大直徑盾構(gòu)隧道下穿高鐵無(wú)砟軌道路基預(yù)加固方案研究

王文謙，劉 方，金張瀾，岳 嶺

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

引言

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，以“八縱八橫”為代表的高鐵網(wǎng)漸成體系[1]。大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)使得城市用地日益緊張，城市地下空間開(kāi)發(fā)利用快速發(fā)展，新建高鐵、城際等以隧道形式穿越既有鐵路路基工程逐漸增多[2-4]。高鐵無(wú)砟軌道路基對(duì)軌道的平順度要求極高[5]，路基沉降控制要求比普通鐵路、公路嚴(yán)格得多，因此，在隧道下穿此類(lèi)路基施工時(shí)，一旦隧道掘進(jìn)引起的變形超過(guò)路基的承載極限，將會(huì)危害高鐵的運(yùn)營(yíng)安全[6]。

目前，許多學(xué)者對(duì)隧道下穿路基的變形控制措施進(jìn)行了研究。程巧建等[7]分析了采用不同加固措施下地鐵隧道下穿鐵路路基的變形影響，與實(shí)測(cè)值對(duì)比后確定了合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)；蔡小培[8]采用有限元方法研究了城區(qū)盾構(gòu)下穿高速鐵路施工對(duì)軌道結(jié)構(gòu)變形的影響；郝坤[9]以某大跨公路隧道下穿高速鐵路路基為研究對(duì)象，建立有限元模型模擬開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程，對(duì)下穿方案的安全性和可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；王樂(lè)明[10]分析了大直徑高鐵隧道下穿對(duì)既有地鐵運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路路基段結(jié)構(gòu)的影響。

盡管已有上述研究，但缺乏大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵無(wú)砟軌道路基工程的研究[11-12]，尤其是缺乏路基防護(hù)方案的相關(guān)研究。以某規(guī)劃高速鐵路盾構(gòu)隧道下穿既有滬寧高速鐵路無(wú)砟軌道路基為工程背景，研究不同路基防護(hù)方案下路基、軌道變形的控制效果，提出了合理的防護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，旨在為大直徑盾構(gòu)下穿既有高鐵路基提供合理的防護(hù)方案。

1 研究背景

1.1 工程概況

規(guī)劃某高速鐵路以盾構(gòu)隧道形式下穿既有滬寧城際鐵路無(wú)砟軌道路基段。該盾構(gòu)隧道外徑14.3 m，壁厚0.6 m，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。新建盾構(gòu)隧道由北向南掘進(jìn)，與既有路基交角84°，采用泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，隧道覆土厚度為43 m。新建盾構(gòu)隧道與既有鐵路平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建高鐵盾構(gòu)隧道與既有鐵路平面關(guān)系示意

既有鐵路為雙線(xiàn)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速300 km，下穿段為無(wú)砟軌道路基段，地基采用CFG樁加固，樁徑0.5 m，間距1.8 m，樁長(zhǎng)13.50 m，正方形布置。

隧址區(qū)第四系覆蓋層較厚，一般大于120 m。表層發(fā)育人工堆積層及第四系全新統(tǒng)湖沼積、海積淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等，厚度15～35 m；其下為第四系上更新統(tǒng)湖沼積、沖海積粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等，下伏基巖埋深大，對(duì)擬建工程無(wú)影響。地下水穩(wěn)定埋深為0.40～3.3 m。

工程地質(zhì)剖面如圖2所示，大直徑盾構(gòu)隧道穿越地層主要為8-2和8-21粉質(zhì)黏土層，可塑～軟塑，干強(qiáng)度中等，韌性中等，壓縮性中等，分布連續(xù)；既有鐵路路基下覆地層為4-21粉土層和4-22粉砂層，稍密～中密，飽和，壓縮性中等。

圖2 工程地質(zhì)剖面(單位：m)

1.2 軌道平順性控制要求

在軟土地層中，大直徑盾構(gòu)穿越施工造成的路基變形周期長(zhǎng)、控制難度大，為保證軌道安全運(yùn)行，無(wú)砟軌道路基變形應(yīng)滿(mǎn)足線(xiàn)路平順性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和扣件調(diào)整能力的要求，需制定專(zhuān)門(mén)的路基變形控制方案。

