唐志輝

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司， 天津 300308)

0 引言

近年來，隨著我國城市軌道交通的發(fā)展，地鐵路網(wǎng)愈發(fā)密集，出現(xiàn)了較多的地鐵隧道下穿既有建(構(gòu))筑物的情況。當新建地鐵隧道下穿既有運營鐵路隧道時，一旦處理不當，不僅會影響既有結(jié)構(gòu)的服役安全，嚴重時還會波及鐵路軌道的平順性，危及列車運行安全。

目前，針對地鐵隧道下穿既有隧道方面的研究已經(jīng)有了較多的成果，例如： 胡眾等[1]依托合肥地鐵1號線下穿既有城市公路隧道工程，通過FLAC3D建立了盾構(gòu)隧道掘進施工力學行為計算模型，分析得到了既有隧道結(jié)構(gòu)及新建隧道的應力、應變分布規(guī)律，并提出了相應的防護措施；毛新穎等[2]依托地鐵隧道下穿桂廟路公路隧道工程，研究了盾構(gòu)下穿近接公路隧道的影響規(guī)律；孫連勇等[3]以濟南軌道交通R3線下穿膠濟鐵路線橋梁和路基工程為依托，采用ABAQUS模擬了主動加固和不主動加固條件下橋墩和路基的沉降情況，并指出采用鉆孔灌注樁的加固效果較好；傅洪賢等[4]以某一鐵路客專隧道超近距下穿運營地鐵隧道工程為依托，提出了超近距離下穿運營地鐵隧道的微振爆破技術(shù)；徐干成等[5]結(jié)合北京地鐵14號線下穿京津城際鐵路隧道工程，開展了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明，對下穿段一定范圍內(nèi)的土體進行加固可有效控制既有鐵路的沉降變形。

總之，較多研究者針對該技術(shù)問題開展了豐富的理論與實踐研究[6-9]，對工程建設(shè)起到了極大的促進作用。但在盾構(gòu)隧道下穿既有隧道工程的加固技術(shù)研究方面，一般是基于實踐經(jīng)驗，且出于安全的考慮，采取了相對較為保守的工程措施，雖能夠最大限度地保證施工的安全，但也給工程實際帶來了較大的施工難度或者造成了一定的資源浪費，從整個社會發(fā)展以及行業(yè)水平的提升來說，仍可以進行深入研究，以求效果可控、資源節(jié)約?；谏鲜鲈?，結(jié)合工程實踐，本文針對盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路隧道工程的合理加固范圍進行了研究。

1 工程概況

南寧地鐵4號線那歷村站—那洪立交站區(qū)間沿那洪大道東西走向敷設(shè)，線路埋深12.4～18.1 m，采用盾構(gòu)法施工，管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，壁厚0.3 m，管片寬1.5 m。盾構(gòu)穿越的地層依次為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

該地鐵區(qū)間隧道下穿南環(huán)線槎路隧道，平面交角約為83°，地鐵隧道與槎路隧道上下凈距僅2.644～2.725 m，位置關(guān)系見圖1。槎路隧道于2002年5月1日竣工，全長2 230 m，為單洞單線貨運隧道，隧頂埋深約8.16 m。槎路隧道采用新奧法施工，下穿段設(shè)計為Ⅱ類復合襯砌，其初期支護厚0.2 m，內(nèi)部鋼架間距為1.0 m，采用16#工字鋼；二次襯砌厚度為0.45 m，主筋直徑為22 mm，雙排布置，縱向間距為250 mm。

(a) 平面位置關(guān)系

槎路隧道上部為含黏性土圓礫層，下部位于泥巖、泥質(zhì)粉砂巖層中，下穿段夾層土主要為泥巖，右線局部存在層狀泥質(zhì)粉砂巖，地層概況見表1。區(qū)間下穿段水位埋深4.90～6.90 m，孔隙性潛水主要在含黏性土圓礫層中，為本區(qū)間的主要含水層，含水量大，碎屑巖類孔隙裂隙水主要在泥質(zhì)粉砂巖層中。

表1 地層概況

2 工程重難點及應對措施分析

2.1 重難點分析

結(jié)合第1節(jié)的工程地質(zhì)、環(huán)境條件進行分析可知，工程交叉段施工存在以下重難點：

1)地質(zhì)條件復雜。槎路隧道上半斷面位于含水量大的含黏性土圓礫層中，圍巖自穩(wěn)性差，受擾動后易坍塌；地鐵隧道位于泥巖層，該層黏粒質(zhì)量分數(shù)高，盾構(gòu)施工時易黏刀盤，結(jié)泥餅，土艙壓力較難控制；泥質(zhì)粉砂巖層的泥質(zhì)膠結(jié)較差，遇水擾動后易破碎失穩(wěn)，盾構(gòu)掘進易產(chǎn)生坍塌，且涌水量可能較大，嚴重時會引發(fā)開挖面失穩(wěn)和地面沉陷。

