高铁大直径盾构隧道下穿快轨路基结构的影响分析及控制技术研究

王乐明

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

京沈高铁望京隧道在DK19+910～DK19+980段下穿北京地铁机场线三元桥～T2、T3航站楼区间路基段，为保证施工期间地铁运营安全，需对其施工影响进行分析，采取切实、有效的沉降控制措施。蔡向辉[1]通过建立轨道-路基-地基有限元模型，对盾构下穿高铁线路施工引起的轨道沉降规律和列车的动态响应进行了分析；文献[2-6]分析了盾构下穿路基结构变形影响规律，研究了地层预加固等变形控制措施；张成平，张顶立等[7]和荣星星[8]介绍了远程自动监测系统在下穿既有线施工中的应用情况，证明了远程自动监测系统在穿越工程施工应用中的实时性、有效性和可靠性。而上述研究的对象均为地铁盾构隧道工程，开挖断面较小。

本工程的特点在于：(1)下穿隧道采用大直径泥水平衡盾构机施工；(2)隧道下穿既有地铁快轨路基为带挡墙高填方路基结构，抗变形能力差；(3)下穿既有线采用直线电机感应驱动模式，轨道结构为直线电机轨道结构，对变形非常敏感，且不能采取任何轨道预防护措施。因此研究大直径泥水盾构隧道施工对地面快轨路基结构的影响和基于实时自动化监测的全过程施工影响动态控制措施对保证机场快轨安全运营十分必要。

1 工程概况

京沈高铁望京隧道左、右线隧道南北向横穿北京首条快轨线路——地铁机场线，线路平面交角58°。隧道结构外径10.5 m，管片厚度为50 cm，采用φ10.9 m的大直径泥水平衡盾构机施工。下穿机场线段，隧道结构顶与机场线轨面和路基CFG桩底的距离分别为21.315 m和5.4 m，隧道覆土厚度约为17.355 m[9]。隧道与机场快轨平剖面位置关系如图1所示。

图1 高铁隧道与机场快轨平剖面位置关系(单位：m)

1.1 机场快轨既有结构现状

隧道下穿段机场线为地面高填方带挡墙路基结构，路基挡土墙为5 m高预制悬臂式钢筋混凝土结构，路基主体结构下部布置CFG桩，桩长10 m，轨道结构为直线电机轨道结构形式，由整体道床、走行轨、感应板、弹性扣件组成，道床结构形式为长轨埋入式两侧水沟整体道床[10]。线路运营速度100 km/h，采用直线电机感应驱动，俗称“半磁悬浮”，对轨道结构变形非常敏感[11]，不能采取任何轨道预防护措施。直线电机与感应板、轨道关系如图2所示。

注：感应板要安置在轨道道床上，其与钢轨、道床以及三轨的尺寸链关系至为重要。图2 直线电机与感应板、轨道关系(单位：mm)

1.2 地质条件

地质勘察报告揭示，穿越机场线段地层从上到下依次为素填土、粉土、细砂、粉质黏土、粉土、细砂、粉砂、粉质黏土，隧道洞身位置为粉土、粉质黏土、细砂、粉砂等细颗粒地层，地下水位埋深为5～8 m，隧道位于地下水位以下。

在上述富水细颗粒地层进行泥水盾构施工时，存在泥水分离难度大、刀盘易结泥饼、受扰动地层后期固结沉降时间长等问题，从而导致地面沉降控制难度大、变形发展周期长。

2 隧道施工对快轨结构的影响分析

隧道掘进施工将对开挖影响范围内的地层产生扰动，在地表出现不同程度的隆沉变形[12-15]，进而使路基结构产生变形，影响轨道线路的平顺性，给列车安全运营带来不利影响。为科学评价盾构施工的影响，选取了相邻的工程作为试验段，根据现场监测数据，分析盾构隧道施工过程对地面沉降变形的影响，并结合有限元数值模型进行线路运营安全分析。