根據(jù)TG/GW115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線(xiàn)路維修規(guī)則(試行)》，350 km/h線(xiàn)路靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值應(yīng)滿(mǎn)足表1的要求。

表1 線(xiàn)路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

目前，對(duì)高鐵路基變形的控制標(biāo)準(zhǔn)未有明確數(shù)值規(guī)定，參照劉建友[6]提出的盾構(gòu)下穿路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，按保守考慮，認(rèn)為扣件的最大可調(diào)整量與當(dāng)前已用調(diào)整量、軌道當(dāng)前平順度及工后沉降之和相同，安全系數(shù)取1.8，結(jié)合本文工程相關(guān)參數(shù)可得路基沉降控制值為3.9 mm。

1.3 大直徑盾構(gòu)下穿無(wú)砟軌道路基段防護(hù)方案

為控制大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的地層變形，保障既有線(xiàn)路的運(yùn)營(yíng)安全，需采取合理的防護(hù)措施，參照目前國(guó)內(nèi)下穿鐵路路基的相關(guān)工程案例[2-5]，結(jié)合工程特點(diǎn)，擬定如下幾種防護(hù)方案。

(1)方案1：管幕加固方案

向路基底部打設(shè)管幕，管幕可對(duì)上方路基起到支撐作用，達(dá)到控制路基沉降的目的。如圖3所示，主要步驟為：在既有路基兩側(cè)基坑開(kāi)挖后施作管幕導(dǎo)向墻及擴(kuò)大基礎(chǔ)，隨后在基底沿橫向打設(shè)φ300 mm@500 mm的管幕。管幕采用熱軋無(wú)縫鋼管(φ300 mm，壁厚9.5 mm)。

圖3 管幕加固方案(單位：m)

(2)方案2：豎井底部注漿方案(圖4)

圖4 豎井底部注漿方案(單位：m)

在路基一側(cè)打設(shè)豎井至CFG樁底部，通過(guò)注漿對(duì)地層進(jìn)行加固，這種加固方式不會(huì)破壞路基加固體系，注漿范圍大，對(duì)路基沉降控制效果較好。主要步驟為：在既有路基北側(cè)打設(shè)臨時(shí)豎井至既有鐵路CFG樁基礎(chǔ)下方2.5 m，沿既有線(xiàn)方向施作橫洞后，在橫洞內(nèi)打設(shè)管棚并斜向注漿加固樁底土體，厚度10 m，注漿管采用φ50 mm熱軋無(wú)縫鋼管。

(3)方案3：保壓循環(huán)注漿方案(圖5)

圖5 保壓循環(huán)注漿方案(單位：m)

向路基底部打設(shè)注漿管形成循環(huán)管路，通過(guò)施加注漿壓力對(duì)上方路基起到抬升作用，在下穿過(guò)程中加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)并調(diào)節(jié)注漿壓力，對(duì)路基變形起主動(dòng)控制作用。主要步驟為：在滬寧高鐵路基兩側(cè)開(kāi)挖基坑后，施作注漿導(dǎo)向墻及擴(kuò)大基礎(chǔ)；隨后在路基基底橫向打設(shè)5排φ50 mm鋼質(zhì)袖閥管至另一側(cè)基坑，形成循環(huán)管路；向注漿管內(nèi)注入緩凝型漿液使其循環(huán)流動(dòng)，主動(dòng)控制路基變形。

2 計(jì)算模型

依據(jù)下穿段落的地質(zhì)條件，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分析下穿既有高鐵路基的力學(xué)響應(yīng)，確定合理的防護(hù)方案。下穿段隧道覆土厚度為43 m，模型兩側(cè)邊界長(zhǎng)約5倍盾構(gòu)直徑，開(kāi)挖方向長(zhǎng)度150 m，底部約束位移，側(cè)邊界約束法向位移，上邊界為自由邊界。

土體材料采用Mhor-colmub本構(gòu)模型，參數(shù)按地勘報(bào)告確定。盾殼、管幕、袖閥管參數(shù)按鋼材取值；同步注漿層用等代層模擬，厚度取20 cm；盾構(gòu)管片及二次注漿采用實(shí)體單元，均假定為各向同性的彈性體；既有路基CFG樁采用Pile單元模擬。模型如圖6所示，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型

