宋月光

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

隨著軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展,地鐵盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基工程逐步增多。 目前,針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基已開展了大量的研究工作,這些研究主要集中在以下2 個(gè)方面:①利用理論分析[1-3]、數(shù)值計(jì)算[4-7]、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析[8]等方法對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的沉降變化規(guī)律、鋼軌變形[9]、加固措施[10-12]等進(jìn)行研究;②采用風(fēng)險(xiǎn)分析[13-15]、專家調(diào)查及層次分析[16]等方法對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的工程風(fēng)險(xiǎn)及控制措施進(jìn)行分析研究。 蔡小培等對(duì)盾構(gòu)下穿施工引起高速鐵路軌道的變形特征進(jìn)行研究[17];徐干成等采用數(shù)值分析的方法對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基的地表沉降進(jìn)行三維仿真數(shù)值模擬[18-19];韓學(xué)芳對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基采用“混凝土板+鉆孔樁+CFG樁”聯(lián)合加固措施控制路基變形的有效性進(jìn)行分析[20];孫連勇等利用數(shù)值計(jì)算的方法分析注漿加固和不注漿加固2 種工況下的鐵路路基變形特征[21];劉建友等基于統(tǒng)計(jì)分析提出盾構(gòu)下穿高速鐵路路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的確定方法[22]。 現(xiàn)有研究基本都基于已定線路走向、埋深和開挖順序條件下,對(duì)隧道施工及鐵路路基的影響進(jìn)行分析研究,而對(duì)不同埋深及開挖順序條件下,盾構(gòu)隧道施工引起的高速鐵路路基沉降變化規(guī)律的研究較少。

為降低隧道下穿高速鐵路路基的施工風(fēng)險(xiǎn),并控制工程投資,結(jié)合北京地鐵昌平線南延工程盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿京張高鐵路基工程,對(duì)盾構(gòu)隧道小角度下穿高鐵路基在不同隧道埋深條件下的路基沉降變化規(guī)律、合適的隧道覆土厚度、左右線隧道開挖順序?qū)β坊两档挠绊?、加固措施等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究,以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

北京地鐵昌平線南延盾構(gòu)區(qū)間下穿京張高鐵路基段,區(qū)間與鐵路交角21o。 京張高鐵是國(guó)家高速鐵路網(wǎng)的重要組成部分,最高設(shè)計(jì)速度350 km/h,下穿段位于北京市區(qū)范圍內(nèi),設(shè)計(jì)速度200 km/h。 下穿段京張高鐵線間距4 m,路基采用土質(zhì)邊坡路基,寬12.8 m、高1 m,采用A、B 組料,道床采用聚氨酯固化。區(qū)間隧道與鐵路平面位置關(guān)系見圖1,鐵路路基橫斷面見圖2。

圖1 區(qū)間隧道與京張高鐵平面位置關(guān)系(單位:m)

圖2 京張高鐵路基橫斷面(單位:m)

地鐵區(qū)間隧道線間距17 m,采用盾構(gòu)法施工,盾構(gòu)管片直徑6 m、厚0.3 m。 下穿段地層情況如下:素填土、粉細(xì)砂、卵石圓礫、粉質(zhì)黏土、卵石圓礫、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土。 地下水分2 層,一層為潛水層,水位位于地面以下7 m;二層為微承壓水層,承壓水頭位于地面以下13.1 m。 區(qū)間隧道與鐵路立面位置關(guān)系及地層分布情況見圖3。

圖3 地鐵區(qū)間隧道與京張高鐵立面位置關(guān)系(單位:m)

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型與參數(shù)

有限元計(jì)算軟件采用MIDAS GTS NX,計(jì)算模型尺寸綜合考慮區(qū)間隧道施工對(duì)鐵路路基的影響范圍及隧道與鐵路路基的相對(duì)位置關(guān)系,模型尺寸為310 m(長(zhǎng))×100 m(寬)×60 m(深)。 開挖直徑取6.28 m,盾構(gòu)直徑取6 m,盾構(gòu)背后空隙注漿填充,注漿層采用實(shí)體單元;鐵路路基、聚氨酯固化道床、土體等均采用實(shí)體單元;除聚氨酯固化道床采用理想線彈性模型外,其余實(shí)體單元采用滿足修正摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型。 隧道管片及盾殼采用板單元、理想線彈性模型。 列車荷載采用ZK 荷載。 模型約束情況:模型四周施加水平位移約束,模型底部為豎向固定位移約束,地表不施加約束。 計(jì)算模型見圖4。

