地铁盾构下穿多股道铁路路基变形控制优化研究

马相峰,龚 伦,吴金霖,王立川,孔 超

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.中国铁路成都局集团有限公司,成都 610082； 3.西南科技大学土木工程与建筑学院,四川绵阳 621010)

引言

近年来,随着我国城镇化进程的加快,大中型城市交通压力逐渐增大,在现有地面交通无法解决拥堵问题的背景下,地下空间的开发利用成为必然趋势[1-3]。截止2018年底,我国开通运营快速轨道交通线路的城市有37个,运营总里程达5 539.19 km。近几年城市轨道交通网络迅猛发展,在其不断发展和完善的过程中,不可避免地出现地铁隧道与既有构(建)筑物近接的情况,隧洞开挖对地层的扰动改变既有围岩的应力状态,会引起地层损失和地表沉降,进而造成既有构(建)筑物的变形[4-8]。相对而言,近接施工往往存在更大风险,尤其是地下隧道穿越既有运营铁路线路时,由于铁路不间断运营的特殊性,稍有不慎可能引发重大安全事故。

众多学者和技术人员对该类问题开展了大量研究[9-17]。李林等[18]以上海轨道交通9号线盾构下穿既有铁路现场测试为手段,对盾构下穿铁路干线造成周围环境的影响及盾构管片结构内力变化进行了分析,提出了合理盾构施工参数和技术措施；任建喜等[19]对黄土地区某城市盾构下穿陇海铁路路基变形规律进行了预测计算,制定了减小施工风险的地层加固及盾构施工措施；季大雪[20]通过Peck法和有限元法计算分析了武汉长江隧道盾构下穿武九铁路沉降影响,提出了现场保护措施和监测方案；蔡小培等[21]就盾构下穿施工对高速铁路路基轨道的影响建立了耦合动力学模型,为地铁下穿施工提供了科学参考；王国庆等[22]采用数值模拟的方法就盾构隧道近距离穿越既有铁路时旋喷桩加固对地表变形的作用进行了分析。

前人的研究成果对此类近接施工起到了很好的指导作用,但是可以发现,此类问题的研究案例中,大多数只是对盾构本身施工参数等做评估,抑或针对特定方案进行研究,较少体现方案的对比性和选择性。以成都地铁8号区间盾构隧道下穿既有铁路为背景,通过FLAC3D数值模拟,分析了地铁盾构施工参数引起的地表沉降规律,同时对盾构下穿4股运营铁路股道时D型梁加固和管棚注浆加固2种股道加固方法的加固效果、施工的可行性及经济性进行了对比,可为类似盾构下穿铁路等近接工程的施工和股道加固提供借鉴及参考。

1 工程概况

成都地铁8号线殷家林站—高朋大道站位于成都市武侯区科园大道路与南三环路五段之间,新建地铁隧道采用泥水加压式盾构机施工,隧道在里程Y(Z)K30+140～Y(Z)K30+161(左线675～694环穿越,右线657～675环穿越)范围下穿西环线4股铁路股道,其中站1线、站2线为正线,站3线为成昆西环联络线，站4线为货运停车线,线路交角87°左右,穿越段隧道顶部距离地面为21.9～22.2 m,洞身穿越地层为成都平原典型卵石地层,易产生较大地表沉降,且施工过程铁路正常运营,是地铁8号线特别重大危险源之一,因此需要严格控制轨道变形，以确保运营安全。地铁与既有铁路的相对位置关系如图1所示。

图1 地铁与既有铁路相对位置关系示意(单位： m)

计算采用显式有限差分元软件FLAC3D,模型横向长120 m,纵向长50 m,隧道洞底以下50 m,除顶面以外各边界施加垂直该面方向的约束,顶面为自由面；初始应力仅考虑自重应力场的影响,模型如图2所示。

图2 计算模型

2 盾构参数优化

盾构法施工引起地表沉降主要的可控掘进参数有密封舱内压力、盾构注浆效果、出渣量等,计算中通过模拟盾构向前推进时土舱平衡压力引起的盾构上方的地表变形值,引入不同地层损失率来模拟盾构注浆效果和出渣量引起的地表变形值。