2)周邊環(huán)境復雜。槎路隧道鐵路為貨運線，設(shè)計行車速度為120 km/h，是欽北防重要的鐵路運輸干線，年貨運量達25×106t，下穿期間必須保證正常運營。這對鐵路運營下隧道結(jié)構(gòu)、鐵路軌道及地表沉降等要求非常嚴格。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及工程經(jīng)驗[10-11]，既有鐵路隧道變形控制標準見表2。作用在軌枕上的鐵路列車活荷載如圖2所示，其中，z為荷載系數(shù)，在本文中取1.2。

表2 既有鐵路隧道變形控制標準

集中荷載的單位為kN,均布荷載的單位為kN·m-1。

3)既有隧道服役現(xiàn)狀差。槎路隧道襯砌結(jié)構(gòu)常年漏水，襯砌壁后存在空洞，圍巖承載拱效應差，對盾構(gòu)下穿施工作業(yè)較為敏感。

4)緊鄰近接施工。4號線區(qū)間隧道與槎路隧道最小凈距僅2.7 m，且該下穿段距離那洪立交站小里程接收端頭只有24.7 m，施工過程中既要保證盾構(gòu)出洞安全，又要保證既有鐵路正常運營。

2.2 應對措施分析

為應對施工過程中存在的重難點問題，結(jié)合既有實踐經(jīng)驗，擬對交叉段一定范圍內(nèi)的巖土體進行注漿加固處治(加固范圍設(shè)計如圖3所示)，一方面提高周圍巖土體本身的承載能力，另一方面在既有隧道底部位置形成一層具有一定剛度和強度的保護殼，然后再進行新建地鐵隧道的盾構(gòu)掘進。其中，對于加固圈施工，在槎路隧道下方采用鋼花管對邊墻底部襯砌背后進行注漿加固，鋼花管呈1.0 m×1.0 m梅花形布置，墻角及仰拱部位可適當加密；盾構(gòu)隧道通過預留注漿孔位置時，打設(shè)鋼花管進行二次注漿，彌補盾構(gòu)掘進產(chǎn)生的地層損失；注漿材料以添加外加劑的復合型漿材為主，輔以普通水泥-水玻璃雙液漿和普通水泥單液漿，復合漿材主要由水泥、水玻璃及抗分散型外加劑組成。

對于加固范圍，包括既有鐵路隧道橫斷面方向上的加固厚度和軸向加固長度，目前還沒有明確的量化方法。為此，圍繞該問題，建立數(shù)值模型，分析不同加固范圍時系統(tǒng)的安全狀態(tài)(采用強度折減法)，通過多工況的規(guī)律性分析，尋找合理的加固范圍。

(a) U型加固圈厚度

3 基于強度折減法的近接工程加固范圍分析

區(qū)別于簡單的構(gòu)件，隧道結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)體系，無論是圍巖的穩(wěn)定性分析還是結(jié)構(gòu)的安全性分析，往往都無法采用單一的物理指標來表征其力學狀態(tài)，這給隧道工程的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計計算帶來了極大的不便。目前，已有研究者針對該問題開展了積極的探索，鄭穎人等[12]和唐春安等[13]將邊坡工程中應用較多的強度折減法[14]引入到隧道工程安全性分析中，提出用折減系數(shù)來表征隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定或結(jié)構(gòu)的安全程度，如此使得隧道安全性分析概念更加直觀，取得了良好的應用效果。借鑒該思路，提出基于強度折減法的隧道近接工程施工合理加固范圍分析方法，基本思路為：

1)建立隧道近接施工工程數(shù)值模型。在模型建立的過程中，應綜合考慮后續(xù)加固范圍，即將后續(xù)討論的多種加固范圍工況預先設(shè)定好對應的網(wǎng)格單元，后續(xù)計算分析時，無須重新建模，僅需要調(diào)整擬加固區(qū)域的物理力學參數(shù)。

2)根據(jù)相關(guān)規(guī)范或設(shè)計要求，確定分析對象在施工擾動過程中應控制的物理指標，如既有隧道的結(jié)構(gòu)變形、軌道變形、擬建隧道的結(jié)構(gòu)變形等。

3)擬定若干種加固范圍工況，如不同的加固厚度、加固長度等，并根據(jù)實踐經(jīng)驗或前期試驗，獲取加固后加固區(qū)域地層的物理力學參數(shù)。

4)針對每一種加固范圍工況，開展強度折減法模擬計算，提取出各控制物理指標隨折減系數(shù)的變化規(guī)律。

(1)

