李鎖在， 郭仁亮， 孫 博， 孔德森， 安鶴鵬

(1.中鐵三局集團(tuán) 第四工程有限公司， 北京 102300； 2.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590)

隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口不斷增加，對交通規(guī)模及其效率提出更高的要求。地鐵建設(shè)和鐵路建設(shè)蓬勃發(fā)展，同時地鐵隧道下穿運(yùn)營鐵路工程[1-4]也急劇增加。盾構(gòu)隧道的穿越施工影響機(jī)理復(fù)雜，會導(dǎo)致鐵路路基沉降及鐵路股道變形。因此，對于盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路的情況下，開展盾構(gòu)施工引起路基的沉降規(guī)律與控制研究具有十分重要的意義。

針對新建地鐵隧道地表和路基沉降與控制變形的研究，部分學(xué)者對傳統(tǒng)的Peck公示進(jìn)行了修正。陳春來等[5]基于Peck公式，對雙線水平平行盾構(gòu)隧道施工中土體損失引起的三維土體沉降計(jì)算方法進(jìn)行了研究；賈寶新等[6]在Peck公式中引入修正系數(shù)，使其適用于上軟下硬地層中隧道施工的地表沉降預(yù)測。部分學(xué)者通過數(shù)值模擬研究隧道下穿鐵路的沉降規(guī)律及變形控制。霍軍帥等[7]采用板+樁組合結(jié)構(gòu)的形式對地基進(jìn)行加固并進(jìn)行了安全性分析；仇文革等[8]研究砂卵石地層中盾構(gòu)下穿敏感區(qū)域時地表的沉降規(guī)律及控制措施；杜明芳等[9]研究了地鐵隧道不同斜向夾角下穿施工對鐵路沉降的影響；王文謙等[10]研究3種不同加固方案下大直徑盾構(gòu)下穿既有高鐵路基及軌道的變形控制效果和措施；郭現(xiàn)釗[11]對地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿廣深鐵路影響分析及防護(hù)措施進(jìn)行了研究；陳袁東[12]對大直徑盾構(gòu)隧道下穿鐵路線群沉降控制技術(shù)進(jìn)行了研究；杜虎[13]對不良地層下盾構(gòu)區(qū)間穿越既有鐵路技術(shù)進(jìn)行了研究；劉建友等[14]針對盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究；任建喜等[15]研究了黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)下穿鐵路變形控制技術(shù)。

盡管關(guān)于地鐵隧道下穿鐵路有著豐富的研究，但是大多數(shù)都是研究盾構(gòu)在土層中掘進(jìn)時既有鐵路路基沉降規(guī)律以及地層加固措施，缺乏盾構(gòu)在巖層中掘進(jìn)既有鐵路路基沉降和地層加固的研究。因此以青島地鐵2號線國際郵輪港站—泰山路站區(qū)間盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路為工程背景，通過ABAQUS軟件研究盾構(gòu)下穿鐵路的路基沉降規(guī)律，論證上部土層注漿加固和下部巖層全斷面帷幕注漿加固兩種方案的可行性。研究成果可為地鐵盾構(gòu)下穿既有鐵路施工時路基的沉降控制和鐵路的安全運(yùn)營提供參考依據(jù)。

1 工程概況

青島地鐵2號線一期工程的國際郵輪港站—泰山路站區(qū)間位于青島市市南區(qū)，本區(qū)間起訖里程為：右線YCK24+177.400～YCK24+668.290，全長為490.89 m；左線ZCK24+177.400～ZCK24+661.706，全長為499.552 m。在此區(qū)間的K24+450～K24+490段盾構(gòu)隧道以40°角下穿既有膠濟(jì)鐵路，平面曲線半徑為350 m，下穿長度約為40 m。盾構(gòu)隧道為雙洞單線隧道，左右線并行。盾構(gòu)隧道下穿既有膠濟(jì)鐵路平面關(guān)系如圖1所示。

