杜山峰

中鐵工程服務(wù)有限公司，中國(guó)·四川 成都 610095

1 引言

盾構(gòu)法施工作為城市軌道交通建設(shè)的主要施工工法，具有效率高、速度快、對(duì)環(huán)境影響小、地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和模型分析，得出土壓平衡盾構(gòu)在配合適當(dāng)?shù)妮o助措施的情況下完全可以下穿既有鐵路的結(jié)論。根據(jù)目前的施工技術(shù)，盾構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境中掘進(jìn)對(duì)隧道上方既有運(yùn)營(yíng)鐵路穩(wěn)定性影響較大，若無(wú)完善可靠的處理措施，其安全及使用功能無(wú)法得到保障，將造成巨大損失和不良社會(huì)影響。如何控制隧道開(kāi)挖對(duì)既有鐵路穩(wěn)定性的影響，是近年盾構(gòu)法隧道施工面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。針對(duì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿既有鐵路，大多采用超前預(yù)加固、鐵路軌道預(yù)加固等措施，但存在工程界面協(xié)調(diào)難度大、工期長(zhǎng)、沉降值不易控制、工程造價(jià)高等問(wèn)題。

論文以天津地鐵10 號(hào)線龍圖道至方山道區(qū)間盾構(gòu)穿越京山鐵路及京津城際工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬軟件計(jì)算，找出兩者相互影響關(guān)鍵點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出富水粉砂地層盾構(gòu)下穿鐵路的施工關(guān)鍵技術(shù)，以期最大程度地減少盾構(gòu)施工對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路穩(wěn)定性及地表沉降的影響。

2 工程概況

2.1 區(qū)間設(shè)計(jì)及穿越鐵路情況概述

本區(qū)間線路自龍圖道站始發(fā)，途經(jīng)石油公司東郊油庫(kù)、津山鐵路、津秦高鐵及京津城際延伸線高鐵、最后到達(dá)方山道站。左線單線全長(zhǎng)約612m，右線單線全長(zhǎng)約607m。區(qū)間隧道縱坡為“v”字形，最大縱坡為34‰，最小縱坡為32‰，線間距約為15～17m，區(qū)間隧道頂埋深10～20m，隧道開(kāi)挖直徑6.34m，采用兩臺(tái)中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工[1]。

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后196m 下穿普速津山鐵路，隧道與鐵路的交點(diǎn)中心里程分別為 DK25+933.771、DK25+928.589；再掘進(jìn)26m 后依次下穿津秦高鐵、京津城際延伸線高鐵范圍，左、右線穿越長(zhǎng)度分別為13m、16m，鐵路群區(qū)域穿越長(zhǎng)度共計(jì)約49.4m（包含兩鐵路之間的相鄰段），穿越角度均基本為正交。隧道與既有鐵路平面位置關(guān)系如圖1所示，隧道與既有鐵路剖面位置關(guān)系如圖2、3 所示。

圖1 隧道與鐵路平面圖

圖2 隧道與普鐵剖面圖

圖3 隧道與高鐵剖面圖

2.2 工程地質(zhì)及水文

隧道穿越鐵路整體位于⑥2、⑦2，⑧2，粉質(zhì)黏土層中，部分區(qū)間需經(jīng)過(guò)⑧3粉土層、⑧4粉砂層，上部覆土為雜填土、粉質(zhì)黏土及粉土。

場(chǎng)區(qū)地下水位標(biāo)高為0.7～1.70m，屬潛水類(lèi)型，主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水、地表徑流，常因氣候、降水等影響而變化。場(chǎng)地內(nèi)粘性土滲透系數(shù)小，弱透水性。場(chǎng)地內(nèi)地下水位較高，含水層呈層狀分布，在垂直方向具有不均勻性。

2.3 鐵路設(shè)計(jì)情況及保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

津山鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h，為普速有砟道床鐵路，基礎(chǔ)型式為路基結(jié)構(gòu)，路基高度約地面上1.45m，盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)頂距離路基面約19m。津秦高鐵是客運(yùn)專(zhuān)線設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h。京津城際延伸線設(shè)計(jì)時(shí)速160km/h。兩條鐵路均為高速鐵路，形式為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，單個(gè)承臺(tái)下8～12 根直徑1m 樁基，樁長(zhǎng)60m[2]。

地鐵隧道施工期間鐵路保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)，具體要求見(jiàn)表1。

表1 鐵路各項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)

3 盾構(gòu)掘進(jìn)與運(yùn)營(yíng)鐵路的相互影響分析

地鐵區(qū)間下穿鐵路施工時(shí)，會(huì)相互產(chǎn)生影響，盾構(gòu)施工過(guò)程中的地表沉降，會(huì)影響鐵路運(yùn)營(yíng)的安全；而鐵路的動(dòng)荷載，又會(huì)影響地鐵結(jié)構(gòu)的安全。

