楊 洋，繆春遠(yuǎn)，李敬余，張 航，劉頁(yè)龍，朱開(kāi)新

（1.中鐵九局集團(tuán)第四工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110013；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第十七標(biāo)段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置有5 處隧道穿越鐵路線路的工程，風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)均為二級(jí)。在盾構(gòu)穿越鐵路橋梁樁基過(guò)程中，保證盾構(gòu)隧道安全順利且能合理地控制鐵路路基沉降和橋梁結(jié)構(gòu)變形在合理的范圍內(nèi)是本工程擬解決的重點(diǎn)問(wèn)題之一。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工將引起地層土地反復(fù)擾動(dòng)甚至造成累次疊加引起地表沉降變形[1]。在盾構(gòu)連續(xù)穿越高鐵橋梁樁基時(shí)更容易影響樁基的穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生高鐵路基沉降或者橋梁結(jié)構(gòu)變形，威脅高鐵運(yùn)營(yíng)安全[2-3]。潘紅寶等[4]采用有限差分軟件FLAC3D 對(duì)有、無(wú)隔離樁2 種工況下深基坑開(kāi)挖施工進(jìn)行了全過(guò)程動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)旁側(cè)既有地鐵隧道變形影響及隔離樁的控制效果；何晟亞等[5]采用MIDAS GTSNX 建模分析計(jì)算，研究了深圳地鐵12號(hào)線和平站主體基坑下穿城際鐵路時(shí)無(wú)防護(hù)措施、隔離樁、旋噴樁土體加固以及隔離樁與旋噴樁聯(lián)合加固措施等4 種工況下地連墻與基坑兩側(cè)橋墩的水平位移變化規(guī)律，認(rèn)為隔離樁與旋噴樁土體改良加固更適用于已有鐵路高價(jià)下基坑開(kāi)挖變形控制。

綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行了分析與研究，在盾構(gòu)下穿高鐵橋梁樁基變形控制方面取得了豐碩的成果。但TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》[6]規(guī)定無(wú)砟軌道墩臺(tái)位移限值為2 mm，變形控制難度極大，特別是沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第十七標(biāo)段在RDK1+547—RDK1+670 里程位置曲線半徑為300 m，且穿越地層以圓礫地層為主，面臨施工參數(shù)難確定，施工質(zhì)量難控制等技術(shù)難題。因此，以沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第十七合同段盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，基于盾構(gòu)土倉(cāng)壓力理論計(jì)算、出土量、同步注漿能力及二次注漿能力及注漿量，分別計(jì)算了盾構(gòu)最大壓力值、盾構(gòu)出土量、同步和二次注漿參數(shù)等。利用有限元分析軟件MIDAS GTS 建立盾構(gòu)連續(xù)下穿高鐵橋梁樁基數(shù)值計(jì)算模型，研究了盾構(gòu)穿越施工有無(wú)隔離樁時(shí)高架橋下地表沉降、橋墩承臺(tái)沉降和地表沉降時(shí)程演化規(guī)律，為圓礫地層小半徑曲線盾構(gòu)施工提供了數(shù)據(jù)支撐，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 工程概況

沈陽(yáng)地鐵四號(hào)線第十七合同段停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間入場(chǎng)線平面線路包括直線段，R=300 m、450 m和800 m 的不同半徑的圓曲線段及緩和曲線段。左線包括直線段，R=1 200 m、300 m、450 m 和800 m 的圓曲線段及緩和曲線段。線路間距為11 m、13 m、20.94 m、33.75 m、15.66 m、9.7 m，如圖1 所示。盾構(gòu)上部覆土厚度為6.6～21.4 m，穿越土層主要為粗砂、礫砂、圓礫和粉質(zhì)黏土層。盾構(gòu)區(qū)間雙線下穿動(dòng)車入段線、沈丹客專、哈大客專、沈丹上行疏解線、動(dòng)車出段線，其中入場(chǎng)線在里程RDK1+524.196 進(jìn)入動(dòng)車入段線20 m 影響范圍，如圖2 所示。

