李斯

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081； 2.北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司， 北京 100081

高速鐵路對(duì)無砟軌道線路平順性有極高的要求［1］，盾構(gòu)隧道下穿時(shí)高速鐵路路基的沉降變形控制至關(guān)重要。針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿高速鐵路路基段有一些研究。宋月光［2］通過數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場監(jiān)測得出，北京地鐵某區(qū)間下穿京張高速鐵路路基工程時(shí)，注漿加固能有效控制路基沉降。張飛［3］以石家莊地鐵4 號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿京石高速鐵路路基段為例，通過數(shù)值模擬分析得出隧道雙線間距越小，地表沉降越大。劉新軍［4］通過數(shù)值模擬分析南京地鐵4 號(hào)線盾構(gòu)隧道施工對(duì)京滬高速鐵路的影響，得出考慮列車荷載，地層損失率為8‰時(shí)，單線、雙線貫通時(shí)線路最大沉降分別為8.54、9.57 mm。張飛［5］以青平城際軌道交通下穿濰萊高速鐵路工程為研究背景，采用FLAC 3D 軟件進(jìn)行仿真分析得出，隨著隧道開挖，隧道拱頂沉降逐漸增大。李宜霖等［6］以北京地鐵27 號(hào)線暗挖隧道下穿地鐵13號(hào)線與京張高速鐵路工程為例，分析開挖施工完成后地鐵鋼軌和高速鐵路鋼軌豎向位移的變化規(guī)律。白陽陽、王立新等［7-8］以西安地鐵1 號(hào)線三期盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路為工程背景，通過數(shù)值模擬分析得出，采用地面袖閥管注漿和管幕工法加固能有效控制軌道和路基沉降。曹小平等［9］以福州地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿在建福廈高速鐵路高填方路基為工程背景，通過監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，采用樁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理后，盾構(gòu)下穿時(shí)路基不同位置處僅發(fā)生微小沉降。曹佳寧［10］研究發(fā)現(xiàn)南京地鐵4號(hào)線隧道下穿京滬高速鐵路軟土路基時(shí)，沉降主要發(fā)生在工后，沉降穩(wěn)定時(shí)間較長，沉降槽深度和寬度均較大。

既有研究分析了不同工況下盾構(gòu)隧道對(duì)鐵路軌道或路基的影響及應(yīng)對(duì)措施。本文以西安地鐵1號(hào)線秦寶（秦都站—寶泉路）區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路無砟軌道路基段為工程背景，對(duì)盾構(gòu)下穿期間徐蘭高速鐵路軌道沉降和路基不同層位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從空間和時(shí)間兩個(gè)維度分析不同穿越階段高速鐵路軌道和路基沉降規(guī)律，并給出自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警管理閾值和紅色預(yù)警后的應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況

徐蘭高速鐵路采用雙塊式無砟軌道，秦寶區(qū)間盾構(gòu)隧道近于正交下穿徐蘭高速鐵路（圖1），交角91° ～93°。徐蘭高速鐵路為東西走向，從南向北依次是Ⅲ、Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ股道。盾構(gòu)隧道為雙線圓形隧道，隧道直徑6.0 m，左右線中線間距19.28 m。盾構(gòu)隧道右線、左線依次穿越徐蘭高速鐵路路基段。采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)和克尼效注漿工藝。從盾構(gòu)機(jī)的徑向孔往盾體外注克泥效，及時(shí)填充土體和盾體之間的空隙，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測情況控制注入壓力和注入量，控制地表沉降。

圖1 盾構(gòu)隧道和徐蘭高速鐵路相對(duì)位置（單位：m）

根據(jù)DB 6101/T 3100—2021《城市軌道交通下穿鐵路監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范》，區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路路基段時(shí)須對(duì)徐蘭高速鐵路方向99.44 m 長區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測。下穿段監(jiān)測分區(qū)見表1。其中，H為盾構(gòu)隧道底板埋深。

表1 下穿段監(jiān)測分區(qū)

