盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基保護(hù)與研究

張貫超

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300142

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也推動(dòng)了城市軌道交通事業(yè)的發(fā)展，在進(jìn)行地下軌道的建設(shè)時(shí)，盾構(gòu)隧道的方式具有極大的優(yōu)勢(shì)，其不僅對(duì)于周邊的環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生極大的影響，同時(shí)，施工的精度也更高，因此，在城市軌道交通事業(yè)中，盾構(gòu)隧道的重要性不言而喻。但是，盾構(gòu)隧道在下穿鐵路，尤其是下穿鐵路群路基的工程中，施工過(guò)程引起的沉降變形往往會(huì)影響到路基的穩(wěn)定和軌道結(jié)構(gòu)的安全，進(jìn)而導(dǎo)致鐵路交通難以正常運(yùn)行[1]。因此，對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)進(jìn)行研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、路基在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中受到的影響

盾構(gòu)隧道下穿鐵路路基的施工過(guò)程中，不可避免會(huì)對(duì)鐵路路基、軌道等產(chǎn)生結(jié)構(gòu)方面的變形，而究其原因，主要有以下幾個(gè)方面：

第一方面，由于開(kāi)挖面應(yīng)力釋放引起彈塑性變形，使得地層反力大小與分布產(chǎn)生變化；第二方面，在施工過(guò)程中，地下水位下降等一系列變化引起了有效覆土層壓力增加，導(dǎo)致了固結(jié)沉降，導(dǎo)致垂直土壓力增大；第三方面，由于正面土壓力過(guò)大，產(chǎn)生的土壓荷載引起的彈塑性變形[2]；第四方面，由于盾構(gòu)推進(jìn)，對(duì)于周?chē)馏w造成擾動(dòng)，使得周?chē)馏w出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，引起一系列的彈塑性下沉、蠕變沉降等，進(jìn)而導(dǎo)致土體對(duì)樁基反作用力大小與分布的變化（見(jiàn)圖1）；第五方面，在下穿施工期間，由于路基及軌道本身的穩(wěn)定性以及列車(chē)的不間斷運(yùn)行，施工的影響不再是單一性質(zhì)，在振動(dòng)荷載的影響下，還會(huì)產(chǎn)生交叉影響；第六方面，施工工藝的影響，在開(kāi)挖過(guò)程中，沒(méi)有采取措施保證開(kāi)挖工作面穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生沉降問(wèn)題，尤其是針對(duì)一些軟弱富水地層，工作面自穩(wěn)能力差，盾構(gòu)下穿施工極易發(fā)生掌子面涌水和失穩(wěn)，因此需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇合適的施工工藝[3]；第七方面，推進(jìn)速度影響，事實(shí)上，沉降具有時(shí)空效應(yīng)，工作面推進(jìn)速度越快，各個(gè)工序的時(shí)間也會(huì)隨之縮短，隧道進(jìn)行開(kāi)挖裸露的時(shí)間減少，有利于對(duì)于地層的變位進(jìn)行調(diào)整。

圖1 盾構(gòu)隧道施工擾動(dòng)示意圖

總之，盾構(gòu)隧道施工會(huì)引起一系列的外部條件產(chǎn)生變化，會(huì)使鐵路路基和軌道道床受到影響，產(chǎn)生下沉或者傾斜等變化。由于影響因素比較復(fù)雜，導(dǎo)致路基出現(xiàn)變形的原因也有很多種，有時(shí)不僅僅是單一因素的影響，也存在多種因素的交叉影響。具體的影響程度需要結(jié)合工程地質(zhì)條件、隧道的埋深、下穿位置關(guān)系、路基及軌道道床本身的結(jié)構(gòu)形式以及強(qiáng)度等內(nèi)在因素（包括界面的形狀、變形特性以及連接形式等）確定。

