地鐵盾構(gòu)下穿高速鐵路情況下的路基加固與軌面控制

程雄志

（上海鐵路局，200071，上海∥工程師）

隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)隧道下穿鐵路的工程逐漸增多。盾構(gòu)穿越施工是一項(xiàng)存在多項(xiàng)不確定因素的綜合工程，盾構(gòu)下穿鐵路所引起的鐵路路基沉降、線路變形，加劇了軌道不平順，繼而加大輪軌間的沖擊力，對鐵路安全運(yùn)營有嚴(yán)重影響［1－2］。目前對于盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降的規(guī)律已有大量的研究［3－7］。為了保證鐵路的安全運(yùn)行，可以對盾構(gòu)穿越處路基采取攪拌樁或旋噴樁圍護(hù)和注漿加固，并嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的施工參數(shù)。前者可以減少鐵路運(yùn)行引起的動荷載，并增加土體抗力以減少管片內(nèi)力，同時(shí)達(dá)到控制變形、保證安全的目的［8－10］；后者可以減少施工對地層的擾動。

對于普通鐵路有砟軌道而言，該種加固措施下的沉降量基本滿足鐵路運(yùn)行安全的要求；而對于高速鐵路的無砟軌道而言，僅采用該種加固措施，沉降量和沉降完成周期往往不能滿足鐵路軌道結(jié)構(gòu)和運(yùn)行安全的要求［11］，需研究新的路基加固措施。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某地鐵盾構(gòu)下穿既有鐵路站場區(qū)間段，平面情況見圖1。盾構(gòu)隧道推進(jìn)施工采用從南向北的方案，推進(jìn)施工時(shí)的運(yùn)營線路包括：2條客運(yùn)專線正線，高鐵設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為350km／h，正線采用CRTSⅠ型板式無砟軌道；4條到發(fā)線，采用有砟寬軌枕軌道；另有3條既有線改線鐵路，為有砟軌道。地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道管片外徑6.2m，厚度350mm，兩隧道水平中心間距為13.7m，隧頂平均埋深為15.6m，隧道埋深及地質(zhì)剖面分別見圖1、圖2。

圖1 盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路平面示意圖

1.2 工程地質(zhì)情況

據(jù)勘察結(jié)果顯示，本段工程勘察深度內(nèi)的土層自上而下分為①2素填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、④2粉質(zhì)黏土、④3粉土夾粉砂、④5粉質(zhì)黏土層，其具體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

圖2 土層縱剖面圖

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 問題提出

本工點(diǎn)高速鐵路為CRTSⅠ型板式無砟軌道，沉降控制要求更為嚴(yán)格，普通的注漿加固技術(shù)措施不能滿足高速鐵路無砟軌道對沉降的要求，因此在盾構(gòu)穿越高速鐵路正線正下方時(shí)需要加強(qiáng)保護(hù)措施，以控制盾構(gòu)穿越引起的鐵路沉降。

2 路基加固方案及理論檢算分析

2.1 路基加固方案

2.1.1 注漿和板樁聯(lián)合加固方案

在高鐵新建施工路基的同時(shí)，對盾構(gòu)穿越城際正線的區(qū)間段，采用注漿加固（三軸攪拌樁包圍范圍為注漿加固區(qū)），同時(shí)施做樁板加固保護(hù)措施（以下簡稱聯(lián)合加固）。鋼筋混凝土板厚1.5m，長（平行于高鐵正線方向）79m，寬12m，板下方設(shè)四排φ1 000＠3 000mm鉆孔灌注樁，每排樁樁頂設(shè)1 500×2 000梁連接，此外在板角部也設(shè)置了鉆孔灌注樁。兩隧道中間和兩側(cè)樁長分別為50m、55 m，板角部樁長50m，如圖3所示。

圖3 高速鐵路樁板結(jié)構(gòu)聯(lián)合加固圖（單位：m）

2.1.2 注漿加固方案

地鐵盾構(gòu)在穿越普通鐵路有砟軌道線路段時(shí)，若地質(zhì)情況較差，一般對路基采取攪拌樁或旋噴樁圍護(hù)和注漿加固的方案，以改善和提高路基土體的抗力性能。

旋噴加固區(qū)：鐵路路基外側(cè)1m位置，由兩排直徑為1.5m的旋噴樁相互咬合形成，咬合量為0.2m。主加固區(qū)：城際站場一側(cè)為兩邊旋噴樁之間的范圍，既有線站場一側(cè)為最北鐵路線外5m至最南鐵路線外5m的范圍；注漿加固，要求Ps不低于1MPa。次加固區(qū)：城際站場一側(cè)為旋噴樁外側(cè)10m范圍，既有線站場一側(cè)為主加固區(qū)外延10m范圍，南、北兩站場之間區(qū)域；注漿加固，要求Ps不低于0.8MPa。主加固區(qū)、次加固區(qū)的加固要求逐漸降低，在強(qiáng)度及剛度上形成過渡。其中，旋噴樁的深度為隧道底部以下1m至地面；主、次加固區(qū)的深度為③2土層底至隧道底部以下0.5m，普鐵加固注漿加固方法范圍如圖4所示。