徐蘭高速鐵路路基段地基處理采用水泥粉煤灰碎石（Cement Fly-ash Gravel，CFG）樁，樁間距1.8 m，樁徑0.4 m，樁長13.0 m。為避免盾構(gòu)切割CFG 樁，隧道拱頂距離CFG 樁底不少于3.2 m。隧道穿越段地層自上而下依次為素填土、新黃土、古土壤、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土等。隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層，該層孔隙比0.6，液性指數(shù)0.26，壓縮系數(shù)0.22 MPa-1。隧道頂部有厚6 m 的富水細(xì)砂層，承載力較小。為避免隧道盾構(gòu)下穿時(shí)富水細(xì)砂層發(fā)生較大沉降，采用袖閥管對(duì)細(xì)砂層注漿加固。加固范圍參見圖1（b）。

2 自動(dòng)化監(jiān)測方案

盾構(gòu)隧道下穿期間，為實(shí)時(shí)掌握盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)高速鐵路軌道、路基不同層位土體的影響，沿線路縱向連續(xù)布設(shè)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，24 h 實(shí)時(shí)采集、分析、反饋監(jiān)測結(jié)果。

軌道測線布置在徐蘭高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)支承層上，由南向北軌道測線編號(hào)依次為T1—T4，主要、次要、一般監(jiān)測區(qū)測點(diǎn)間距原則上按照3、5、10 m 布置，每條測線布置27 個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)編號(hào)由東向西分別為T1-1—T1-27、T2-1—T2-27、T3-1—T3-27、T4-1—T4-27。其中各測線14 號(hào)測點(diǎn)位于隧道左右線中線附近。每個(gè)測點(diǎn)布置1 個(gè)物位計(jì)，監(jiān)測軌道豎向位移，參見圖1（a）。

路基不同層位土體測線分別布置在Ⅲ股道南側(cè)路肩、Ⅲ股道與Ⅰ股道線間、Ⅰ股道與Ⅱ股道線間、Ⅱ股道與Ⅳ股道線間、Ⅳ股道北側(cè)路肩。

從南向北路基不同層位土體測線編號(hào)依次為D1—D5，主要區(qū)布置5 個(gè)測點(diǎn)，次要區(qū)和一般區(qū)各布置2 個(gè)測點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)布置4 個(gè)物位計(jì)，分別監(jiān)測路基面、CFG 樁頂、樁底和隧道頂部1.5 m 處土體豎向位移，見圖2。

圖2 路基不同層位土體測點(diǎn)物位計(jì)布設(shè)方式

受站臺(tái)和咽喉區(qū)場地約束，部分測線未能覆蓋所有監(jiān)測范圍。路基不同層位土體測點(diǎn)編號(hào)由南向北依次為D1-4—D1-9、D2-1—D2-7、D3-3—D3-9、D4-1—D4-7、D5-3—D5-9，其中各測線5 號(hào)測點(diǎn)均位于隧道左右線中線附近，參見圖1（a）。

盾構(gòu)隧道下穿前，對(duì)所有測點(diǎn)初始值進(jìn)行標(biāo)定，自盾構(gòu)隧道進(jìn)入徐蘭高速鐵路范圍開始監(jiān)測，下穿通過后繼續(xù)監(jiān)測，直至最后100 d 最大豎向位移速率小于0.04 mm/d，方可結(jié)束監(jiān)測。

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 徐蘭高速鐵路軌道豎向位移

不同階段徐蘭高速鐵路各股道豎向位移曲線見圖3?？芍孩偎淼烙揖€穿越前，徐蘭高速鐵路軌道豎向位移基本保持在-0.3 ～ 0.5 mm，線路平順性較好。右線穿越后，Ⅱ股道上測點(diǎn)T3-17 沉降最大，其值為2.60 mm。沉降槽呈V 形，沿徐蘭高速鐵路影響范圍寬約30 m。②隧道左線穿越后，Ⅳ股道上測點(diǎn)T4-11沉降最大，其值為3.51 mm。沉降槽呈W 形。③隧道沉降穩(wěn)定后，隧道右線、左線正上方軌道最大沉降分別為3.21、3.39 mm。綜合來看，在隧道左右線的中線相距19.28 m 的情況下，先行線隧道穿越對(duì)后行線軌道豎向位移影響不大。