圖4 計(jì)算模型

各層土、鐵路路基及管片背后注漿層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1、表2。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

續(xù)表1

表2 地層剛度及彈性模量參數(shù)MPa

模型其他材料物理力學(xué)參數(shù)取值見表3。

表3 模型其他材料物理力學(xué)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)施工模擬

盾構(gòu)施工每開挖步進(jìn)尺1.2 m,具體施工步驟如下:①初始應(yīng)力計(jì)算并位移清零;②鈍化第一開挖步盾構(gòu)隧道及管片背后注漿層范圍內(nèi)土體單元,激活本開挖步盾殼單元,同時(shí)在開挖面上施加法向力以維持開挖面受力平衡;③鈍化盾殼及開挖面法向力,激活本開挖步管片及背后注漿層,模擬管片安裝及背后注漿,同時(shí)重復(fù)“②”中過程,完成第二開挖步隧道開挖;④重復(fù)“②、③”過程,循環(huán)完成整個(gè)隧道施工。

3 隧道不同埋深對(duì)鐵路路基沉降影響分析

為分析不同隧道埋深對(duì)鐵路路基沉降的影響,分別對(duì)隧道拱頂覆土9,12,15,18,21,24 m 等6 種工況下隧道施工引起的鐵路路基沉降進(jìn)行計(jì)算分析,按先開挖左線后開挖右線考慮。 穿越鐵路段左右線隧道全部施工完成后,沿鐵路線路方向路基中心線處斷面各工況路基最終沉降曲線見圖5。

圖5 不同覆土工況鐵路路基沉降槽曲線

從圖5 可以看出,當(dāng)隧道覆土厚度9 m 時(shí),路基沉降曲線整體呈“W”形,低點(diǎn)多位于隧道左右線上方,路基最大沉降點(diǎn)位于地鐵左線隧道上方(先施工隧道);當(dāng)隧道覆土厚度12 m 時(shí),路基沉降曲線仍大致呈“W”形,但“W”形已不明顯,“W”形底部范圍縮減顯著,底部范圍由覆土9 m 時(shí)的位于左右線隧道上方,縮減至位于左右線隧道中間區(qū)域中線兩側(cè)很小范圍,路基最大沉降點(diǎn)靠近左線隧道(先施工隧道);當(dāng)隧道覆土厚度＞12 m 時(shí),路基沉降曲線整體呈“V”形,低點(diǎn)基本位于左右線隧道中間區(qū)域中線附近。

各工況路基最大沉降值見表4。

表4 不同隧道覆土厚度路基最大沉降值

由表4 可以看出,隨著隧道覆土厚度的增加,路基最大沉降值不斷減小,當(dāng)隧道覆土厚度≤18 m 時(shí),覆土9,12,15,18 m 各工況間鐵路路基最大沉降值差值依次為0.63,0.53,0.43 mm,沉降變化幅度依次為7.7%、7%、6.1%;當(dāng)隧道覆土厚度＞18 m 時(shí),各工況最大沉降差值依次為0.22,0.04 mm,沉降變化幅度依次為3.3%、0.63%。 從以上變化規(guī)律可以看出,當(dāng)隧道覆土厚度≤18 m 時(shí),隨著隧道覆土厚度的增加,沉降衰減幅度較大,沉降值變化較為明顯;當(dāng)隧道覆土厚度＞18 m 時(shí),隨著隧道覆土厚度的增加,沉降衰減幅度不斷降低,沉降值變化不明顯,當(dāng)覆土厚度＞21 m,沉降值已基本無變化。

