構(gòu)隧道施工完成后，對(duì)隧道管片外土體進(jìn)行注漿加固。

4.2.2 洞外措施

盾構(gòu)推進(jìn)實(shí)行信息化反饋施工，增加監(jiān)測(cè)頻率。在鐵路兩側(cè)埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行0.5 h一次的跟蹤測(cè)量，通過(guò)施工監(jiān)測(cè)進(jìn)行跟蹤注漿，并進(jìn)行信息分析，及時(shí)通知井下調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)［10］。及時(shí)對(duì)碎石道床進(jìn)行鋪墊和軌道校正，保持鐵路軌道的平順直。

4.3 監(jiān)測(cè)布置

區(qū)間所做的監(jiān)測(cè)主要包括隧道外監(jiān)測(cè)和隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)。隧道外監(jiān)測(cè)包括地表沉降、線路沉降及方向偏移、深層土體沉降監(jiān)測(cè)、隧道兩側(cè)地下水位監(jiān)測(cè)等。隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)主要包括沉降監(jiān)測(cè)、鋼筋內(nèi)力、混凝土應(yīng)變、管片與圍巖接觸壓力等。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)掘進(jìn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在采取上述措施后，下穿鐵路的軌道沉降約2.4 mm，滿足維修保養(yǎng)要求，保證了盾構(gòu)施工過(guò)程上部鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

綜合考慮以上措施，在隧道通過(guò)前做好預(yù)加固措施，并對(duì)加固質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)留部分注漿孔。在隧道掘進(jìn)過(guò)程中做好監(jiān)控量測(cè)，加強(qiáng)施工控制，根據(jù)量測(cè)信息及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)地面沉降情況進(jìn)行補(bǔ)充注漿，可以確保隧道施工過(guò)程中，鐵路的正常運(yùn)營(yíng)和區(qū)間施工的安全。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10001—2005 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵運(yùn)［2006］146號(hào) 鐵路線路修理規(guī)則［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［4］北京鐵路局辦公室.京鐵工［2008］238號(hào) 京津城際鐵路無(wú)砟軌道線橋設(shè)備維修規(guī)則(試行)［S］.北京:北京鐵路局辦公室，2008.

［5］張義同，等.隧道盾構(gòu)掘進(jìn)土力學(xué)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2010.

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