(1)密封舱压力：计算时掌子面开挖后在掌子面施加不同的密封舱压力,之后直接施加盾构管片,不模拟背后注浆等其他盾构施工过程。

(2)地层损失率：引起地层损失的因素主要有出渣量和盾构注浆效果(同步注浆和后续补充注浆),计算中通过改变拱顶处围岩变形来模拟地层损失率。

2.1 计算模型及参数

盾构管片为30 cm厚的C50钢筋混凝土,按弹性匀质圆环考虑,用小于1的刚度折减系数η(计算取0.7)来体现环向接头的影响。模型中用壳单元模拟管片,地层视为理想弹塑性材料,服从Mohr-Coulomb屈服准则。拟采用φ108 mm钢花管对铁路下方土体进行注浆加固(注浆加固范围见图1(b)),水泥浆液配合比0.4∶1～1∶1,注浆压力为0.2～0.4 MPa,注浆层按弹性材料考虑,地层和注浆层均采用实体单元模拟。地层及盾构管片物理力学参数见表1。

表1 地层及盾构管片物理力学参数

2.2 计算结果及分析

2.2.1 密封舱内压力

隧道埋深为22 m,侧压力系数取0.30,可以计算出密封舱平衡的土压力约0.15 MPa。在计算中,分别计算密封舱内压力为0.00,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25 MPa共6种工况,不同密封舱内压力时的地表纵向沉降曲线如图3所示,结果统计表见表2。

图3 不同密封舱内压力时地表沉降曲线

表2 地表纵向沉降结果统计

从图3、表2可以看出：工作面前方地表沉降在20 m以外趋于稳定,工作面后方地表沉降在15 m以外趋于稳定；当密封舱内压力为0 MPa时,地表最大沉降为7.95 mm,工作面正上方地表沉降为2.92 mm,随着密封舱内压力的增大,地表沉降逐渐减小,当密封舱内压力大于0.15 MPa时,工作面前方地表则有从沉降向隆起变化的趋势,当密封舱内压力为0.25 MPa时,地表最大沉降为2.65 mm,地表隆起为0.19 mm；密封舱内压力超平衡时,地表隆起增大,欠平衡时,地表沉降增大,当密封舱内压力稍微高于平衡土压时(0.20～0.25 MPa),地表的隆起和沉降值均很小。针对不同工程实际,应对比选择最佳密封舱内压力，以保证地表整体沉降最小。

2.2.2 地层损失率

分别计算拱顶处围岩变形为1，5,8,10 cm时4种工况下(对应地层损失率为0.5%,3.0%,5.0%,8.0%)的地表沉降情况(根据2.2.1节,密封舱内压力取0.25 MPa),不同地层损失率时的横向沉降槽如图4所示。

图4 不同地层损失率时地表沉降曲线

由图4可以看出,所有沉降槽均呈正态分布,地层损失率越低,地表沉降越小,横向沉降槽范围也越小。0.5%,3.0%,5.0%,8.0%地层损失率下,地表沉降分别为-9.67,-55.80,-77.35,-102.68 mm,正常情况下,0.5%地层损失率已经属于较好控制效果,但是即使地层损失率为0.5% 时,地表沉降也达到9.67 mm,考虑施工过程的不可控因素,极可能引起股道变形超出控制指标(依据铁运[2006]146号《铁路线路修理规则》,股道沉降标准4 mm)。因此，在盾构开挖前地层注浆加固和控制盾构施工参数的同时,必须设置其他的股道加固措施保证施工安全,且加固范围应大于0.5%地层损失率下沉降槽的宽度(40 m)。

根据以上分析可知,欲使盾构下穿铁路时股道满足运营安全,盾构密封舱内压力的最佳控制值为0.2～0.25 MPa,此时开挖面后方地表沉降和前方隆起均很小；在通过地层注浆加固和严格控制盾构施工参数的同时,必须额外增设其他股道加固措施,否则地表沉降会超出控制标准。此外,实际工程中对出渣量的控制很明确,尽量使实际出渣量等于理论出渣量,一般根据渣土重力及方量对比分析,判断是否超方以及时调整出渣量。

3 加固方案优化

为解决盾构施工中地表沉降过大引起股道较大沉降,根据相关文献和施工经验,在地层注浆加固措施不能保证股道变形时,提出两种加固措施。

(1)D型梁加固：下穿隧道穿越既有铁路沉降槽范围内,采用D型便梁整体架空线路,在D型梁下方采用人工挖孔桩作支墩,考虑到站3线(成昆西环联络线)和站4线(货运停车线)线路控制标准较低,因此只对站1线和站2线施作D型梁。

(2)管棚注浆加固：下穿隧道穿越既有铁路沉降槽范围内,采用管棚注浆整体架空线路,在管棚两端设置地梁作支撑。

3.1 计算模型及参数

D型梁加固和管棚注浆加固模型尺寸相同,横向长120 m,沿隧道纵向长100 m,隧道洞底以下80 m。D型梁长约50 m,桩基及D型梁均采用实体单元模拟,模型如图5所示。管棚采用φ159 mm钢管,长约50 m,间隔50 cm,基坑支护采用15 cm厚的钢板桩,管棚及注浆加固均采用实体单元模拟,模型如图6所示。