圖3 不同階段各股道沉降曲線

3.2 徐蘭高速鐵路路基不同層位土體豎向位移

路基不同層位典型測點(diǎn)D3-5、D4-5豎向位移時(shí)程曲線見圖4?？芍孩俣軜?gòu)隧道穿越過程中測點(diǎn)D3-5處路基面、CFG 樁頂和樁底豎向位移規(guī)律基本一致。隧道左線穿越后隧道頂部土體應(yīng)力重新分布，沉降有了一定程度的恢復(fù)。②測點(diǎn)D4-5 處由于隧道左線穿越后盾尾進(jìn)行了注漿施工，隧道頂部土體出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，但是路基面、CFG 樁頂和樁底土體仍出現(xiàn)規(guī)律類似的沉降現(xiàn)象。③盾構(gòu)隧道左線穿越后，測點(diǎn)D3-5與測點(diǎn)D4-5 處土體應(yīng)力重新分布，豎向位移在-4.1 ～1.2 mm 波動(dòng)，約100 d 后兩個(gè)測點(diǎn)豎向位移均趨于穩(wěn)定。

圖4 典型測點(diǎn)D3-5、D4-5豎向位移時(shí)程曲線

4 預(yù)警措施

盾構(gòu)隧道下穿期間，根據(jù)徐蘭高速鐵路軌道豎向位移、路基不同層位土體豎向位移監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)預(yù)警。預(yù)警管理閾值和預(yù)警級(jí)別見表2。

表2 徐蘭高速鐵路預(yù)警管理閾值和預(yù)警級(jí)別

總豎向位移和豎向位移速率均達(dá)到黃色預(yù)警值，或其中一個(gè)指標(biāo)達(dá)到橙色預(yù)警值時(shí)進(jìn)行黃色預(yù)警。總豎向位移和豎向位移速率均達(dá)到橙色預(yù)警值，或其中一個(gè)指標(biāo)達(dá)到紅色預(yù)警時(shí)進(jìn)行橙色預(yù)警。總豎向位移和豎向位移速率均達(dá)到紅色預(yù)警值進(jìn)行紅色預(yù)警。

依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路期間共發(fā)出紅色預(yù)警1 次、橙色預(yù)警1 次、黃色預(yù)警1 次。其中隧道右線穿越Ⅰ股道時(shí)出現(xiàn)紅色預(yù)警，測點(diǎn)T2-14 豎向位移速率達(dá)到2.11 mm/d。各設(shè)備管理單位立即上道對(duì)行車設(shè)備進(jìn)行檢查；施工單位對(duì)預(yù)警點(diǎn)位管片進(jìn)行二次注漿，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)預(yù)警點(diǎn)位隧道周圍土體進(jìn)行掃描，報(bào)告分析結(jié)果；監(jiān)測單位實(shí)時(shí)報(bào)告預(yù)警點(diǎn)位監(jiān)測結(jié)果。通過預(yù)警處置及時(shí)消除了該點(diǎn)位后續(xù)發(fā)生較大變形的可能性，保障了徐蘭高速鐵路的運(yùn)營安全。

5 結(jié)語

對(duì)西安地鐵一號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿徐蘭高速鐵路路基工程，不同穿越階段各部位軌道沉降和路基不同層位變形進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測與分析，并給出監(jiān)測預(yù)警管理閾值和紅色預(yù)警后的應(yīng)對(duì)措施。主要結(jié)論如下：

1）盾構(gòu)隧道下穿會(huì)引起高速鐵路無砟軌道沉降，右線穿越后，Ⅱ股道上測點(diǎn)T3-17處軌道沉降最大，其值為2.60 mm；隧道左線穿越后，Ⅳ股道上測點(diǎn)T4-11處軌道沉降最大，其值為3.51 mm。兩測點(diǎn)沉降量在紅色預(yù)警值5 mm以內(nèi)，不影響高速鐵路運(yùn)營安全。

2）盾構(gòu)隧道右線穿越后，徐蘭高速鐵路軌道沉降槽呈V形，沿徐蘭高速鐵路影響范圍寬約30 m。

3）盾構(gòu)隧道右線、左線先后穿越，對(duì)施工線正上方徐蘭高速鐵路無砟軌道影響較大，對(duì)相鄰線正上方無砟軌道影響不大。

4）盾構(gòu)隧道左線下穿后土體應(yīng)力重分布，豎向位移在1.2 ～ -4.1 mm波動(dòng)，約100 d后變形趨于穩(wěn)定。