2.1 隧道施工对地面沉降的影响

现场选取总长为200 m的试验段，分4个段落根据监测数据不断优化盾构掘进和注浆参数进行现场试验，试验段主要施工参数统计见表1。

表1 试验段落划分及主要施工参数统计

注：1 bar=0.1 MPa

试验段右线隧道已完成施工段落典型断面最终地表横向沉降槽分布曲线和纵向历时沉降曲线如图3、图4所示。

图3 典型断面横向沉降槽分布曲线

图4 典型断面纵向历时沉降曲线

(1)从图3可以看出，盾构掘进过程影响范围约为隧道中线两侧30～40 m，其中隧道中线两侧15～20 m(1.5D～2.0D)为显著影响区。

(2)结合表1和图3可以看出，通过不断优化盾构掘进和注浆参数等洞内施工工艺措施，可以显著降低隧道施工对地表沉降的影响。其中泥水压力、泥浆参数和同步注浆初凝时间和注浆压力影响较大。

(3)分析图4所示盾构掘进过程沿线路纵向沉降各阶段所占比重，变形控制的关健阶段为通过阶段、管片脱出盾尾阶段及后期沉降阶段。

2.2 三维数值分析

2.2.1 数值计算模型(图5)

图5 数值计算模型

对隧道下穿机场线快轨路基结构建立计算模型，考虑等同于试验段落的控制盾构掘进参数等工艺措施和洞内同步注浆、二次注浆、深孔注浆等补偿地层损失工程措施，模型计算考虑盾构掘进造成的地层损失率取0.5%，同时考虑地面超载和列车荷载、盾构顶推力，对盾构隧道施工过程进行模拟分析。

2.2.2 计算结果分析

左右两隧道施工完成后，既有机场线区间路基主体结构和线路轨道变形情况如图6和图7所示。

图6 路基结构竖向变形云图

图7 轨道结构变形沉降曲线

(1)从图6可以看出，隧道开挖对地层土体产生了扰动，引起了上方路基、线路轨道等结构的沉降。后施工隧道对地表路基结构产生了附加影响，路基结构的沉降峰值向两隧道中心线位置发展，路基结构的最大沉降值由单线隧道穿越完成后的1.934 mm发展为3.532 mm。

(2)从图7可以看出，轨道结构因采用长轨埋入式结构形式，在路基结构发生变形的同时，轨道结构产生了几乎等同于路基结构的变形量值。

(3)根据数值分析结果，在未进行加固的情况下，仅通过盾构施工工艺控制及洞内补偿注浆等措施，路基及轨道结构的变形沉降预测值不能满足保证地铁运营安全所需的+1～-2 mm的变形沉降控制要求[16]。

3 隧道下穿施工的变形控制措施

根据现场监测数据和变形预测结果，充分利用先进的泥水平衡盾构施工工艺，控制地层损失，辅以地面预加固和跟踪补偿加固措施，通过洞内、洞外的密切协调配合，确保施工及线路运营安全。

3.1 地面注浆加固措施

3.1.1 施工影响及加固范围(图8)

根据试验段的监测数据分析结果，盾构施工横向影响范围为隧道轴线两侧30～40 m，沿地铁机场线线路方向总长共计约130 m。根据施工影响程度，将影响范围划分为主影响区和次影响区：

(1)主影响区约为隧道中线外侧15～18 m，注浆加固范围取至隧道中线外侧20 m，沿地铁机场线线路方向加固总长度为90 m；

(2)在盾构施工的次影响区，同样进行注浆加固，加固范围为隧道中线外侧20～40 m。

3.1.2 地面注浆加固措施(图9)

图8 地面注浆加固范围平面示意(单位：m)

图9 地面注浆钻孔布置示意

(1)在主影响区靠近机场线的两侧各布设2排竖向注浆管，在盾构下穿前提前注浆加固，对机场线结构两侧地层进行挤密加固，降低隧道施工沿盾构掘进方向的影响。

(2)根据地面环境情况，在盾构施工主影响区两侧分别布设4排、3排斜向注浆管，对机场线下方地层进行注浆加固。其中两侧靠近机场线的1排斜向注浆管作为盾构掘进施工过程的跟踪补偿注浆预留孔，其余注浆管在盾构穿越前对基底地层进行注浆预加固。