6)以此類推，計算得到所有加固范圍工況(如m種工況)的系統(tǒng)綜合安全系數(shù)F(i)，i=1,…,m。由此，便可建立加固范圍與系統(tǒng)安全系數(shù)之間的關(guān)系，進而確定系統(tǒng)的較優(yōu)加固范圍。

4 依托工程加固范圍優(yōu)化設(shè)計

4.1 建立數(shù)值模型

基于Midas GTS NX軟件，建立數(shù)值模型，模型沿區(qū)間隧道開挖方向長80 m，寬100 m，高50 m，如圖4所示。

(a) 模型三維立體圖

模型中，盾構(gòu)加固圈厚0.2 m，管片厚0.3 m；鐵路軌道采用一維單元近似模擬；軌枕長2.6 m，厚0.2 m；鐵路初期支護厚0.2 m，二次襯砌厚0.45 m。為簡化計算，二次襯砌、道砟和軌枕之間采用共節(jié)點連接，暫未考慮接觸。周邊地層共分為3層，從上到下依次為礫石填土(厚3.5 m)、含黏性土圓礫(厚8.0 m)、泥巖(厚38.5 m)。模擬中巖土體材料本構(gòu)采用摩爾-庫侖模型，其余結(jié)構(gòu)均設(shè)置為線彈性材料，模擬計算參數(shù)見表3。

結(jié)合施工組織，區(qū)間隧道開挖步的間距為4 m，鐵路隧道采用一次性開挖支護。施工步驟為初始地應力平衡—鐵路隧道開挖及支護—地層加固—位移清零—區(qū)間隧道開挖—管片支護—管片背后注漿。

表3 模擬計算參數(shù)

4.2 加固范圍工況設(shè)置

如圖3所示，在鐵路隧道周邊設(shè)計U型加固圈，加固范圍為拱腰至仰拱底，每一層加固圈的厚度為0.2T0(T0=2.7 m)，同時沿隧道縱向設(shè)置初始加固長度為S0(S0=21.5 m)，每次在盾構(gòu)隧道兩側(cè)增加2D(D=6 m)加固區(qū)，具體工況設(shè)置見表4。其中，0.8T0和S0+4D為對比分析采用的基本工況。

表4 加固范圍計算工況

4.3 基于強度折減法的地層加固后鐵路隧道安全性判據(jù)討論

選取0.8T0和S0+4D作為標準工況，基于強度折減法對該加固工況下的鐵路隧道系統(tǒng)安全系數(shù)進行試算。以隧道結(jié)構(gòu)沉降變形為例，對系統(tǒng)安全性判據(jù)進行討論，隧道最大沉降隨折減系數(shù)的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著折減系數(shù)的增加，隧道結(jié)構(gòu)最大沉降起初增加較緩慢，當超過2.6時呈指數(shù)性增長。根據(jù)唐芬等[15]、Pantelidis等[16]基于邊坡穩(wěn)定性的研究成果可知，可以將特征點發(fā)生位移突變時作為圍巖失穩(wěn)的判據(jù)，且該方法已被唐春安等[13]、鄭穎人等[17]作為判斷隧道圍巖穩(wěn)定性的依據(jù)。則對于該工程，采取加固措施后隧道圍巖穩(wěn)定性的安全系數(shù)可取2.6。

圖5 隧道最大沉降隨折減系數(shù)的變化曲線

對于邊坡來說，在臨界條件下能保持穩(wěn)定即可，然而對于區(qū)間下穿鐵路隧道的實際工程，單純以特征點突變作為隧道施工安全性的判據(jù)存在一定的局限性。在下穿鐵路隧道過程中不僅需要保證鐵路隧道結(jié)構(gòu)的安全，還要保證其滿足使用需要。從圖5可以看出，在折減系數(shù)取2.6時，鐵路隧道的最大沉降約25 mm，已經(jīng)大大超過了表2中的控制值。為此，提出滿足控制標準的區(qū)間下穿鐵路隧道施工安全系數(shù)最大折減系數(shù)這一方法，即可得到在隧道結(jié)構(gòu)控制標準下鐵路隧道系統(tǒng)的安全系數(shù)為2.0。同理，可得到以軌道沉降和地表沉降變形標準作為控制條件時，鐵路隧道系統(tǒng)的綜合安全系數(shù)分別為2.1和2.2。

4.4 加固范圍優(yōu)化

通過安全系數(shù)對比可知，隧道結(jié)構(gòu)控制標準是最為嚴格的，因此選取隧道結(jié)構(gòu)控制標準來計算鐵路隧道系統(tǒng)綜合安全系數(shù)。經(jīng)計算，可得到不同加固厚度、不同加固長度下區(qū)間隧道下穿鐵路隧道的安全系數(shù)變化曲線，結(jié)果如圖6所示。對圖6分析可知：