圖4 普鐵加固注漿加固方法范圍圖（單位：mm）

2.1.3 有限元分析

圖5 聯(lián)合加固的二維有限元模型

針對本工點(diǎn)加固方案，需對盾構(gòu)施工過程中地表沉降進(jìn)行計(jì)算分析。選取盾構(gòu)隧道包含樁數(shù)最多的橫斷面建立二維有限元模型。聯(lián)合加固的二維有限元模型如圖5所示，注漿加固的二維有限元模型為圖6所示。模型中土體采用硬土模型（HS），單元形式為15節(jié)點(diǎn)的三角形單元；加固板采用板單元進(jìn)行模擬，樁根據(jù)剛度等效的原理進(jìn)行等效處理；樁與土體間加入接觸單元模擬兩者間的相對滑移關(guān)系。

圖6 注漿加固的二維有限元模型

數(shù)值計(jì)算所用的參數(shù)詳見表2。

表2 數(shù)值計(jì)算所用參數(shù)

2.2 加固效果分析

加固效果的計(jì)算對比如圖7所示。

圖7 兩種不同加固方式加固效果的計(jì)算結(jié)果圖

由表2、圖7所示，按照本文所述二種加固方案，采用聯(lián)合加固相結(jié)合的方式加固后，在地鐵盾構(gòu)穿越高鐵后的地表最大沉降量為2.81mm，遠(yuǎn)小于僅采用注漿加固下的最大地表沉降25.18mm。

3 盾構(gòu)穿越高鐵施工時(shí)的相應(yīng)技術(shù)措施

3.1 高鐵線路限速

在盾構(gòu)即將穿越施工前及過后一段時(shí)間（本項(xiàng)目為10天），對高鐵線路的允許速度采取降速，本項(xiàng)目的限速值為120km／h。

3.2 盾構(gòu)穿越進(jìn)度控制和二次注漿

盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度直接關(guān)系到對周圍土體的擾動，是造成軌面變化的重要因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和研究分析，將盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度在高鐵區(qū)域控制為每日四環(huán)較合適。此處盾構(gòu)實(shí)際推進(jìn)速度基本控制在1.8cm～2.0cm／min之間，推力保持在1 300t左右，扭矩保持2 000～2 100kN·m，盾構(gòu)油脂50 kg／環(huán)，泡沫劑50kg／環(huán)。

同時(shí)根據(jù)地面的變化及時(shí)進(jìn)行多次的注漿，充實(shí)管片周圍的空隙，減少后續(xù)軌面沉降。同步注漿3.8m3／環(huán)左右。

4 軌面狀態(tài)監(jiān)測、監(jiān)護(hù)方法

在盾構(gòu)穿越高鐵施工期間，通過高精度儀器的監(jiān)測及時(shí)了解施工引起的軌面變化，指導(dǎo)盾構(gòu)穿越施工參數(shù)的調(diào)整，對控制軌面的變化起主要的作用；同時(shí)采用鐵路工務(wù)常用的動態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的監(jiān)護(hù)方法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌面的變形并予以整治。

4.1 軌面狀態(tài)監(jiān)測

4.1.1 監(jiān)測設(shè)備

根據(jù)高鐵運(yùn)營期間不得上線檢查的安全規(guī)定，不能采用人工檢查軌面變形，必須采用自動的遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，本工程采用全站儀進(jìn)行自動監(jiān)測。

儀器：采用精密型自動化3D全站儀NET05。NET05自動全站儀可自動照準(zhǔn)目標(biāo)。初始化時(shí)只要照準(zhǔn)目標(biāo)的大致方位，瞄準(zhǔn)和對焦工作就完全由NET05全站儀來自動完成。

觀測墩：根據(jù)工程環(huán)境，選取合適的觀測站位，建造穩(wěn)固的觀測墩，安置強(qiáng)制對中盤。

變形觀測點(diǎn)：在點(diǎn)位上安置棱鏡，將棱鏡與固定厚度鋼板連接，用特定強(qiáng)力膠水將鋼板與軌道板粘接牢固，如圖8（a）所示；有砟軌道線路測點(diǎn)直接與軌枕粘接牢固，如圖8（b）所示。

圖8 線路沉降測點(diǎn)圖

4.1.2 監(jiān)測頻率

監(jiān)測重點(diǎn)關(guān)注高鐵正線，監(jiān)測頻率動態(tài)調(diào)整。在盾構(gòu)刀盤逼近正線30、20、10m的時(shí)候觀測頻率為每24h4次、12次、24次。發(fā)現(xiàn)觀測點(diǎn)位數(shù)據(jù)異常時(shí)，對部分點(diǎn)位再加密觀測。盾尾逐漸遠(yuǎn)離高鐵正線后，監(jiān)測頻率隨之遞減。