(3)在次影响区近机场线的两侧分别布设2排斜向注浆管，其中靠近机场线的斜向注浆管作为盾构掘进施工过程的跟踪补偿注浆预留孔，远离的一排在盾构穿越前对基底地层进行注浆预加固

3.1.3 地面注浆加固工艺

(1)主影响区注浆孔进行加密，排距和孔距均为0.75 m；次影响区钻孔间距适当加大，取1.5 m，梅花形布设。

(2)注浆管采用φ42 mm袖阀管，注浆材料采用超细水泥浆，并添加补偿收缩的膨胀剂。

(3)注浆工艺采用后退式分段注浆，注浆压力控制在0.2～1.0 MPa，并确保注浆引起的机场线隆起不超过1 mm。

(4)在盾构到达前，利用预注浆孔进行地层加固，加固时先施作靠近机场线的两排竖向注浆孔，在对机场线结构两侧地层进行挤密加固的同时，作为倾斜注浆孔的止浆墙，提高机场线下方地层的注浆效果。

(5)在盾构到达前(即盾构刀盘切口前6～24 m)至盾构通过后(约5 d后)，根据监测数据，利用预留的跟踪补偿注浆管进行补偿注浆。

3.2 洞内措施

3.2.1 工艺措施

充分采用先进的盾构施工工艺措施，控制盾构掘进参数，控制盾构姿态，控制地层损失，尽量减少盾构施工对地层的扰动。

在盾构机穿越机场线的正下方段落，在盾构开挖轮廓线与盾壳之间加注填充材料，以控制盾构通过阶段的沉降。

3.2.2 工程措施

在盾构掘进过程中，加强管片背后同步注浆、二次补注浆，调控管片背后注浆工艺(浆液配比、初凝时间、注浆量、注浆时机等)，减小盾构通过时的地层沉降。

盾构施工完成后，利用管片预留的注浆孔向地层内进行打孔注浆，补偿地层损失引起的后期固结沉降。

3.3 监测措施及结果

(1)在盾构穿越机场线前选择合适段落作为试验区段，分段采用不同的盾构掘进参数，在地面设置地表沉降和地层深层沉降监测点，在盾构掘进过程中，采集监测数据，总结、分析各掘进参数对沉降影响的对应关系，得出了比较适合下穿机场快轨掘进施工的各种参数，指导后续穿越施工。

(2)在隧道下穿施工影响范围内的地铁机场线挡墙内轨道结构布设数据自动采集系统，进行远程自动化实时监测，轨道结构竖向变形测点与路基挡墙测点布设在同一断面，采用自动化实时监测与洞内和地面人工监测相结合的方法，指导地面预注浆、补偿跟踪注浆和洞内掘进施工。地铁机场线路基及轨道结构测点布置见图10。

图10 地铁机场线路基及轨道结构测点布置

(3)根据监测结果，采取地面注浆加固措施后，单线隧道穿越施工完成后轨道结构的最大沉降值降至0.86 mm，有效控制了盾构施工对既有运营线路的影响。

4 结论与建议

(1)机场快轨轨道结构对变形非常敏感，对于高填方带挡墙路基这种对变形沉降控制要求非常高的结构，仅通过优化控制盾构掘进参数等工艺措施和洞内补偿注浆，控制地层损失，减小地铁快轨路基沉降及轨道变形，不能满足其线路运营安全的要求。

(2)通过在望京隧道右线下穿机场快轨路基段落施工中的应用，证明采取地面注浆加固措施，可以达到对盾构施工引起的地面沉降进行有效控制的目的，及时补偿地面既有路基及轨道结构的高程损失，取得非常理想的效果。

(3)通过自动化实时监测可以及时、准确掌握路基结构和轨道的变形情况，指导地面注浆预加固措施的实施，并为盾构下穿施工过程中及时采取跟踪补偿注浆抬升应对措施提供依据和参考标准，达到穿越施工的全过程实时动态控制，从而保证既有线路的安全运营。