王科甫

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 陜西西安 710043)

在城市軌道交通建設(shè)進(jìn)程中，將不可避免地遇到越來(lái)越多的地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有路面軌道交通線路的情況。在盾構(gòu)隧道下穿既有軌道線路的施工過(guò)程中，為保障底面交通的安全穩(wěn)定運(yùn)行。有必要對(duì)盾構(gòu)隧道下穿區(qū)間的地層進(jìn)行加固，一方面提高地層承載能力，另一方面降低盾構(gòu)施工對(duì)路面軌道交通的影響。當(dāng)前，在加固工法中，全方位高壓旋噴技術(shù)(MJS)已逐漸被工程人員所應(yīng)用。

MJS工法目前已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。在軟弱地基加固中，通過(guò)高壓流體切削地層并與地層形成水泥-砂混合物，從而可選擇性的對(duì)地層進(jìn)行不同方位的加固。在MJS技術(shù)中，通過(guò)樁體之間形成的地下結(jié)構(gòu)在眾多地下工程中發(fā)揮著重要的作用。比如城市暗挖隧道中地層加固及止水[1]、較小地層沉降[2]和提高地層承載能力[3]等多方面均采用了MJS技術(shù)。在MJS施工過(guò)程中，旋噴樁的成樁效果是施工的關(guān)鍵所在。此外，在盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路施工過(guò)程中，采用MJS工法加固地層后對(duì)盾構(gòu)施工下穿高鐵路基施工的效果是工程中最為關(guān)心的問(wèn)題[3]。因此，有必要設(shè)計(jì)合理的加固方案，并研究旋噴樁加固條件下盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基區(qū)間段隧道施工后土層的變形和破壞情況。

因此，本文首先對(duì)旋噴樁加固地層方法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，隨后提出了盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基區(qū)間段地層加固方案。應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)不加固和架構(gòu)后盾構(gòu)下穿施工過(guò)程中地層變形、路基沉降和開(kāi)挖塑性區(qū)進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果論證了本文提出的加固方案能夠有效地控制盾構(gòu)隧道下穿高鐵路基施工過(guò)程對(duì)高速鐵路路基的影響。本文研究成果對(duì)后續(xù)類似工程具有一定的參考和意義。

1　工程概況

廣州市軌道交通九號(hào)線全部為地下線，自西向東全長(zhǎng)20.1 km，線路在廣州北～花城路區(qū)間的隧道以大約74°斜角下穿武廣高鐵和京廣線的股道，總共下穿范圍共約100 m。

根據(jù)對(duì)該區(qū)間的巖土工程勘察得到了各層的地質(zhì)參數(shù)，下穿區(qū)域?qū)儆诤恿鳑_積平原，地層自上而下包含了四層土體，分別為軌道碎石墊層、人工填土層、沖洪積砂層、灰?guī)r中風(fēng)化帶和灰?guī)r微風(fēng)化帶。四層地層厚度自上而下大約為1 m、2.5 m、8.5 m、5.3 m、和7.7 m。各層土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　土層參數(shù)表

2　水平旋噴樁加固

利用武廣高鐵西側(cè)廣州北站貨場(chǎng)位置施工臨時(shí)豎井，從基坑內(nèi)自西向東施做MJS水平旋噴樁對(duì)區(qū)間隧道上方一定范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固。MJS工法加固范圍為：加固區(qū)高度4.5 m,寬度23.5 m。武廣高鐵MJS工法加固區(qū)域以及加固范圍如圖1、圖2所示。

圖1　加固平面示意

圖2　加固范圍示意(單位:m)

加固過(guò)程中的鉆孔布置方式：在擬改良區(qū)域均勻布置，旋噴范圍為下半圓170°，有效改良體直徑2.0 m，橫向樁間距1.7 m，咬合0.3 m，豎向樁間距為0.7 m，咬合0.3 m，由下至上逐排旋噴。水平旋噴樁主要工藝參數(shù)：固化材料噴射壓力40 MPa，固化材料排出量130 L/min，空氣壓力0.7 MPa，空氣排出量1.0 N·m3/min。加固過(guò)程中的實(shí)際參數(shù)可根據(jù)上一小節(jié)所述的步驟獲得。

3　加固效果分析

本文采用FLAC3D有限差分軟件，對(duì)MJS加固后下穿高鐵路基的盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而分析本文中提出的水平旋噴樁的加固效果。