①盾構(gòu)在鐵路下通過(guò)時(shí)，對(duì)土體擾動(dòng)大，造成地表不均勻沉降，使鋼軌接頭產(chǎn)生過(guò)大間隙、錯(cuò)臺(tái)和折角，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全。

②列車(chē)在運(yùn)行中，對(duì)路基土體產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力沿深度逐漸衰減，衰減程度與土層的力學(xué)性質(zhì)以及列車(chē)動(dòng)載大小等因素有關(guān)，一般認(rèn)為動(dòng)應(yīng)力的影響深度約4～7m。但當(dāng)基床下部有構(gòu)筑物時(shí)，動(dòng)應(yīng)力的傳播將發(fā)生較大變化。

③盾構(gòu)施工引起線路下沉，導(dǎo)致線路不平順加大輪軌間沖擊力，使路基內(nèi)動(dòng)應(yīng)力加大，土體動(dòng)荷載增加，則作用在地鐵隧道管片上的荷載增加，影響地鐵隧道的安全。

④該鐵路群列車(chē)行駛速度快、行車(chē)密度大，會(huì)加大列車(chē)動(dòng)載的作用，勢(shì)必引起路基面動(dòng)應(yīng)力的增大。

4 盾構(gòu)下穿鐵路群專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于原設(shè)計(jì)在盾構(gòu)過(guò)鐵路段僅采取對(duì)津山鐵路盾構(gòu)機(jī)下穿段進(jìn)行扣軌加固，對(duì)盾構(gòu)管片及掘進(jìn)施工未采取針對(duì)性專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證后，對(duì)過(guò)路段進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

①區(qū)間管片采用多孔加強(qiáng)型管片，在盾構(gòu)通過(guò)后通過(guò)管片開(kāi)孔向地層進(jìn)行深孔注漿，以加強(qiáng)補(bǔ)充地層損失。

②盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中采取盾體上方注入克泥效的方式，以減少掘進(jìn)過(guò)程中地層沉降。

③在盾構(gòu)同步注漿漿液中加入A、B 料，以改善漿液凝結(jié)時(shí)間，減少盾構(gòu)工后沉降。

④盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，在管片拖出盾尾4 環(huán)后同步進(jìn)行注入雙液漿，對(duì)地層進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充，減少地層沉降[3]。

5 數(shù)值模擬

針對(duì)盾構(gòu)區(qū)間下穿鐵路群進(jìn)行分析，數(shù)值計(jì)算采用PLAXIS 軟件，它可以模擬巖土或其他材料的力學(xué)行為。PLAXIS 將計(jì)算區(qū)域劃分為若干三角形單元，每個(gè)單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系，如果單元應(yīng)力使得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動(dòng)，則單元網(wǎng)格及結(jié)構(gòu)可以隨著材料的變形而變形。

5.1 盾構(gòu)區(qū)間下穿津山普鐵線路模擬分析

土體采用Mohr-Coloumb 模型，采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，參數(shù)按地勘資料選取。隧道襯砌按彈性模型，采用梁?jiǎn)卧M，材料參數(shù)按C50 混凝土取用。模型中除自重外，還有地面列車(chē)活載，列車(chē)活載采用特種活載模式，模擬全斷面開(kāi)挖土體，開(kāi)挖完畢后及進(jìn)拼裝管片。計(jì)算結(jié)果表明，盾構(gòu)穿越施工地層損失率為2‰時(shí)，盾構(gòu)隧道未采取措施時(shí)地表最大沉降8.7mm；采取洞內(nèi)二次深孔加強(qiáng)注漿后地表最大沉降3.4mm，小于沉降變形控制值10mm。

5.2 盾構(gòu)區(qū)間側(cè)穿鐵路高架模擬分析

土體采用Mohr-Coloumb 模型，采用15 節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬，參數(shù)按地勘資料選取。隧道襯砌及橋梁均按彈性模型，采用梁?jiǎn)卧M。隧道襯砌材料參數(shù)按C50 混凝土取用，橋梁及其樁基按其混凝土標(biāo)號(hào)選取參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，盾構(gòu)穿越施工地層損失率為2‰時(shí)，盾構(gòu)隧道未采取措施時(shí)鐵路橋樁基最大沉降3.2mm，最大水平位移2.5mm；采取洞內(nèi)二次深孔加強(qiáng)注漿后鐵路橋樁基最大沉降1.6mm，最大水平位移1.5mm。