圖1 地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有膠濟(jì)鐵路平面關(guān)系

圖2 盾構(gòu)下穿既有鐵路位置關(guān)系與地層分布

工程線路揭露地下水類型主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，其中第四系潛水主要分布在濱海岸灘及侵蝕堆積緩坡地貌單元，基巖裂隙水主要分布在剝蝕斜坡地貌單元。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型尺寸

數(shù)值模擬選用ABAQUS有限元軟件，分析盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路路基沉降規(guī)律，研究不同加固方案對鐵路路基沉降的作用。模型分為6個部件，分別為巖土體、路基、襯砌、等代層、盾構(gòu)、鐵軌。盾構(gòu)下穿鐵路區(qū)間隧道頂部距地表約18 m，隧道下部地層取3倍洞徑，最終取土體高度為40 m?？紤]邊界效應(yīng)以及路基的影響，土體寬度取80 m，長度取130 m。路基填土高度為3.5 m，上寬25 m，下寬30 m；路基道砟層高度為0.5 m，上寬19 m，下寬20 m。隧道開挖直徑為6.3 m，襯砌采用厚度為300 mm的C50混凝土管片，等代層厚度為150 mm。數(shù)值模擬模型如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬模型圖

2.2 模型參數(shù)與邊界條件

數(shù)值模擬模型中的巖土體、路基和加固土體采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，襯砌、等代層、盾構(gòu)、鐵軌采用彈性本構(gòu)模型。總結(jié)地勘報(bào)告、青島地區(qū)相關(guān)工程[16-17]經(jīng)驗(yàn)以及膠濟(jì)鐵路相關(guān)工程[18]經(jīng)驗(yàn)，確定了地層、鐵路路基和加固土體的參數(shù)。由于襯砌是由管片拼接而成，對其彈性模量折減20%。模型參數(shù)列于表1和表2。

模型中巖土體的前后兩面限制x方向的位移，左右兩面限制y方向上的位移，底面限制z方向的位移。路基的左右兩面限制y方向的位移。

表1 地層和路基結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 加固區(qū)及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3 模型建立

為分析盾構(gòu)下穿鐵路時在破碎帶影響下的沉降規(guī)律和驗(yàn)證不同地層加固措施的可行性，數(shù)值模擬過程中建立了以下3個模型。

模型1：在安裝管片和盾構(gòu)盾尾注漿的情況下盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路。

模型2：在安裝管片和盾構(gòu)盾尾注漿的前提下，對上部土層注漿加固后盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路。

模型3：在安裝管片和盾構(gòu)盾尾注漿的前提下，對下部巖層全斷面帷幕注漿加固后盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路。

3 地層加固前數(shù)值計(jì)算結(jié)果

由于地層的復(fù)雜性和鐵路路基的多樣性，目前為止還沒有一套成熟的鐵路路基沉降標(biāo)準(zhǔn)；但隨著學(xué)者們的深入研究，沉降控制標(biāo)準(zhǔn)在不斷提高。根據(jù)《鐵路線路維修規(guī)則》和婁國充[19]基于平順性要求的最大允許沉降變形標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合膠濟(jì)鐵路運(yùn)營速度、隧道埋深、隧道類型，最終確定路基表面沉降控制在3.8 mm以內(nèi)。

一般認(rèn)為，軌道在沿鐵路方向可看作是無限長的柔性結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為軌道的變形與路基地表變形是一致的，所以主要是研究路基表面沉降。下穿區(qū)段鐵路路基一共4條鐵路干線，取這4條路線作為數(shù)值模擬的監(jiān)測線。比對4條監(jiān)測線的沉降差異，分析破碎帶對于鐵路路基沉降的影響，研究不同加固方式對鐵路路基沉降的作用。數(shù)值模擬4條監(jiān)測線的俯視圖如圖4所示。

