地铁盾构下穿哈大高速铁路加固效果分析

刘 立 明

(沈阳铁道工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110005)

1 工程概况

大连地铁5号线后盐站—后关村站区间全长3 347 m，区间隧道采用盾构法施工，在K22+860～K22+960附近下穿哈大高速铁路，临近盾构穿越段的高铁桥基础为扩大基础，其中：左线距31号桥墩基础水平和竖向净距分别为3.27 m，17.10 m，距32号桥墩基础水平和竖向净距分别为3.03 m，16.45 m。右线距32号桥墩基础水平净距和竖向净距分别为2.97 m，16.24 m，距33号桥墩水平净距和竖向净距分别为3.07 m、竖向净距13.08 m。盾构穿越高铁平面位置如图1所示。本区间标准线间距为17 m，最大线间距为29 m，平面最小曲线半径为500 m。穿越高铁桥下为缓和曲线段，缓和曲线长70 m。

2 水文地质条件

盾构穿越哈大高铁土层自上而下依次为：素填土，层厚1.0 m；中风化白云岩，盾构区间位于中风化白云岩层中，覆岩13.40 m。中风化岩为灰色和灰白色，隐晶质结构，中厚层状构造，岩芯为块状、柱状，对应的饱和单轴抗压强度为22.4 MPa～81.2 MPa，标准值为39.5 MPa，综合判定属较软岩～坚硬岩，岩体较为破碎，岩体基本质量等级为Ⅳ级。

3 盾构加固措施

盾构下穿既有高速铁路时，普遍使用的加固措施通常是可以对地基土采用注浆加固等措施[1]，另一注意事项是严格控制盾构的施工参数[2]。随着经济的快速发展，地铁建设越来越多，不可避免的和高速铁路交叉，地铁盾构下穿高铁时，均选择下穿高铁高架桥区段。穿越高架桥下，便于变形观测也容易实时盾构加固，保证既有高速铁路的安全运营。

本次盾构穿越白云岩时，除盾构施工所包括的同步注浆、二次注浆及必要的补偿注浆外，还应从盾构区间内对拱部地层进行补救注浆加固，在盾构后约10环处向衬砌背面岩体进行二次注浆，高铁桥下隧道盾构时采用完善的超前注浆方法，可以尽可能的减少盾构时差异沉降。

盾构区间对应高铁桥下施工的止起里程为K22+912～K22+928，本施工范围内管径为2.75 m，外观内径为3.1 m，管片厚度为0.35 m，盾构机类型为复合式涂鸦平衡盾构机，盾构管片采用6分块，由一块封顶块、两块邻接、三块标准块组成，采用普通环错缝拼装，每环块宽1.2 m。在高铁桥下盾构区段拱顶需要注浆加固，注浆浆液加固的扩散半径为0.5 m，相邻注浆加固体的夹角为45°，区间顶部主要位于中风化白云岩中，结合现场施工及监测情况[3]，区间盾构下穿高铁加固横断面如图2所示。

实时对浆液配比进行动态调整，保证浆液能够快速填充密实，并在较短时间内达到强度，注浆压力不大于0.5 MPa，二次压浆可以有效减少同步注浆不足，加固后，可以显著降低中风化岩上部地表沉降[4]，采用本方案，可以有效的保证盾构隧道穿越高速铁路时，沉降符合规范要求，同时，也能够保证既有高速铁路安全运营。

结合地质勘察报告，本区段有溶洞存在，为保证盾构安全，盾构机需要配置超前探测设备，能够及时探测发现盾构前方20 m内溶洞。针对溶洞情况，盾构设计时考虑完善的超前注浆方案，盾构体周向设置10处超前注浆孔，其中上部6根，下部4根。前盾隔板设置7处水平超前注浆孔，在必要时可对开挖面前方进行超前注浆地基加固。

采用微动技术圈定岩溶异常靶区，有条件的地段进行地质钻探验证；无法直接在岩溶异常靶区钻探的，以岩溶异常靶区为中心，在外侧不舍钻孔，采用跨孔电磁波CT进行空间扫描工作，除此之外的勘察区采用钻孔与跨孔电磁波CT相结合的工作方式。

采用地震微动物探工作共推断发现了4处溶洞发育区和3处岩体破碎区，发育深度基本在8.0 m～23.5 m之间，沿线位方向发育宽度一般在1.7 m～2.9 m，绝大部分都集中在隧道洞身及以上10.0 m范围内。

采用电磁波CT共推断发现了8处溶洞发育区和1处岩体破碎区，溶洞位置与钻孔揭露情况吻合性较好。根据详细勘察成果及本次勘察成果，钻孔揭露的16个溶洞全部为全充填，充填物为软塑～可塑黏性土及风化岩碎块，溶洞直径一般不大于1.0 m，大直径溶洞较少，溶洞埋深主要在15.0 m以上。钻孔揭露的16个溶洞当中，隧道顶板以上有10处，占62.50%，洞径0.4 m～2.2 m。隧道结构范围内5个，占31.25%，洞径0.3 m～2.6 m。隧道底板以下1个，占6.25%，洞径0.9 m。溶洞多位于隧道顶板以上和隧道结构范围内，隧道底板以下溶洞发育较弱。