4 隧道覆土厚度確定

根據(jù)隧道不同埋深對(duì)鐵路路基沉降影響分析,隧道覆土厚度越大,路基沉降值越小,對(duì)鐵路路基保護(hù)越有利,當(dāng)隧道覆土厚度＞3D(D為盾構(gòu)隧道直徑,即18 m)時(shí),再進(jìn)一步增加隧道埋深,對(duì)鐵路路基沉降影響已經(jīng)很小,從工程角度出發(fā),可認(rèn)為基本無影響。 同時(shí),如區(qū)間線路坡度調(diào)整困難,覆土厚度增大會(huì)引起區(qū)間兩側(cè)車站埋深增加,從而增加工程投資。 因此,下穿鐵路段隧道覆土厚度建議按以下原則確定:①線路條件允許,隧道覆土厚度控制在3D左右較為適宜;②線路條件受限,隧道覆土厚度應(yīng)綜合考慮工程投資、實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)、變形控制要求等因素對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行深入比選。以本工程為例,下穿鐵路位置距區(qū)間兩側(cè)車站較遠(yuǎn),區(qū)間隧道覆土按3D控制,對(duì)區(qū)間兩側(cè)車站埋深基本無影響,

綜合考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性,本工程下穿鐵路段隧道覆土厚度按18 m 控制。

5 隧道不同開挖順序?qū)﹁F路路基沉降影響分析

為研究隧道不同開挖順序?qū)﹁F路路基沉降的影響,在隧道覆土9,12,15,18 m 條件下,分別對(duì)先開挖左線后開挖右線、先開挖右線后開挖左線2 種工況下隧道施工引起鐵路路基沉降進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見圖6～圖9。

圖6 覆土9 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖7 覆土12 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖8 覆土15 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

圖9 覆土18 m 不同開挖順序鐵路路基沉降槽曲線

各覆土條件下,路基最大沉降值見表5。

表5 各工況下不同覆土厚度路基最大沉降值mm

由表5 可知,基于隧道與路基的相對(duì)位置關(guān)系,隧道在不同覆土厚度條件下,先開挖右線后開挖左線引起的路基最大沉降數(shù)值均小于先開挖左線后開挖右線所引起的數(shù)值;不同開挖順序最大沉降差值依次為0.34,0.05,0.03,0.02 mm,隨著覆土厚度的增加,沉降差值快速衰減,當(dāng)隧道覆土厚度≥12 m 時(shí),兩者差值已經(jīng)很小,沉降數(shù)值基本相當(dāng)。 從鐵路路基沉降曲線看,同一覆土條件下,不同開挖順序路基沉降曲線形態(tài)基本一致,隨著覆土厚度增大,路基沉降曲線的形態(tài)變化規(guī)律與“3 章”中的變化規(guī)律也基本一致。

6 加固措施對(duì)鐵路路基沉降影響分析

通過前述分析,隧道覆土18 m,先開挖右線后開挖左線方案較為合理,此時(shí),鐵路路基沉降最大值6.60 mm,不滿足鐵路主管部門提出的路基沉降控制值5 mm 要求。 為滿足沉降控制指標(biāo)要求,對(duì)隧道周邊土體進(jìn)行注漿加固。 注漿加固范圍:平面為盾構(gòu)隧道輪廓外5 m,立面為隧道拱頂以上5 m、基底以下1.5 m,漿液采用水泥水玻璃雙液漿。 采用先注周邊后注中間、跳孔間隔注漿,注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力,注漿壓力以水泥漿液能順利注入為原則,盡量采用較小的注漿壓力,防止因注漿壓力控制不當(dāng)引起路基隆起,確保鐵路正常運(yùn)營(yíng)[23]。 加固設(shè)計(jì)平、立面見圖10、圖11。

圖10 注漿加固平面(單位:m)

圖11 注漿加固立面(單位:m)