圖4 數(shù)值模擬監(jiān)測線俯視圖

模型1的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果和路基沉降云圖分別如圖5和圖6所示。由圖可見，在沒有地層加固的情況下出現(xiàn)的沉降槽是典型的Peck沉降曲線。由于兩隧道間距較近，沉降槽呈“U”形。監(jiān)測線1～4的路基最大沉降值依次為4.4、4.7、5.0、5.2 mm。監(jiān)測線1～4的沉降值依次增大，這是由于路基下方地層中的破碎帶分布不均，盾構(gòu)在K24+450～K24+490段下穿既有膠濟(jì)鐵路，但是僅在K24+469～K24+510存在破碎帶。監(jiān)測4最大沉降值在兩隧道中心線處，監(jiān)測線1～3最大沉降值位于兩隧道中心線的左側(cè)3 m處。監(jiān)測線 1～3最大沉降值偏中心線左側(cè)，除上述破碎帶分布不均的原因外，盾構(gòu)與膠濟(jì)鐵路并不垂直而是呈45°角也是原因之一。

圖5 模型1的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 模型1路基沉降云圖

綜上所述，在未進(jìn)行地層加固的情況下，路基的沉降分布不均且大于安全警戒值4 mm，無法保證膠濟(jì)鐵路運(yùn)營的平順性及安全性。

4 盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路區(qū)段地層加固措施

根據(jù)模型1數(shù)值模擬的結(jié)果可知，在沒有地層加固措施的情況下，盾構(gòu)下穿施工會影響膠濟(jì)鐵路的平順性及安全性；同時膠濟(jì)鐵路作為青島市的重要交通路線，保證膠濟(jì)鐵路的安全運(yùn)營成為青島地鐵2號線的工作重點(diǎn)。根據(jù)青島地層上軟下硬的工程特點(diǎn)，同時借鑒相關(guān)工程[10，20-21]經(jīng)驗(yàn)，在原有的管片支護(hù)前提下對路基下方地層進(jìn)行加固。最終選取了兩種合適的加固方案，一種是針對上部素填土和粗粒砂的注漿加固，另一種是針對中風(fēng)化花崗巖尤其是破碎帶的下部巖層全斷面帷幕注漿加固。

4.1 上部土層注漿加固

青島地區(qū)屬于典型的上軟下硬地層，針對上部素填土和粗粒砂地層在盾構(gòu)施工前進(jìn)行地面注漿加固，增強(qiáng)地層的強(qiáng)度和黏聚力，降低盾構(gòu)施工引起的沉降，加強(qiáng)路基基礎(chǔ)的整體性和穩(wěn)定性。漿液采用水泥+水玻璃雙漿液，注漿壓力為0.15～0.2 MPa。根據(jù)盾構(gòu)施工的影響范圍，注漿加固區(qū)域的深度為素填土和粗粒砂地層共7 m，寬度為兩側(cè)隧道邊線外延29 m，長度為鐵路路基底部邊線外延40 m。上部土層加固方案如圖7所示。

4.2 下部巖層全斷面帷幕注漿加固

盾構(gòu)在鐵路路基下部穿越中風(fēng)化花崗巖和破碎帶，中分化花崗巖均一性一般，破碎帶強(qiáng)度和黏聚力較低，為了降低路基的沉降和保證鐵路的安全運(yùn)營，對隧道圍巖注漿加固。為了盡可能減少盾構(gòu)施工對膠濟(jì)鐵路運(yùn)營的影響，在盾構(gòu)施工前從地表對隧道圍巖進(jìn)行全斷面帷幕注漿加固。漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，注漿壓力為1.5～3 MPa。注漿加固區(qū)域深度為從隧道上下邊線各外延3 m，寬度從左線隧道邊線外3 m處至右線隧道邊線外3 m處，長度為鐵路路基底部邊線外延40 m。全斷面帷幕注漿加固方案如圖8所示。

