高鐵大直徑盾構(gòu)隧道下穿快軌路基結(jié)構(gòu)的影響分析及控制技術(shù)研究

王樂明

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

京沈高鐵望京隧道在DK19+910～DK19+980段下穿北京地鐵機場線三元橋～T2、T3航站樓區(qū)間路基段，為保證施工期間地鐵運營安全，需對其施工影響進行分析，采取切實、有效的沉降控制措施。蔡向輝[1]通過建立軌道-路基-地基有限元模型，對盾構(gòu)下穿高鐵線路施工引起的軌道沉降規(guī)律和列車的動態(tài)響應(yīng)進行了分析；文獻[2-6]分析了盾構(gòu)下穿路基結(jié)構(gòu)變形影響規(guī)律，研究了地層預(yù)加固等變形控制措施；張成平，張頂立等[7]和榮星星[8]介紹了遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)在下穿既有線施工中的應(yīng)用情況，證明了遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)在穿越工程施工應(yīng)用中的實時性、有效性和可靠性。而上述研究的對象均為地鐵盾構(gòu)隧道工程，開挖斷面較小。

本工程的特點在于：(1)下穿隧道采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)機施工；(2)隧道下穿既有地鐵快軌路基為帶擋墻高填方路基結(jié)構(gòu)，抗變形能力差；(3)下穿既有線采用直線電機感應(yīng)驅(qū)動模式，軌道結(jié)構(gòu)為直線電機軌道結(jié)構(gòu)，對變形非常敏感，且不能采取任何軌道預(yù)防護措施。因此研究大直徑泥水盾構(gòu)隧道施工對地面快軌路基結(jié)構(gòu)的影響和基于實時自動化監(jiān)測的全過程施工影響動態(tài)控制措施對保證機場快軌安全運營十分必要。

1 工程概況

京沈高鐵望京隧道左、右線隧道南北向橫穿北京首條快軌線路——地鐵機場線，線路平面交角58°。隧道結(jié)構(gòu)外徑10.5 m，管片厚度為50 cm，采用φ10.9 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機施工。下穿機場線段，隧道結(jié)構(gòu)頂與機場線軌面和路基CFG樁底的距離分別為21.315 m和5.4 m，隧道覆土厚度約為17.355 m[9]。隧道與機場快軌平剖面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 高鐵隧道與機場快軌平剖面位置關(guān)系(單位：m)

1.1 機場快軌既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

隧道下穿段機場線為地面高填方帶擋墻路基結(jié)構(gòu)，路基擋土墻為5 m高預(yù)制懸臂式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，路基主體結(jié)構(gòu)下部布置CFG樁，樁長10 m，軌道結(jié)構(gòu)為直線電機軌道結(jié)構(gòu)形式，由整體道床、走行軌、感應(yīng)板、彈性扣件組成，道床結(jié)構(gòu)形式為長軌埋入式兩側(cè)水溝整體道床[10]。線路運營速度100 km/h，采用直線電機感應(yīng)驅(qū)動，俗稱“半磁懸浮”，對軌道結(jié)構(gòu)變形非常敏感[11]，不能采取任何軌道預(yù)防護措施。直線電機與感應(yīng)板、軌道關(guān)系如圖2所示。

注：感應(yīng)板要安置在軌道道床上，其與鋼軌、道床以及三軌的尺寸鏈關(guān)系至為重要。圖2 直線電機與感應(yīng)板、軌道關(guān)系(單位：mm)

1.2 地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察報告揭示，穿越機場線段地層從上到下依次為素填土、粉土、細砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細砂、粉砂、粉質(zhì)黏土，隧道洞身位置為粉土、粉質(zhì)黏土、細砂、粉砂等細顆粒地層，地下水位埋深為5～8 m，隧道位于地下水位以下。

在上述富水細顆粒地層進行泥水盾構(gòu)施工時，存在泥水分離難度大、刀盤易結(jié)泥餅、受擾動地層后期固結(jié)沉降時間長等問題，從而導(dǎo)致地面沉降控制難度大、變形發(fā)展周期長。

2 隧道施工對快軌結(jié)構(gòu)的影響分析

隧道掘進施工將對開挖影響范圍內(nèi)的地層產(chǎn)生擾動，在地表出現(xiàn)不同程度的隆沉變形[12-15]，進而使路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，影響軌道線路的平順性，給列車安全運營帶來不利影響。為科學(xué)評價盾構(gòu)施工的影響，選取了相鄰的工程作為試驗段，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析盾構(gòu)隧道施工過程對地面沉降變形的影響，并結(jié)合有限元數(shù)值模型進行線路運營安全分析。

2.1 隧道施工對地面沉降的影響

現(xiàn)場選取總長為200 m的試驗段，分4個段落根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化盾構(gòu)掘進和注漿參數(shù)進行現(xiàn)場試驗，試驗段主要施工參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1 試驗段落劃分及主要施工參數(shù)統(tǒng)計