3.1　數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)工程概況，本文建立的數(shù)值計(jì)算模型尺寸為X×Y×Z=長(zhǎng)×寬×高=60 m×60 m×35 m。假定圍巖為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，數(shù)值計(jì)算中采用了8節(jié)點(diǎn)六面體三維實(shí)體單元和4節(jié)點(diǎn)四面體三維實(shí)體單元。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)建立了數(shù)值計(jì)算模型(圖3)。

圖3　數(shù)值計(jì)算模型

經(jīng)過(guò)MJS加固后，加固區(qū)域的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

3.2　水平旋噴樁加固條件下地層變形情況分析

根據(jù)盾構(gòu)開(kāi)挖的模擬方法和步驟，在地層未加固條件下進(jìn)行盾構(gòu)穿越高速鐵路的模擬。將水平旋噴樁加固后地層變形情況與未加固條件下地層變形情況進(jìn)行對(duì)比分析，從而分析加固效果。模擬中盾構(gòu)采用常規(guī)施工參數(shù)掘進(jìn)，即開(kāi)挖面壓力設(shè)定為0.15 MPa，注漿層厚度為0.15 m，注漿層彈性模量為150 MPa，為了降低盾構(gòu)左右線之間的相互干擾，采用先開(kāi)挖左線后開(kāi)挖右線的方法進(jìn)行盾構(gòu)模擬施工。

表2　加固后地層物理力學(xué)指標(biāo)

3.2.1地層豎向位移

不加固和加固條件下，盾構(gòu)下穿鐵路路基施工后的地層豎向位移分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

圖4　地層豎向位移云(單位：m)

由圖4可知，在盾構(gòu)隧道開(kāi)挖后，不加固條件下(圖4(a))盾構(gòu)開(kāi)挖后隧道上方土體發(fā)生了嚴(yán)重的變形。主要表現(xiàn)為地表和隧道上方高速鐵路路基的整體性沉降。隧道上方沉降較為嚴(yán)重且比較集中。高速鐵路路基下地層沉降具有整體性。盾構(gòu)隧道拱頂上方圍巖的最大沉降值達(dá)到了24.98 mm。地層加固情況下(圖4(b))，盾構(gòu)隧道拱頂沉降較為均勻，高速鐵路路基主要沉降范圍較小。根據(jù)廣州地鐵施工經(jīng)驗(yàn)，地基沉降最大值不超過(guò)10 mm，在本工程中盾構(gòu)隧道拱頂上方圍巖的最大沉降值為5 mm，符合要求。

3.2.2高速鐵路路基沉降

數(shù)值計(jì)算中得到的不加固和加固條件下高速鐵路路基沉降曲線分別如圖5(a)、圖5(b)所示。

圖5　鐵路路基沉降槽曲線

由圖5可知，高速鐵路路基的最大沉降主要發(fā)生在模擬范圍內(nèi)的20～40 m區(qū)間。從圖5中可以明顯看出，隧道正上方的鐵路路基因隧道施工產(chǎn)生的沉降基本為均勻沉降。不加固和加固條件下，左線貫通后，路基的最大沉降發(fā)生在左側(cè)隧道拱頂，雙線貫通后，路基的最大沉降發(fā)生于兩隧道的對(duì)稱線位置。不加固條件下(圖5(a))，盾構(gòu)施工完成后，高速鐵路路基最大沉降量達(dá)到了大約16 mm, 而加固后(圖5(b))高速鐵路路基沉降最大值大約為4.85 mm，相對(duì)于不加固條件下，鐵路路基最大沉降水平減小了大約400 %。同時(shí)，根據(jù)廣州鐵路路基工后沉降累計(jì)不超過(guò)5 mm，因此采取水平旋噴樁加固能夠很大幅度的降低鐵路路基沉降，保證路基安全穩(wěn)定。

基于以上分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)地層不加固和加固條件下地層變形和高速鐵路路基沉降進(jìn)行了對(duì)比研究，在盾構(gòu)下穿高速鐵路路基施工過(guò)程中，采用水平旋噴樁對(duì)地層進(jìn)行加固后，能夠有效減小地層的變形，降低高速鐵路路基沉降水平和減小盾構(gòu)施工后地層的擾動(dòng)范圍。因此采用水平旋噴樁加固地層能夠有效減小下穿盾構(gòu)施工對(duì)高速鐵路路基的影響。

4　結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬方法，對(duì)水平旋噴樁加固效果進(jìn)行了仿真分析，為工程中采用旋噴注漿技術(shù)加固地層提供基礎(chǔ)理論與研究方法。結(jié)合實(shí)際工程，水平旋噴樁加固技術(shù)取得了良好的效果，保證了盾構(gòu)順利的下穿高速鐵路路基，為今后的類似下穿工程提供一定的指導(dǎo)與技術(shù)參考。