圖1 工程平面示意圖

圖2 側(cè)穿動(dòng)車入段線21—23 號(hào)墩橫斷面圖

2 圓礫地層連續(xù)下穿越既有高鐵盾構(gòu)參數(shù)

2.1 土倉(cāng)壓力

土倉(cāng)壓力按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式（1）中：γw為水的容重，γw=10 kN/m3；h為地下水位高度，h=1.7 m（最淺處0.258 m）；K0為側(cè)向土壓力系數(shù)，K0=1-sinφ=0.34；γ為土的容重，γ=19.5 kN/m3。

經(jīng)計(jì)算得，該段土倉(cāng)最大壓力值為Pmax=116 kPa=1.16 bar。

2.2 推進(jìn)速度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[7]，圓礫地層穿越既有線路時(shí)推進(jìn)速度v宜控制在40～60 mm/min。

2.3 出土量

每環(huán)理論出土量為L(zhǎng)mD2π/4，其中，管片長(zhǎng)度L=1.2 m；渣土改良、水、土體密度不均等的系數(shù)m=1.2；盾構(gòu)外徑D=6.28 m。將取值代入公式得：LmD2π/4=1.2×1.2×6.282×3.14/4=48 m3。

實(shí)際出土量按照理論出土量的95%，控制在46 m3，圓礫地層穿越既有線路時(shí)，每環(huán)出土量偏差不超過(guò)1 m3。

2.4 同步注漿量

盾構(gòu)掘進(jìn)1 環(huán)（1.2 m）環(huán)形間隙理論體積按式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式（2）中：Q1為環(huán)間隙理論體積，m3；R和r分別為掘進(jìn)半徑和設(shè)計(jì)半徑，R=3.14 m、r=3.0 m。

注漿量為環(huán)形間隙理論體積的2 倍。則每環(huán)的注漿量Q2=2×3.24=6.48 m3；每環(huán)同步注漿時(shí)間應(yīng)與掘進(jìn)時(shí)間相同，則每環(huán)注漿時(shí)間t=l/v=1.2 m÷0.06 m/min=20 min。在盾構(gòu)始發(fā)階段該標(biāo)段注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，在施工過(guò)程中根據(jù)掘進(jìn)情況調(diào)整注漿壓力。

2.5 二次注漿

漿液為水泥、水玻璃雙液漿，水泥漿的水灰比為0.8～1.0；水玻璃與水以1∶1.5 進(jìn)行稀釋；注入時(shí)，水泥漿∶水玻璃=1∶1，注漿壓力P=0.3～0.5 MPa。

3 盾構(gòu)連續(xù)下穿鐵路數(shù)值仿真分析

3.1 數(shù)值模型建立

依據(jù)盾構(gòu)隧道與動(dòng)車入段線、哈大高鐵、沈丹客專、沈丹上行疏解線和動(dòng)車出段線的空間位置關(guān)系，利用有限元數(shù)值模擬軟件Midas GTS 建立三維數(shù)值計(jì)算模型，如圖3 所示。

圖3 有限元數(shù)值計(jì)算模型

為消除邊界效應(yīng)的影響，模型范圍取隧道結(jié)構(gòu)外不小于5D長(zhǎng)度范圍。模型采用雙線先后施工，先施工右線隧道，后施工左線隧道，施工方向均為由北向南掘進(jìn)。雙線分別為31 步施工完畢，每次施工步掌子面均推進(jìn)2.4 m，下穿鐵路段左右線施工時(shí)間上沒(méi)有交叉。

3.2 模型參數(shù)

模型中圓礫地層采用Druck-Prager 理想塑性模型，粗砂和黏土層采用Mohr-Coulomb 模型。高鐵路基鋼軌、軌枕和鐵路橋樁采用1D 結(jié)構(gòu)單元；道床、路基、鐵路橋梁、橋墩和承臺(tái)均采用3D 實(shí)體單元；盾構(gòu)管片選取3D 實(shí)體單元，管片混凝土彈性模量Esc=0.8E，其中E為混凝土的彈性模量。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 高鐵橋下地表沉降