二、我國(guó)盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)措施

在隧道的施工方法中，盾構(gòu)隧道近些年在我國(guó)的隧道施工中得到了廣泛的運(yùn)用，因?yàn)橄鄬?duì)于其他的隧道施工方法來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)隧道對(duì)于地層的影響更小。也正是由于盾構(gòu)隧道本身的優(yōu)勢(shì)，為了能更好的發(fā)揮其作用，很多學(xué)者都對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)措施進(jìn)行了研究。現(xiàn)階段，盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)通常會(huì)主動(dòng)采用一些施工的控制措施，例如穿越前設(shè)置試驗(yàn)段，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)，避免不必要的糾偏作業(yè)，及時(shí)注漿，加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè)等，另外，在一些實(shí)際工程案例中，克泥效工法得到了廣泛的應(yīng)用[3]?？四嘈Чしㄊ菍⒏邼舛鹊哪嗨牧吓c塑強(qiáng)調(diào)整劑兩種液體分別以配管壓送到制定位置，再將兩種液體以適當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行混合，形成高黏度的塑性膠化體后，再通過(guò)徑向孔進(jìn)行注入?；旌虾蟮牧鲃?dòng)塑性膠化體不易受水稀釋，可以進(jìn)行軟硬的調(diào)整，并且其黏性不會(huì)隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生變化。其優(yōu)勢(shì)在于，混合后的液體呈粘稠狀，可以及時(shí)填充盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起的盾體與土體的間隙，受由于克泥效具有較高的抗沉陷性以及粘稠性能，能夠有效抵抗圍巖的變形，從而達(dá)到抑制地表沉降的目的?？四嘈Чし壳霸诙軜?gòu)隧道下穿重大風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)，對(duì)地面的沉降及結(jié)構(gòu)變形控制要求嚴(yán)格的工程中廣泛采用，如北京地鐵14號(hào)線下穿既有線工程、淮安東站地鐵隧道下穿鐵路路基工程都有應(yīng)用，并且控制效果顯著。

除此之外，盾構(gòu)隧道在穿越鐵路施工時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的環(huán)境條件還會(huì)采取以下措施，包括地基加固措施、扣軌加固措施以及復(fù)合地基加固措施等。

（一）地基加固措施

針對(duì)于地基加固措施來(lái)說(shuō)，方法有很多種，包括旋噴樁、MJS、洞內(nèi)深孔注漿等[4]。

旋噴樁地基加固技術(shù)，是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆至土層的預(yù)定位置后，利用高壓設(shè)備使?jié){液成為高壓水流從噴嘴中噴射出來(lái)，對(duì)于土體造成沖擊破壞，同時(shí)，鉆桿會(huì)以一定的速度向上提升，將漿液與土粒強(qiáng)制攪拌混合，當(dāng)漿液凝固后，會(huì)在土中形成固結(jié)體。通過(guò)利用旋噴樁地基加固技術(shù)進(jìn)行地基加固工作，施工比較方便，且施工工藝簡(jiǎn)單，地基加固見(jiàn)效快，耐久性好，施工工期短，并且采用旋噴樁加固樁前地基能夠顯著提升其側(cè)向抗力，有效抑制樁身水平變形的情況出現(xiàn)。該地基加固技術(shù)主要適用于軟土層厚度比較大、沉降控制困難或者有其他技術(shù)要求（例如鐵路橋）的地基加固。

MJS工法是將高壓水力噴射切割技術(shù)與化學(xué)注漿技術(shù)相結(jié)合，形成加固地基的施工方式[5]。在施工的過(guò)程中，會(huì)利用噴射器將高壓水泵送入到地基土中，在噴射的范圍內(nèi)進(jìn)行切割，對(duì)于原狀的土體進(jìn)行破壞，同時(shí)將固化的材料以液態(tài)的方式或者干態(tài)方式噴入到破壞的土體縫隙中與土體攪拌，噴入的漿液與原狀土混合，形成新的土體混合結(jié)構(gòu)。MJS工法的優(yōu)點(diǎn)在于可以進(jìn)行水平、傾斜、垂直等各個(gè)角度各個(gè)方向的施工，特別是其固有的排漿方式，使得在富水土層、需進(jìn)行孔口密封情況下進(jìn)行水平施工變得安全可行。其缺點(diǎn)在于施工工藝復(fù)雜，施工效率低，且施工成本更高，這些缺點(diǎn)也決定了MJS工法更加適用于環(huán)境復(fù)雜、變形要求嚴(yán)格的工程。