4.1.3 監(jiān)測報(bào)警值

圖9為監(jiān)測布點(diǎn)情況，每條線路布設(shè)3個測點(diǎn)，分別位于每條隧道軸線及兩條隧道中線與鐵路交點(diǎn)位置；同時(shí)保護(hù)板與正線相交4個位置布設(shè)4個測點(diǎn)。隧道影響范圍內(nèi)的電化桿設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

本工點(diǎn)為國內(nèi)首次地鐵盾構(gòu)下穿高鐵，對高鐵正線的軌面變形控制尤為重要。經(jīng)過反復(fù)研究，決定將盾構(gòu)施工期間的高鐵正線軌面變形報(bào)警控制值設(shè)定為：每24h沉降2mm為報(bào)警值，每24h沉降1mm為預(yù)警值，總沉降量報(bào)警值5mm。

4.1.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖10（a）為北側(cè)高速鐵路正線各測點(diǎn)D1—D5最終沉降量，圖10（b）為南側(cè)高速鐵路正線各測點(diǎn)E1—E5最終沉降量。由圖可以看出，位于盾構(gòu)正上方的測點(diǎn)受盾構(gòu)的影響變形大于位于隧道中心線或者其他地方的測點(diǎn)，北側(cè)高速鐵路正線最大沉降量發(fā)生在D4測點(diǎn)處，為－0.6mm，南側(cè)高速鐵路正線最大沉降量發(fā)生在E4測點(diǎn)處，為－0.7mm。高速鐵路正線沉降量很小，所采取的聯(lián)合加固方案收到很好效果。

圖10 高速鐵路正線縱向變形曲線

由圖11可知，測點(diǎn)基本呈現(xiàn)先隆起，后下沉的形態(tài)。本工程盾構(gòu)右線先推，左線后推。盾構(gòu)刀盤切入大板，大板上測點(diǎn)開始隆起，累計(jì)最大隆起量為＋1.4 mm；之后隨著盾構(gòu)的推進(jìn)遠(yuǎn)離，隆起量逐漸減小，沉降逐漸加大，盾尾脫離高鐵正線4天后，開始趨于穩(wěn)定，3個月后穩(wěn)定在穩(wěn)定至－0.7mm左右。

圖11 高鐵正線測點(diǎn)的累計(jì)變形時(shí)程曲線圖

4.2 軌面狀態(tài)監(jiān)護(hù)

為更好地控制線路運(yùn)行安全，需在遠(yuǎn)程監(jiān)控線路變形監(jiān)測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對線路進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的檢查。

4.2.1 線路靜態(tài)檢查

高鐵利用天窗期，對盾構(gòu)穿越位置及影響區(qū)域的軌道幾何狀態(tài)采用安博格GRP1000軌檢小車檢查及人工檢查。由于軌面變化較小，維修保養(yǎng)主要采用軌下膠墊調(diào)整方法。現(xiàn)場施工地段線路軌面狀態(tài)基本良好，無發(fā)現(xiàn)異常變化，軌道幾何形位始終處于受控狀態(tài)。

4.2.2 線路動態(tài)檢查

在盾構(gòu)穿越施工影響期間，利用軌檢車和人工添乘用便攜式檢查儀的動態(tài)檢查方式，每日安排通過施工地點(diǎn)的列車次數(shù)在3～5次，便于直接了解軌面的動態(tài)變化情況。

本項(xiàng)目在施工限速期間，軌檢車動態(tài)檢查共計(jì)11次，在地鐵盾構(gòu)頂進(jìn)施工地段沒有發(fā)現(xiàn)線路搖晃及Ⅲ級超限等不良情況。

5 結(jié)語

（1）聯(lián)合加固的工程方案地表最大計(jì)算沉降量為2.81mm，遠(yuǎn)小于僅采用注漿加固下的最大計(jì)算沉降量為25.18mm，板樁加固保護(hù)的技術(shù)措施對抵抗地表沉降效果明顯，有利于保護(hù)高鐵軌道結(jié)構(gòu)和列車的運(yùn)行質(zhì)量。

（2）通過對采用聯(lián)合加固后數(shù)值計(jì)算和實(shí)測驗(yàn)證對比分析，計(jì)算沉降量2.81mm和實(shí)測沉降量0.7mm數(shù)值相近，并且施工后的沉降量能在短時(shí)間內(nèi)衰減，滿足了對盾構(gòu)穿越高鐵施工所引起的沉降控制在5mm的技術(shù)要求。

（3）通過對線路靜態(tài)和動態(tài)相結(jié)合的監(jiān)測、監(jiān)護(hù)控制方法，能保證盾構(gòu)穿越期間的高鐵運(yùn)營安全。

（4）聯(lián)合加固的工程必須在高鐵路基施工前先期施工，因此在規(guī)劃高鐵時(shí)要同步規(guī)劃好地鐵的線位。

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