注：1 bar=0.1 MPa

試驗段右線隧道已完成施工段落典型斷面最終地表橫向沉降槽分布曲線和縱向歷時沉降曲線如圖3、圖4所示。

圖3 典型斷面橫向沉降槽分布曲線

圖4 典型斷面縱向歷時沉降曲線

(1)從圖3可以看出，盾構(gòu)掘進過程影響范圍約為隧道中線兩側(cè)30～40 m，其中隧道中線兩側(cè)15～20 m(1.5D～2.0D)為顯著影響區(qū)。

(2)結(jié)合表1和圖3可以看出，通過不斷優(yōu)化盾構(gòu)掘進和注漿參數(shù)等洞內(nèi)施工工藝措施，可以顯著降低隧道施工對地表沉降的影響。其中泥水壓力、泥漿參數(shù)和同步注漿初凝時間和注漿壓力影響較大。

(3)分析圖4所示盾構(gòu)掘進過程沿線路縱向沉降各階段所占比重，變形控制的關(guān)健階段為通過階段、管片脫出盾尾階段及后期沉降階段。

2.2 三維數(shù)值分析

2.2.1 數(shù)值計算模型(圖5)

圖5 數(shù)值計算模型

對隧道下穿機場線快軌路基結(jié)構(gòu)建立計算模型，考慮等同于試驗段落的控制盾構(gòu)掘進參數(shù)等工藝措施和洞內(nèi)同步注漿、二次注漿、深孔注漿等補償?shù)貙訐p失工程措施，模型計算考慮盾構(gòu)掘進造成的地層損失率取0.5%，同時考慮地面超載和列車荷載、盾構(gòu)頂推力，對盾構(gòu)隧道施工過程進行模擬分析。

2.2.2 計算結(jié)果分析

左右兩隧道施工完成后，既有機場線區(qū)間路基主體結(jié)構(gòu)和線路軌道變形情況如圖6和圖7所示。

圖6 路基結(jié)構(gòu)豎向變形云圖

圖7 軌道結(jié)構(gòu)變形沉降曲線

(1)從圖6可以看出，隧道開挖對地層土體產(chǎn)生了擾動，引起了上方路基、線路軌道等結(jié)構(gòu)的沉降。后施工隧道對地表路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了附加影響，路基結(jié)構(gòu)的沉降峰值向兩隧道中心線位置發(fā)展，路基結(jié)構(gòu)的最大沉降值由單線隧道穿越完成后的1.934 mm發(fā)展為3.532 mm。

(2)從圖7可以看出，軌道結(jié)構(gòu)因采用長軌埋入式結(jié)構(gòu)形式，在路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的同時，軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了幾乎等同于路基結(jié)構(gòu)的變形量值。

(3)根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在未進行加固的情況下，僅通過盾構(gòu)施工工藝控制及洞內(nèi)補償注漿等措施，路基及軌道結(jié)構(gòu)的變形沉降預(yù)測值不能滿足保證地鐵運營安全所需的+1～-2 mm的變形沉降控制要求[16]。

3 隧道下穿施工的變形控制措施

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和變形預(yù)測結(jié)果，充分利用先進的泥水平衡盾構(gòu)施工工藝，控制地層損失，輔以地面預(yù)加固和跟蹤補償加固措施，通過洞內(nèi)、洞外的密切協(xié)調(diào)配合，確保施工及線路運營安全。

3.1 地面注漿加固措施

3.1.1 施工影響及加固范圍(圖8)

根據(jù)試驗段的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，盾構(gòu)施工橫向影響范圍為隧道軸線兩側(cè)30～40 m，沿地鐵機場線線路方向總長共計約130 m。根據(jù)施工影響程度，將影響范圍劃分為主影響區(qū)和次影響區(qū)：

(1)主影響區(qū)約為隧道中線外側(cè)15～18 m，注漿加固范圍取至隧道中線外側(cè)20 m，沿地鐵機場線線路方向加固總長度為90 m；

(2)在盾構(gòu)施工的次影響區(qū)，同樣進行注漿加固，加固范圍為隧道中線外側(cè)20～40 m。

3.1.2 地面注漿加固措施(圖9)

圖8 地面注漿加固范圍平面示意(單位：m)

圖9 地面注漿鉆孔布置示意

(1)在主影響區(qū)靠近機場線的兩側(cè)各布設(shè)2排豎向注漿管，在盾構(gòu)下穿前提前注漿加固，對機場線結(jié)構(gòu)兩側(cè)地層進行擠密加固，降低隧道施工沿盾構(gòu)掘進方向的影響。

(2)根據(jù)地面環(huán)境情況，在盾構(gòu)施工主影響區(qū)兩側(cè)分別布設(shè)4排、3排斜向注漿管，對機場線下方地層進行注漿加固。其中兩側(cè)靠近機場線的1排斜向注漿管作為盾構(gòu)掘進施工過程的跟蹤補償注漿預(yù)留孔，其余注漿管在盾構(gòu)穿越前對基底地層進行注漿預(yù)加固。