1)隨著U型加固圈厚度系數(shù)的增加，區(qū)間下穿鐵路隧道的安全性系數(shù)快速增大，在加固圈厚度系數(shù)小于0.6時，加固效果隨著該系數(shù)的增加明顯提升；當加固圈厚度系數(shù)大于0.6后，安全系數(shù)增長緩慢，表明此時再過多提升加固圈厚度對安全系數(shù)的作用不明顯。另外，考慮到加固圈厚度系數(shù)為0.4～0.8時，相比于不同加固圈長度系數(shù)下安全系數(shù)穩(wěn)定時的變化量，不同加固圈厚度系數(shù)下安全系數(shù)變化量仍較大，出于安全考慮，建議加固圈厚度系數(shù)取0.8。

2)隨著縱向加固長度的增加，區(qū)間下穿鐵路隧道的安全系數(shù)開始呈陡增趨勢，當加固圈長度系數(shù)大于4時，變化趨于平穩(wěn)，與加固圈厚度系數(shù)對安全系數(shù)的影響變化趨勢相似，建議加固圈長度系數(shù)取4。

(a) 不同加固厚度

采用冪函數(shù)對不同加固圈厚度系數(shù)下鐵路隧道的安全系數(shù)F進行擬合，可得

F=2.17×n0.42。

(2)

將n=T/T0代入上式，并整理得

(3)

同理，可得加固長度與既有鐵路隧道安全系數(shù)的函數(shù)關(guān)系：

(4)

式(3)和式(4)即為該工程條件下基于交叉段系統(tǒng)安全系數(shù)的既有鐵路隧道加固厚度和加固長度經(jīng)驗公式。實際應用時，僅需確定設(shè)計安全系數(shù)，便可根據(jù)地鐵隧道與既有隧道的上下凈距以及地鐵隧道的水平凈距確定滿足控制要求的既有隧道周邊加固范圍。然而該公式仍有一定的局限性，既有隧道的變形和應力響應與既有隧道的斷面面積、斷面形式以及地鐵隧道的間距、斷面面積和開挖方法等因素均相關(guān)；同時，依據(jù)規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗可知，在地質(zhì)條件較好以及當?shù)罔F隧道與既有隧道距離較遠時，隧道相互之間的影響是較小的，若仍用式(3)和式(4)對既有隧道進行加固，顯然是不合理的。綜上所述，目前式(3)和式(4)僅適用于類似地質(zhì)情況下盾構(gòu)隧道近接下穿既有隧道工程，下一步可結(jié)合更多的工程案例和不同的工程地質(zhì)條件進行深化研究，對經(jīng)驗公式進行補充及優(yōu)化。

根據(jù)前述模擬分析，針對該工程實際情況，對下穿槎路隧道區(qū)段，預定義系統(tǒng)綜合安全性系數(shù)為2，則根據(jù)式(3)和式(4)分別估算得到槎路隧道的加固圈厚度為2.2 m，長度為36.5 m。

5 加固效果分析

為對比分析和驗證加固方案的合理性，對既有結(jié)構(gòu)的變形情況進行了模擬計算和監(jiān)測(監(jiān)測點具體位置見圖1)。未加固時既有鐵路隧道沉降模擬計算結(jié)果如圖7所示。加固后既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測時程曲線如圖8所示。

(a) 隧道結(jié)構(gòu)

由圖7和圖8可知： 1)未加固時既有鐵路隧道結(jié)構(gòu)最大沉降約為6.1 mm，鐵路軌道最大沉降約為5.2 mm，與變形控制標準(見表2)對比可知，在未加固時進行施工存在較大的風險。2)加固后，既有鐵路隧道側(cè)墻及拱頂最大豎向沉降約為2.5 mm，軌道最大豎向沉降約為0.8 mm，相比于未加固時分別降低了約59%和85%，且均未超過控制值，可見采取的加固方案是有效的。

(a) 拱頂

6 結(jié)論與建議

1)加固圈厚度系數(shù)(或加固圈長度系數(shù))與系統(tǒng)的綜合安全系數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系。

2)擬定的加固方案能有效控制既有上伏鐵路隧道的沉降變形，各項關(guān)鍵指標滿足相關(guān)規(guī)范控制要求。

3)本文提出的公式僅適用于類似地質(zhì)情況下盾構(gòu)隧道近接下穿既有隧道工程，下一步需結(jié)合更多的工程案例和不同的工程地質(zhì)條件進行深化研究，對提出的經(jīng)驗公式進行補充及優(yōu)化。另外，需進一步研究不同地質(zhì)條件下地鐵隧道在不同間距、不同斷面面積及施工方法下下穿不同斷面既有隧道時的加固范圍優(yōu)化設(shè)計。