圖4 為有、無(wú)隔離樁2 種工況條件下盾構(gòu)穿越高鐵橋梁樁基施工完成后高鐵橋梁下地表沉降曲線。從圖4 可以看出，隧道施工完成后，無(wú)隔離樁時(shí)，地表最大沉降量為25.9 mm，出現(xiàn)在11#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，為盾構(gòu)拱頂?shù)乇沓两当O(jiān)測(cè)點(diǎn)。設(shè)置隔離樁時(shí)，地表最大沉降量為9.97 mm，也出現(xiàn)在11#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。設(shè)置隔離樁后地表最大沉降減少159%。這說(shuō)明采用隔離樁通過(guò)隔斷土層破裂面的發(fā)展方向，減小了盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地表沉降的影響，隔離樁對(duì)減輕盾構(gòu)對(duì)橋梁樁基的影響和減小地表沉降具有良好的控制作用。其后變形有一定的隆起，這是因?yàn)槎軜?gòu)穿越施工過(guò)程中采用同步注漿、二次注漿和多次補(bǔ)漿技術(shù)，當(dāng)盾構(gòu)穿越時(shí)，該測(cè)點(diǎn)會(huì)引起一定范圍土體的下沉，其后由于注漿補(bǔ)液作用下沉部分土體會(huì)產(chǎn)生一定的回彈，所在盾構(gòu)通過(guò)后，地表沉降會(huì)產(chǎn)生一定的反彈。施工完成后，無(wú)隔離樁時(shí)16 號(hào)樁基沉降值為6.6 mm，設(shè)置隔離樁時(shí)地表沉降為7.3 mm，二者相差10.6%。

圖4 高鐵橋下地表沉降

3.3.2 橋墩承臺(tái)沉降

設(shè)置隔離樁時(shí)，在隧道施工完成后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算得到的各橋墩承臺(tái)的最大沉降量如圖5所示。從圖5 可以看出靠近盾構(gòu)雙線內(nèi)側(cè)的橋墩承臺(tái)因?yàn)槭茈p線的影響，其沉降量要大于盾構(gòu)雙線兩側(cè)橋墩承臺(tái)的沉降。最大沉降量為0.89 mm，為11 號(hào)橋臺(tái)，為沈丹上行疏解線對(duì)應(yīng)的中間承臺(tái)；最小沉降量為0.26 mm，為9 號(hào)橋臺(tái)，為哈大高鐵對(duì)應(yīng)的左線外側(cè)承臺(tái)。其沉降值滿足TB 10182—2017《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于橋梁墩臺(tái)頂部豎向位移不得超過(guò)2 mm 的規(guī)定。

圖5 各橋墩承臺(tái)最大沉降量對(duì)比

4 結(jié)論

以沈陽(yáng)地鐵第十七合同段停車場(chǎng)出入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間入場(chǎng)線盾構(gòu)區(qū)間為工程背景，采用盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)理論分析、有限元數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)地表沉降和橋墩承臺(tái)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，研究了隔離樁布置、土壓力、推進(jìn)速度、出土量、同步和二次注漿壓力和注漿量等參數(shù)，主要研究結(jié)論如下。

采用試驗(yàn)段理論計(jì)算出了土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、出土量、同步注漿能力和注漿量、二次注漿壓力及注漿量和出渣口閘門(mén)防噴涌等盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，給出了試驗(yàn)段盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)及控制措施。

利用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS GTS 建立盾構(gòu)隧道連續(xù)下穿高鐵橋梁樁基數(shù)值計(jì)算模型，研究了有無(wú)隔離樁施工時(shí)高鐵橋下地表和橋墩承臺(tái)沉降規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：設(shè)置隔離樁后地表最大沉降減少159%，橋墩承臺(tái)最大沉降量為0.89 mm，滿足規(guī)范要求。