施工前根据实际情况，综合利用高精度瞬变电磁技术、高密度电法、微动等物探方法更准确的探查出该区域的岩溶发育、岩层风化破碎情况等。隧道底板以下5.0 m投影范围内的溶洞必须填充处理；隧道底板以下5.0 m内但不在隧道投影范围内的溶洞根据实际情况采取处理措施；隧道底板以下5.0 m范围以外的溶洞可不处理。每个注浆处理区域的溶洞均要检测一次，随机钻孔取芯，无侧限抗压强度不低于0.4 MPa，处理效果不达标需要补注。

4 数值模型的建立

数值分析中，隧道衬砌管片选用实体单元模拟，材料为C50混凝土管片，土层选用摩尔—库仑模型，结构选用线弹性模型[5]，有限元计算中土体力学性质指标详见表1。

表1 土体力学指标

选用三维有限元模型进行施工加固模拟，为了降低边界效应对数值分析中计算结果的不利作用，确保相应计算结果精准，隧道两侧距离不低于4倍洞径，模型宽度为60 m；隧道下方取40 m，模型高度63 m；隧道施工方向长度为50 m。网格划分采用六面体单元，单元总数为80 268个。C50混凝土重度取为25 kN/m3，泊松比为0.2，弹性模量取为34 500 MPa。素填土和中风化白云岩弹性模量分别取为4 000 MPa，39 500 MPa，其余土层力学指标不变。计算分析时，在模型底部施加竖向约束，其余4个侧面分别施加垂直各个侧面方向的水平位移约束，同时，模型计算前均施加重力荷载。盾构穿越模拟如图3，图4所示。

通过有限元数值分析，得出3个高铁桥墩不同位置的沉降值，见图5，盾构通过后，哈大高铁最不利桥梁基础整体沉降发生在中间的桥墩，沉降值为0.73 mm，0.53 mm为相邻桥墩的墩基础最大沉降差，沉降值满足高速铁路的安全控制要求，遵照《客运专线300 km/h～350 km/h轨道不平顺管理值》和《铁路线路维修规则》，并结合本地情况和国内类似工程的施工加固措施，按照无砟轨道要求高速铁路控制值为隆起1 mm，沉降为1 mm考虑，修建地铁时，采用本加固方法穿越高铁桥下岩层，能够保证沉降值符合要求，也能够确保高速铁路的列车运营安全。

经数值分析，地铁施工完毕后，路基的最大沉降槽曲线如图6所示，最大沉降值为8.08 mm，最大沉降值位于两条盾构隧道的对称面位。

5 结论及建议

1)盾构法施工时，首先要确保同步注浆质量和数量符合设计要求，避免地层变形、提升结构的抗渗性，也可以起到改善结构受力，必须保证衬砌管片与盾构围岩的间隙充填密实，同时，结合下穿段具体地质情况，需要在试验段先行分析出最佳注浆量及注浆压力，保证在盾构穿越高铁时所用参数最优。

2)施工前向铁路部门申报完备的穿越施工方案，待铁路部门审批通过后方可施工。并应由铁路部门提出具体的允许变形值及沉降值控制指标，以便在施工中监测控制，施工过程中加强沉降监测，及时优化施工参数。

3)盾构掘进时，需要严格控制掘进速度和姿态，不应频繁的调整，减少纠偏次数，姿态调整时需要严格控制在±5 mm范围内。

4)进入高铁桥下投影段前，必须全面检查盾构机和相关其配套设备，确保以最佳的状态盾构穿越最关键区段。严格控制同步注浆量，避免因盾尾空隙未能得到及时填充而产生下沉。并及时进行二次注浆，保证二次注浆量，为了达到更好的控制后期沉降值，注浆时需要结合监测信息情况及时调整，确保以最佳方式盾构穿越。

5)在盾构掘进过程中，通常洞身围岩塑性区的发展具备滞后性，为了减少盾构时在高速铁路桥下围岩中的停留时间，可以快速的完成管片布设安装工作。

6)采用地面注浆处理的溶洞，应经过铁路部门同意，做好专项施工方案。盾构过程中遇到待填充物的溶洞，需要加大注浆量快速通过，同时在成型隧道上安排二次补充注浆，防止隧道下沉影响结构质量。溶洞较大，需要进行地面钻孔注浆，泵送砂浆把溶洞填充密实后再向前推进。

7)施工过程中做好施工监测，为调整和优化施工措施提供可靠信息和依据。