(3)在次影響區(qū)近機場線的兩側(cè)分別布設(shè)2排斜向注漿管，其中靠近機場線的斜向注漿管作為盾構(gòu)掘進施工過程的跟蹤補償注漿預(yù)留孔，遠離的一排在盾構(gòu)穿越前對基底地層進行注漿預(yù)加固

3.1.3 地面注漿加固工藝

(1)主影響區(qū)注漿孔進行加密，排距和孔距均為0.75 m；次影響區(qū)鉆孔間距適當加大，取1.5 m，梅花形布設(shè)。

(2)注漿管采用φ42 mm袖閥管，注漿材料采用超細水泥漿，并添加補償收縮的膨脹劑。

(3)注漿工藝采用后退式分段注漿，注漿壓力控制在0.2～1.0 MPa，并確保注漿引起的機場線隆起不超過1 mm。

(4)在盾構(gòu)到達前，利用預(yù)注漿孔進行地層加固，加固時先施作靠近機場線的兩排豎向注漿孔，在對機場線結(jié)構(gòu)兩側(cè)地層進行擠密加固的同時，作為傾斜注漿孔的止?jié){墻，提高機場線下方地層的注漿效果。

(5)在盾構(gòu)到達前(即盾構(gòu)刀盤切口前6～24 m)至盾構(gòu)通過后(約5 d后)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用預(yù)留的跟蹤補償注漿管進行補償注漿。

3.2 洞內(nèi)措施

3.2.1 工藝措施

充分采用先進的盾構(gòu)施工工藝措施，控制盾構(gòu)掘進參數(shù)，控制盾構(gòu)姿態(tài)，控制地層損失，盡量減少盾構(gòu)施工對地層的擾動。

在盾構(gòu)機穿越機場線的正下方段落，在盾構(gòu)開挖輪廓線與盾殼之間加注填充材料，以控制盾構(gòu)通過階段的沉降。

3.2.2 工程措施

在盾構(gòu)掘進過程中，加強管片背后同步注漿、二次補注漿，調(diào)控管片背后注漿工藝(漿液配比、初凝時間、注漿量、注漿時機等)，減小盾構(gòu)通過時的地層沉降。

盾構(gòu)施工完成后，利用管片預(yù)留的注漿孔向地層內(nèi)進行打孔注漿，補償?shù)貙訐p失引起的后期固結(jié)沉降。

3.3 監(jiān)測措施及結(jié)果

(1)在盾構(gòu)穿越機場線前選擇合適段落作為試驗區(qū)段，分段采用不同的盾構(gòu)掘進參數(shù)，在地面設(shè)置地表沉降和地層深層沉降監(jiān)測點，在盾構(gòu)掘進過程中，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，總結(jié)、分析各掘進參數(shù)對沉降影響的對應(yīng)關(guān)系，得出了比較適合下穿機場快軌掘進施工的各種參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)穿越施工。

(2)在隧道下穿施工影響范圍內(nèi)的地鐵機場線擋墻內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)布設(shè)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，進行遠程自動化實時監(jiān)測，軌道結(jié)構(gòu)豎向變形測點與路基擋墻測點布設(shè)在同一斷面，采用自動化實時監(jiān)測與洞內(nèi)和地面人工監(jiān)測相結(jié)合的方法，指導(dǎo)地面預(yù)注漿、補償跟蹤注漿和洞內(nèi)掘進施工。地鐵機場線路基及軌道結(jié)構(gòu)測點布置見圖10。

圖10 地鐵機場線路基及軌道結(jié)構(gòu)測點布置

(3)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，采取地面注漿加固措施后，單線隧道穿越施工完成后軌道結(jié)構(gòu)的最大沉降值降至0.86 mm，有效控制了盾構(gòu)施工對既有運營線路的影響。

4 結(jié)論與建議

(1)機場快軌軌道結(jié)構(gòu)對變形非常敏感，對于高填方帶擋墻路基這種對變形沉降控制要求非常高的結(jié)構(gòu)，僅通過優(yōu)化控制盾構(gòu)掘進參數(shù)等工藝措施和洞內(nèi)補償注漿，控制地層損失，減小地鐵快軌路基沉降及軌道變形，不能滿足其線路運營安全的要求。

(2)通過在望京隧道右線下穿機場快軌路基段落施工中的應(yīng)用，證明采取地面注漿加固措施，可以達到對盾構(gòu)施工引起的地面沉降進行有效控制的目的，及時補償?shù)孛婕扔新坊败壍澜Y(jié)構(gòu)的高程損失，取得非常理想的效果。

(3)通過自動化實時監(jiān)測可以及時、準確掌握路基結(jié)構(gòu)和軌道的變形情況，指導(dǎo)地面注漿預(yù)加固措施的實施，并為盾構(gòu)下穿施工過程中及時采取跟蹤補償注漿抬升應(yīng)對措施提供依據(jù)和參考標準，達到穿越施工的全過程實時動態(tài)控制，從而保證既有線路的安全運營。