图5 D型梁加固模型

图6 管棚注浆加固模型

根据2.2节计算结果,密封舱内压力取0.2 MPa,地层损失率取0.5%。相关物理力学参数见表3。

3.2 施工工序

D型梁加固和管棚注浆加固施工工序见表4。

表3 相关物理力学参数

表4 施工工序

3.3 计算结果及分析

主要计算过程股道的位移云图见图7、图8。

图7 D型梁加固位移云图

图8 管棚注浆加固位移云图

2种加固方案下,盾构隧道施工完成后,各股道竖向位移曲线如图9、图10所示。

图9 D型梁加固方案股道竖向位移曲线

图10 管棚注浆股加固方案股道竖向位移曲线

统计2种加固方案下各主要施工步完成时股道的累计沉降、该施工步下的沉降增量及增量所占最终沉降的比例,结果如表5所示。

表5 各施工阶段股道沉降值统计 mm

由表5可知,站1线和站2线施作D型梁加固时,D型梁施工造成的股道沉降占最终沉降的93%～98%,盾构左线施工造成的股道沉降占最终沉降的1%～4%,盾构右线施工造成的股道沉降占最终沉降的1%～3%,股道沉降主要发生在D型梁施工过程,后续盾构左右线的施工对股道造成的影响很小,说明D型梁对上方股道的隔离作用很明显,但D型梁施工对股道沉降扰动较大；无D型梁施作的站3线和站4线,由于距离站1线和站2线较近,同样受到D型梁施工影响,D型梁施工造成的股道沉降占最终沉降的37%～45%,盾构左线施工造成的股道沉降占最终沉降的29%～37%,盾构右线施工造成的股道沉降占最终沉降的26%,可以发现,在没有D型梁时,下方盾构施工会对股道产生持续性影响。

管棚注浆加固方案时,站1～站4线管棚施工造成的股道沉降占最终沉降的33%～42%,盾构左线施工造成的股道沉降占最终沉降的30%～38%,盾构右线施工造成的股道沉降占最终沉降的19%～29%,股道沉降主要发生在管棚施工、盾构左线施工及盾构右线施工3个过程,说明管棚对上方股道的隔离效果不如D型梁明显,但其施工对股道沉降扰动比D型梁小很多。

由于D型梁的隔离作用优于管棚注浆,后期安全系数更高,特殊地质环境当下方隧道施工发生坍塌等对上方铁路造成较大扰动而管棚注浆加固无法满足要求时,D型梁可以优先考虑,因此,其适用性强于管棚注浆。

对比图9、图10和表5可知,D型梁加固时股道最大沉降为-2.91 mm,管棚注浆加固时股道最大沉降为-2.13 mm,两种加固方案股道沉降都小于控制值4 mm,均可以保证既有铁路运营安全,但本工程中,管棚注浆加固的股道最终沉降小于D型梁加固,且沉降槽的范围更小,同时对底层扰动也较小。

3.4 方案比选

为确定相对最优施工方案,根据施工经验,将D型梁加固和管棚注浆加固方案的加固效果、施工问题、预计工期、施工成本等因素进行对比分析,如表6所示。

可以发现,管棚注浆加固和D型梁加固两种加固措施下,既有铁路股道沉降及变形均小于控制指标,符合运营条件,但管棚注浆加固时的股道最终变形小于D型梁加固,且对股道扰动较小、沉降槽范围更小；对比可知,管棚注浆加固方案,降水、行车、工期、成本、施工扰动等不可控因素均优于D型梁加固方案,可行性、经济性更高,本工程宜优先采用。

表6 加固措施对比

4 结论

(1)地层损失率越低、盾构密封舱内压力越大,地表沉降越小,针对不同工程实际,应反复对比选择最佳密封舱内压力，以保证整体沉降最小。

(2)D型梁的隔离作用优于管棚注浆,但其施工会对股道造成较大扰动。

(3)D型梁加固具有一步到位的效果,后期安全系数更高,复杂工程中,D型梁加固的适用性强于管棚注浆加固。

(4)管棚注浆和D型梁2种加固方案,管棚注浆的经济性和可操作性更强,2种股道加固方案同时满足变形要求时,宜优先采用管棚注浆加固,后期施工造成股道较大变形且管棚注浆无法满足股道变形要求时,宜考虑D型梁加固。