表2 地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

初始地應(yīng)力平衡后，隨后模擬盾構(gòu)隧道開(kāi)挖，首先，沿隧道軸線(xiàn)方向開(kāi)挖1環(huán)范圍內(nèi)的土體(環(huán)寬2 m)，每步開(kāi)挖后的地層應(yīng)力釋放采用“節(jié)點(diǎn)反力法”(分兩次釋放，開(kāi)挖后釋放系數(shù)為0.35)[13]；隨后，施作Shell單元模擬盾構(gòu)機(jī)身，開(kāi)挖5環(huán)后通過(guò)修改實(shí)體和結(jié)構(gòu)單元參數(shù)，模擬盾構(gòu)機(jī)沿隧道軸線(xiàn)方向推進(jìn)、管片拼裝、同步注漿，同步注漿滯后管片拼裝1環(huán)、二次注漿滯后3環(huán)，不考慮施工停頓等影響。計(jì)算方案采用表3所示的組合，方案1～方案3分別如圖6(c)～國(guó)；圖6(e)所示，方案4包括盾構(gòu)同步注漿和二次注漿。在方案3中，保壓循環(huán)注漿方案的加固范圍為100 m×50 m，厚6.0 m，采用實(shí)體單元模擬，網(wǎng)格劃分為5層，參考文獻(xiàn)[14]中的多層小導(dǎo)管注漿加固模擬方法，為模擬保壓循環(huán)注漿效果，在盾構(gòu)通過(guò)路基中心線(xiàn)前后3環(huán)時(shí)，在加固區(qū)中間兩層單元上施加法向壓力25 kPa模擬注漿膨脹過(guò)程，盾構(gòu)通過(guò)路基中心線(xiàn)3環(huán)后，按線(xiàn)性逐漸減小，模擬膨脹壓力的消散過(guò)程，該過(guò)程中，加固區(qū)地層參數(shù)隨注漿次數(shù)的增加而逐步提高。

表3 計(jì)算方案

3 結(jié)果分析

針對(duì)不同防護(hù)方案下的路基沉降、軌道靜態(tài)幾何偏差等進(jìn)行分析，確定防護(hù)方案，并對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 既有路基變形分析3.1.1 路基沉降

選取既有路基中心所在的橫剖面為監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)斷面與盾構(gòu)隧道軸線(xiàn)方向垂直。路基最終的沉降槽曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 既有鐵路路基的沉降槽曲線(xiàn)

由圖7可知，方案4的沉降值遠(yuǎn)大于其他方案，最大沉降值達(dá)28.6 mm。方案1、方案2的沉降槽寬度接近，反彎點(diǎn)在軸線(xiàn)兩側(cè)25.4 m處。

方案2中，由于路基一側(cè)的豎井及橫通道開(kāi)挖使得沉降槽曲線(xiàn)略微偏向豎井側(cè)；方案3對(duì)既有路基的沉降控制效果顯著，不僅降低了最大沉降值，還使沉降槽的反彎點(diǎn)曲線(xiàn)變得平緩，對(duì)軌道的高低、軌向的控制十分有利。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，路基加固范圍應(yīng)在隧道軸線(xiàn)兩側(cè)約40 m。

圖8為3種不同防護(hù)方案下盾構(gòu)開(kāi)挖面通過(guò)路基中心約6 m后的隧道軸線(xiàn)上方地表縱向沉降曲線(xiàn)。隨著盾構(gòu)通過(guò)路基中心線(xiàn)，沉降值迅速增加，通過(guò)路基中心線(xiàn)后方約40 m后，地面沉降曲線(xiàn)逐漸趨于平緩，表明路基及地層變形已趨于穩(wěn)定。以方案2為例，盾構(gòu)開(kāi)挖面30 m后既有鐵路路基的沉降速度加快，盾構(gòu)開(kāi)挖面前后30 m的范圍內(nèi)路基變形較大，超出該范圍后盾構(gòu)開(kāi)挖的影響逐漸減弱。

圖8 不同防護(hù)方案下隧道軸線(xiàn)縱向地表沉降曲線(xiàn)

防護(hù)方案的目的在于控制既有鐵路路基的整體變形，僅對(duì)既有路基底部地層采取加固措施不能完全控制大直徑盾構(gòu)掘進(jìn)帶來(lái)的沉降，方案3的路基沉降值明顯小于其他方案，表明通過(guò)保壓循環(huán)注漿對(duì)路基變形的主動(dòng)控制效果較好。