圖7 上部土層加固剖面圖

圖8 全斷面帷幕注漿加固剖面圖

5 地層加固后數(shù)值計(jì)算結(jié)果

5.1 上部土層注漿加固后數(shù)值計(jì)算結(jié)果

模型2的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果和路基沉降云圖分別如圖9和圖10所示。由圖可見，在上部土層加固的情況下沉降槽依然為“U”形的Peck沉降曲線。路基沉降值均大于2.5 mm，同時小于安全警戒值4 mm；監(jiān)測線1～4的最大沉降值分別為2.8、3.0、3.2、3.4 mm。路基整體的最大沉降值出現(xiàn)在相對于兩隧道中心線的左側(cè)。

圖9 模型2的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果

圖10 模型2路基沉降云圖

5.2 下部巖體注漿加固后數(shù)值計(jì)算結(jié)果

模型3的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果和路基沉降云圖分別如圖11和圖12所示。由圖可見，在全斷面帷幕加固的情況下沉降槽依然為“U”形的Peck沉降曲線，與模型1相比較，模型2曲線更加平緩。路基沉降值均大于1.5 mm，遠(yuǎn)小于安全警戒值4 mm；監(jiān)測線1～4的最大沉降值分別為1.65、1.7、1.75、1.8 mm，路基整體的沉降趨于一致。路基的最大沉降值出現(xiàn)在相對于兩隧道中心線的左側(cè)。

圖11 模型3的4條監(jiān)測線數(shù)值模擬結(jié)果

圖12 模型3路基沉降云圖

5.3 地層加固前后數(shù)值計(jì)算結(jié)果對比分析

地層加固前后數(shù)值計(jì)算結(jié)果列于表3。通過對比可得：模型2與模型1相比，路基的最大沉降值降低了1.8 mm，監(jiān)測線1～4沉降分別降低41%、38%、36%、35%；模型3與模型1相比，監(jiān)測線1～4的最大沉降值分別降低了66%、64%、65%、65%；模型3與模型2相比，各監(jiān)測線沉降值降低率更加平均。綜上，分別對上部土體和下部巖體加固后，鐵路路基沉降有了明顯的降低，利于鐵路的安全運(yùn)營；下部巖體加固與上部土體加固相比，沉降更低且差異小，更利于鐵路的平順性。

表3 地層加固前后數(shù)值計(jì)算結(jié)果

單位：mm

6 結(jié)論

以青島地鐵2號線盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路為工程背景，通過ABAQUS軟件對地層未加固、上部土體加固、下部巖層全斷面帷幕注漿加固3種模型進(jìn)行模擬，得到以下結(jié)論：

1)盾構(gòu)下穿膠濟(jì)鐵路過程中，破碎帶的存在對于路基沉降有著顯著的影響；同時由于破碎帶的分布不均和鐵路與盾構(gòu)隧道的夾角關(guān)系，引發(fā)了路基的不均勻沉降，對于鐵路安全運(yùn)營存在不利影響。

2)盾構(gòu)在硬巖中掘進(jìn)相較于以往盾構(gòu)在土層中掘進(jìn)，路基的沉降值明顯降低；但隨著高速鐵路的控制標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，不進(jìn)行地層加固已經(jīng)不能滿足鐵路對于安全性和平順性的要求。

3)青島地層是典型的上軟下硬結(jié)構(gòu)，通過對上部較軟土層進(jìn)行注漿加固使路基沉降降低了約40%，既滿足了安全運(yùn)營要求又節(jié)約成本，證實(shí)了對上部土層注漿加固的可行性。

4)通過對下部巖體尤其是破碎帶的加固使路基沉降有了明顯的降低，降低了約65%，不僅滿足鐵路安全運(yùn)營要求，同時有利于鐵路的平順性，但是存在施工難度大和施工成本較高的缺點(diǎn)。

5)通過研究盾構(gòu)在上軟下硬并夾雜破碎帶的地層掘進(jìn)對既有路基的影響，提出了合理的加固措施，為后續(xù)類似工程提供參考。