6 盾構(gòu)下穿鐵路群關(guān)鍵施工技術(shù)措施

本工程除了采取設(shè)置試驗(yàn)段、控制推進(jìn)速度及盾構(gòu)姿態(tài)、合理設(shè)定土倉(cāng)壓力、嚴(yán)格控制出渣量等常規(guī)措施外，筆者認(rèn)為以下技術(shù)是本工程成功的關(guān)鍵措施所在。

6.1 克泥效的應(yīng)用

為有效控制盾構(gòu)土體損失率，減少對(duì)周?chē)馏w擾動(dòng)，并控制環(huán)境影響，采用克泥效工法。掘進(jìn)期間同步由盾構(gòu)機(jī)的徑向孔向盾構(gòu)機(jī)的盾體外注入克泥效，及時(shí)填充開(kāi)挖直徑和盾體之間的空隙。克泥效注入點(diǎn)位為1 點(diǎn)鐘位置與11 點(diǎn)鐘位置輪流注入，注入率在120%～130%。并根據(jù)地面同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整注入壓力和注入量[4]。

6.2 A、B 料的應(yīng)用

當(dāng)管片脫離盾尾后，為了盡快填充環(huán)形間隙使管片盡早支撐地層，防止地面變形過(guò)大而危及周?chē)h(huán)境安全，該項(xiàng)目在同步注漿時(shí)采用AB 料同步砂漿，通過(guò)縮短砂漿初凝時(shí)間達(dá)到脫出盾尾管片快速穩(wěn)定的目的，同時(shí)可有效控制管片上浮問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)每環(huán)同步砂漿中加入A、B 料各50kg，砂漿初凝時(shí)間由原先的2.5h 左右加快至30～40min 左右，使同步注漿達(dá)到最佳效果。

6.3 洞內(nèi)同步二次注漿技術(shù)的應(yīng)用

為保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，在盾構(gòu)穿越鐵路范圍內(nèi)，當(dāng)管片脫出5 環(huán)后及時(shí)組織二次注漿，二次注漿是控制地面后期沉降的主要技術(shù)措施，二次注漿通過(guò)二次注漿泵將水泥漿通過(guò)管片上預(yù)留的注漿孔注入管片與周?chē)馏w之間。

二次注漿采用單液漿與雙液漿相結(jié)合的方式進(jìn)行，雙液漿漿液配比∶水泥漿水灰比（重量比）為1 ∶1；注入時(shí)，漿液與水玻璃體積比為1 ∶1。

注入壓力控制在0.3MPa 以內(nèi)，二次注漿以地面沉降檢測(cè)情況為指導(dǎo)，保證持續(xù)對(duì)沉降進(jìn)行控制，注漿壓力逐步提升，先低后高、平穩(wěn)注入，并遵循“少量多次”的注入原則。

6.4 工后管片深孔注漿技術(shù)的應(yīng)用

為減少盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)既有鐵路周邊土體影響，以及后期沉降的產(chǎn)生。在隧道盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，通過(guò)管片增設(shè)注漿孔進(jìn)行工后深孔注漿加固處理。

深孔注漿在加固范圍內(nèi)由中間向兩側(cè)對(duì)稱注漿，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況多點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，注漿完畢后封閉注漿孔。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液由A 液（水+水泥），B液（水玻璃+水）組成。初凝時(shí)間控制在1min 以內(nèi)，結(jié)合監(jiān)測(cè)情況確定注漿次數(shù)和注入量。

6.5 全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息化施工技術(shù)

地表沉降監(jiān)測(cè)是盾構(gòu)信息化施工的重要組成部分，對(duì)優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，保證施工安全具有十分重要的意義。為了及時(shí)共享和反饋監(jiān)測(cè)成果，提高監(jiān)測(cè)信息管理與數(shù)據(jù)分析的效率，該項(xiàng)目采用全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。達(dá)到24h 實(shí)時(shí)監(jiān)控，并安排專(zhuān)人24h 值守監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整及二次注漿工作的組織。確保了盾構(gòu)安全、順利穿越鐵路段。

7 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目盾構(gòu)穿越鐵路施工于2021年4月15日開(kāi)始，至4月28日兩臺(tái)盾構(gòu)均安全快速完成涉鐵施工，過(guò)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完全滿足鐵路運(yùn)營(yíng)要求，受到了業(yè)主及鐵路部門(mén)的一致好評(píng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該區(qū)間最終監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示鐵路路基沉降僅0.65mm，高架結(jié)構(gòu)下沉僅0.33mm，幾乎達(dá)到0 沉降。工程風(fēng)險(xiǎn)無(wú)處不在，但只要我們采取正確的處理措施，做好充分準(zhǔn)備，就可實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。