表4給出了不同方案下路基中心點(diǎn)的最大沉降值。由表4可知，采用方案4時(shí)(無(wú)防護(hù)措施)，盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層損失較大，最大沉降值達(dá)28.56 mm。由圖8可知，采用方案1時(shí)，既有鐵路路基的最大沉降值為12.92 mm，大于方案2和方案3，表明在路基下方進(jìn)行注漿加固雖能減小盾構(gòu)開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)，但方案1、方案2在盾尾脫出后(-10 ～ 0 m)的豎向位移下降速率明顯增大。采用方案3時(shí)，路基中心點(diǎn)沉降僅有3.13 mm，原因是在盾構(gòu)下穿過(guò)程中進(jìn)行了保壓循環(huán)注漿壓力，使盾尾脫出后(-10 ～ 0 m)的豎向變形速率明顯變小，該范圍的沉降值均較為接近。因此，方案3對(duì)既有鐵路路基變形的控制效果最顯著，且沉降變化曲線(xiàn)平緩，有利于軌道的平順性控制。

表4 既有鐵路路基的最大沉降值

3.1.2 軌道平順性分析

提取防護(hù)方案1～方案3的軌道軌距、水平、高低、軌向數(shù)據(jù)，如表5所示。分析盾構(gòu)下穿既有鐵路路基產(chǎn)生的軌道變形特征，與表1中的線(xiàn)路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值進(jìn)行比較。

表5 軌道偏差計(jì)算值與控制值比較

由表5可知，盾構(gòu)下穿施工主要引起路基發(fā)生豎向位移，水平位移較小。軌道的軌距、水平、軌向等的變形值均遠(yuǎn)小于控制值，軌道水平是兩條鋼軌的軌頂高差。模擬結(jié)果表明，盾構(gòu)下穿施工后引起鋼軌處的水平差異沉降小，因此，軌道高低是盾構(gòu)下穿施工的主要控制指標(biāo)。

在3種不同防護(hù)方案下，采用方案1時(shí)，軌道高低超過(guò)了經(jīng)常保養(yǎng)控制值，采用方案2時(shí)超過(guò)了作業(yè)驗(yàn)收控制值，不利于軌道的平順性控制，必要時(shí)需通過(guò)扣件進(jìn)行調(diào)節(jié)。方案3通過(guò)主動(dòng)控制路基變形來(lái)調(diào)節(jié)軌道變形，軌道高低值僅為0.21 mm，軌向值為0.23 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的作業(yè)驗(yàn)收控制值，控制效果明顯。

3.2 防護(hù)方案參數(shù)分析

基于上節(jié)的計(jì)算分析，僅通過(guò)洞內(nèi)同步注漿、二次注漿加固措施來(lái)控制大直徑盾構(gòu)下穿造成路基沉降，最大沉降值為28.56 mm，不利于軌道的平順性控制，無(wú)法滿(mǎn)足高鐵的安全運(yùn)營(yíng)，需選擇合適的防護(hù)措施，由于地層軟弱，大盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)極易引發(fā)地層變形，方案3既可提前加固防護(hù)路基，又可在盾構(gòu)通過(guò)時(shí)采用具有補(bǔ)償性質(zhì)的保壓循環(huán)注漿來(lái)主動(dòng)控制路基變形，因此，選擇方案3作為既有高鐵路基的防護(hù)方案。為確定方案3的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)置不同的袖閥管間距、注漿壓力進(jìn)行計(jì)算，以路基沉降值為指標(biāo)確定合理參數(shù)指導(dǎo)實(shí)際施工。

(1)袖閥管間距影響

取袖閥管直徑為50 mm，分別計(jì)算在袖閥管間距為0.6，0.5，0.4，0.3 m時(shí)既有路基中心點(diǎn)的沉降值，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，注漿管間距的增大會(huì)導(dǎo)致地表沉降量增加，但增量不大，最大與最小值相差約為2.4 mm，因此，注漿管間距合適即可，建議的注漿管間距為0.4 m。