洞內(nèi)深孔注漿是通過(guò)外界壓力將漿液壓入到土體中，經(jīng)滲透及劈裂作用，使土體粒子間的水或空氣被強(qiáng)行排擠出加固范圍之外，并且填充土粒之間的空洞、孔隙，利用膠凝材料將周?chē)耐亮Ｄz結(jié)為一個(gè)整體，改善土體的物理力學(xué)性能，提升土體強(qiáng)度和地層的整體穩(wěn)定性，降低地層的滲透性，阻斷地下水滲透的通道，從而保證地基的穩(wěn)定，保證施工及周?chē)h(huán)境的安全。使用該施工方法，投入的機(jī)械設(shè)備較少，工期比較短，并且注漿材料水泥用量不大，投入勞動(dòng)力較少，能夠有效降低工程的成本[6]。

（二）扣軌加固措施

扣軌加固技術(shù)是會(huì)把短橫穿扣軌梁作為原有線路上的軌枕，放在縱向扣軌梁上，作為主梁來(lái)承擔(dān)橫穿軌道傳來(lái)的線路荷載，再把荷載向支墩傳遞。在縱向扣軌梁于短橫穿扣軌梁一般會(huì)采用工字鋼、D型梁或者鋼軌。支墩則一般采用人工挖孔的素混凝土樁，會(huì)設(shè)置在兩條軌道之間?？圮壖庸檀胧┲饕m用于對(duì)于運(yùn)營(yíng)鐵路設(shè)施的保護(hù)，這種措施非常的安全可靠，由于受力點(diǎn)被擴(kuò)散的比較均衡，在盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程中不會(huì)影響到列車(chē)的運(yùn)行，但是進(jìn)行加固的過(guò)程中，對(duì)于道床的破壞會(huì)比較大。

（三）復(fù)合地基加固措施

復(fù)合地基加固技術(shù)主要是會(huì)在天然的地基中設(shè)置加筋材料，而加固區(qū)主要會(huì)采用基體和增強(qiáng)體這兩部分組成的復(fù)合地基。結(jié)合地基中增強(qiáng)體的方向，還可以把增強(qiáng)體區(qū)分開(kāi)來(lái)，分為水平增強(qiáng)體和豎向增強(qiáng)體地基[7]。水平增強(qiáng)體主要是加筋土地基，也就是混凝土板，豎向增強(qiáng)體地基則是主要采用樁基。復(fù)合地基的樁體形式分為以下幾種:第一種是微型鋼管灌注樁，是由鋼管和混凝土組合成的，樁上的荷載由鋼管和混凝土一同承受;第二種是樹(shù)根樁，也叫微型樁，主要是進(jìn)行就地灌注，形成小直徑的鋼筋混凝土樁，可以豎向或者斜向設(shè)置，在分布上來(lái)看，就像是樹(shù)根一樣;第三種是注漿樁，這種施工工藝的種類(lèi)比較多，一般分為前處理注漿和后處理注漿。由于盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路路基時(shí)，對(duì)既有鐵路路基加固往往受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的制約，施工難度一般比較大，且采用復(fù)合地基加固技術(shù)投入的費(fèi)用也相對(duì)較高，因此一般應(yīng)用比較少。但是，若能統(tǒng)籌鐵路與隧道的施工，復(fù)合地基加固方案可以為遠(yuǎn)期的盾構(gòu)穿越預(yù)留一定的條件，后期盾構(gòu)的施工對(duì)鐵路的影響會(huì)有明顯的降低。

結(jié)束語(yǔ)

在盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)給路基和軌道結(jié)構(gòu)造成一定的沉降和變形影響，不利于保護(hù)鐵路運(yùn)行的安全，也會(huì)帶來(lái)一定程度的安全隱患。因此，對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)工作尤為重要。而我們通過(guò)對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路群路基的保護(hù)措施的深入研究，充分發(fā)揮施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況輔以一定的輔助措施，將鐵路路基和軌道結(jié)構(gòu)的沉降變形維持在允許的指標(biāo)范圍內(nèi)，從而保障盾構(gòu)隧道穿越過(guò)程中鐵路路基的穩(wěn)定和安全，為列車(chē)的正常穩(wěn)定運(yùn)行提供良好的條件。