為驗(yàn)證工程措施的有效性,對(duì)采取土體加固措施后隧道施工引起路基沉降進(jìn)行計(jì)算分析,并與未采取加固措施的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見12。 采取加固措施后路基沉降曲線整體仍呈“V”形,低點(diǎn)仍位于左右線隧道中間區(qū)域;采取注漿加固措施后,路基最大沉降值3.8 mm,相較于未采取加固措施沉降值減小約42%,沉降值大幅降低,且路基最大沉降滿足變形控制指標(biāo)要求。

圖12 注漿加固與未注漿加固鐵路路基沉降槽曲線

7 與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

為確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全,及時(shí)掌握鐵路變形情況,施工時(shí)制定鐵路專項(xiàng)監(jiān)測(cè)方案,監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面間距5 m,采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)值對(duì)比情況見圖13。

圖13 實(shí)測(cè)與模型預(yù)測(cè)鐵路路基沉降槽曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 鐵路路基最大沉降為3.62 mm,與預(yù)測(cè)值3.8 mm 相差0.18 mm,差值比率4.97%,在誤差允許范圍之內(nèi)。 實(shí)測(cè)最大值點(diǎn)與預(yù)測(cè)最大值點(diǎn)偏差2 m 左右,這主要是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)間距按5 m布置,在沉降最大值點(diǎn)處并未布置測(cè)點(diǎn),但實(shí)測(cè)最大值點(diǎn)是與預(yù)測(cè)最大值點(diǎn)距離最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn),從而說明預(yù)測(cè)峰值點(diǎn)位置也基本準(zhǔn)確。 從曲線形態(tài)上看,實(shí)測(cè)沉降曲線與計(jì)算預(yù)測(cè)沉降曲線形態(tài)基本一致,都呈“V”形。 綜上,理論分析模型及成果與現(xiàn)場(chǎng)施工情況基本匹配,所采取的工程措施安全可靠。

8 結(jié)論

目前,本次研究依托工程已實(shí)施完成,鐵路路基沉降數(shù)值與設(shè)計(jì)預(yù)期值基本相符,鐵路運(yùn)行狀況良好,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 主要研究結(jié)論如下。

(1)當(dāng)隧道覆土厚度≤3D時(shí),隨覆土厚度的增加,路基沉降降幅明顯,控制沉降效果顯著;當(dāng)隧道覆土厚度＞3D時(shí),隨覆土厚度的增加,路基沉降變化不明顯。 因此,隧道覆土厚度宜控制在3D左右。

(2)當(dāng)隧道覆土厚度≤2D時(shí),路基沉降曲線整體大致呈“W”形,覆土越淺“W”形越明顯;隨著覆土厚度的增加,“W”形底部范圍逐漸縮減,底部范圍由左右線隧道上方區(qū)域逐步縮減至左右線隧道中間區(qū)域中線附近;“W”形曲線沉降最大值點(diǎn)位于先施工隧道側(cè)。

(3)當(dāng)隧道覆土厚度＞2D時(shí),路基沉降曲線整體呈“V”形,低點(diǎn)基本位于左右線隧道中間區(qū)域中線附近。

(4)從隧道不同開挖順序?qū)β坊两涤绊懛治鼋Y(jié)果來看,不同開挖順序?qū)β坊两登€形態(tài)影響不大;先開挖右線隧道的路基沉降值要小于先開挖左線隧道的路基沉降值;當(dāng)隧道覆土厚度≥2D時(shí),不同開挖順序引起的路基沉降值差異很小,但從有利于沉降控制的角度來看,宜優(yōu)先開挖右線隧道。

(5)對(duì)隧道周邊注漿加固后,路基沉降曲線形態(tài)及最大沉降點(diǎn)位置與未對(duì)隧道周邊注漿加固時(shí)基本一致;未采取注漿加固措施路基最大沉降6.6 mm,采取注漿加固措施后路基最大沉降3.8 mm,沉降數(shù)值大幅降低,說明注漿加固能有效控制路基沉降。

(6)計(jì)算曲線形態(tài)與實(shí)測(cè)曲線形態(tài)基本一致,計(jì)算路基最大沉降3.8 mm,與實(shí)測(cè)路基最大沉降3.62 mm基本一致,從而驗(yàn)證相關(guān)措施具有可靠性、有效性。