圖9 不同注漿管間距下路基中心沉降值

(2)注漿壓力的影響

在確定φ50 mm注漿管間距為0.4 m的條件下，分別計(jì)算保壓循環(huán)注漿壓力為15，20，25，30，40 kPa時(shí)既有路基中心線(xiàn)沉降槽分布，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)保壓循環(huán)注漿壓力低于20 kPa時(shí)，路基最大沉降值超過(guò)3.9 mm，當(dāng)保壓循環(huán)注漿壓力為25～30 kPa 可滿(mǎn)足沉降控制要求，保壓循環(huán)注漿壓力不宜過(guò)大(即注漿壓力超過(guò)40 kPa時(shí))，否則會(huì)導(dǎo)致路基整體隆起，不利于高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

圖10 不同注漿壓力下路基中心位置的沉降槽分布

3.3 大直徑盾構(gòu)下穿施工變形控制措施

表6總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)類(lèi)似盾構(gòu)工程下穿既有鐵路路基的工程案例[15-20]，多為標(biāo)準(zhǔn)直徑6.2 m的盾構(gòu)下穿既有路基工程，歸納的工程實(shí)例中以黏土、粉質(zhì)黏土等軟弱地層為主，采用的加固方法以旋噴樁加固及路基底部注漿加固為主。對(duì)于下穿無(wú)砟軌道路基的實(shí)測(cè)最大沉降值為5.6 mm，有砟軌道路基的實(shí)測(cè)最大沉降值則相對(duì)較大，可作為大直徑盾構(gòu)下穿既有無(wú)砟軌道路基沉降控制提供參考，基于3.2節(jié)的模擬結(jié)果，軟土地層大直徑盾構(gòu)下穿既有無(wú)砟軌道路基的沉降控制措施應(yīng)符合如下要求。

表6 類(lèi)似盾構(gòu)下穿既有路基工程案例

(1)軟土地層受大直徑盾構(gòu)下穿影響較大，影響區(qū)位于隧道軸線(xiàn)左右兩側(cè)-40～+40 m，保壓循環(huán)注漿方案中，應(yīng)控制該區(qū)域的注漿壓力值，依據(jù)沉降槽曲線(xiàn)的反彎點(diǎn)可將影響范圍劃分為主影響區(qū)和次影響區(qū)，主影響區(qū)為隧道軸線(xiàn)兩側(cè)約 25 m，沿掘進(jìn)方向的加固范圍應(yīng)大于80 m。

(2)選擇保壓循環(huán)注漿方案作為盾構(gòu)下穿既有路基的防護(hù)方案，采用φ50 mm鋼質(zhì)袖閥管進(jìn)行加固，間距不宜大于0.4 m，隧道軸線(xiàn)兩側(cè)約 25 m的主影響區(qū)可加密注漿，更好的形成循環(huán)注漿管路，注漿壓力應(yīng)控制合理，不宜超過(guò)40 kPa，否則易產(chǎn)生隆起，施工時(shí)應(yīng)注意根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)整該注漿壓力及范圍。

(3)大直徑盾構(gòu)自身的掘進(jìn)參數(shù)也應(yīng)進(jìn)行合理控制，尤其是下穿施工段的泥水倉(cāng)壓力、同步注漿、推力、扭矩等參數(shù)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化控制。

4 結(jié)論

(1)只通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)措施控制大直徑盾構(gòu)下穿軟土地層造成的沉降無(wú)法滿(mǎn)足高鐵安全運(yùn)營(yíng)，基于對(duì)大直徑盾構(gòu)下穿既有無(wú)砟軌道路基的研究，提出的3種路基防護(hù)方案變形控制效果由高到低依次為：保壓循環(huán)注漿方案>豎井底部注漿加固方案>管幕加固方案。

(2)盾構(gòu)下穿施工引起的鋼軌差異沉降小，軌道高低可作為盾構(gòu)下穿既有路基施工的主要控制指標(biāo)。保壓循環(huán)注漿方案盾構(gòu)通過(guò)后路基中心點(diǎn)沉降3.13 mm，可通過(guò)主動(dòng)控制路基變形來(lái)調(diào)節(jié)軌道變形，軌道高低值為0.21 mm，軌向值為0.23 mm，遠(yuǎn)小于2 mm作業(yè)驗(yàn)收控制值，控制效果明顯。

(3)基于既有高鐵路基沉降控制要求，確定了保壓循環(huán)注漿的加固橫縱向范圍應(yīng)為隧道軸線(xiàn)兩側(cè)約40 m，合理注漿壓力不宜超過(guò)40 kPa，注漿管間距不宜大于0.4 m，可為工程施工提供借鑒參考。