地鐵盾構隧道下穿寧啟鐵路的變形影響規律及控制技術

馮 超，高志剛

(1.中鐵七局集團西安工程公司，陜西西安 710032;2.西安科技大學建筑與土木工程學院，陜西西安 710054)

0 引言

南京地鐵S8線需要下穿既有寧啟鐵路高填方路基和橋涵，為保證盾構下穿期間的既有鐵路安全，需要對其展開研究，制定可靠的安全措施。文獻［1－4］指出，新建隧道開挖后首先引起隧道周圍地層應力的變化，隧道周圍土體產生變形和破壞，隨隧道的不斷開挖所影響的范圍也不斷擴大，最終通過地層傳遞到地表和鄰近既有線。文獻［5－10］表明，盾構穿越施工是一項存在多項不確定因素的綜合工程，或多或少會引起軌道的前后不平順以及軌道整體沉降和差異沉降等現象，這些都會給鐵路的安全運營帶來很大的不確定因素。文獻［6］提到，蘇州某盾構地鐵隧道穿越高鐵路基采取板樁結構和注漿聯合支護的方法;北京地鐵5號線崇文門站下穿2號線崇文門渡線段，采取大管棚和注漿聯合支護的方法。本工程中盾構下穿既有鐵路與以往隧道下穿地上鐵路工程的不同點在于:盾構下穿區段不統一，其中盾構左線下穿鐵路高填路基，而盾構右線下穿鐵路剛構橋涵。探究盾構下穿時二者及其結合處的地表變形規律和保護措施是本文研究重點。

1 工程概況

1.1 環境條件

南京地鐵S8線一期工程作為南京市2014年青奧會交通配套工程之一，始自南京市大橋北路，終至六合區金牛湖風景區。全線共設17座車站，高架站11座，地下站6座。其中方州廣場站－沈橋站區間為盾構施工隧道，在K28+951.770處左右線(線間距20 m)均需下穿寧啟鐵路路基和橋涵。其中左線穿越路基段長度約為33 m(28管環)，從路基表面算起埋深為16 m左右;右線穿越橋涵長度約為16 m(13環)，從地面算起埋深為10.5 m左右 (見圖1)。

圖1 地鐵隧道與寧啟鐵路關系Fig.1 Relationship between Metro tunnel and existing Ning－Qi railway

寧啟鐵路全長約351 km，是國家"八縱八橫"鐵路主通道之一的組成部分，為寧西(南京至西安)鐵路的延伸，是國家I級單線鐵路。

1.2 地質條件

根據勘察報告所揭示土層，隧道上部地質情況從上到下依次為①－3填土，②－1c2－3粉土，②－2b4淤泥質粉質黏土，②－3b2粉質黏土，③－1b1－2粉質黏土，③－3b1－2粉質黏土，④－1b1粉質黏土，閃長玢巖等。隧道穿越地層為②－2b4淤泥質粉質黏土和②－3b2粉質黏土，隧道底部為③－1b1－2粉質黏土。其中隧道埋深為10.5 m左右，所處地層為粉質黏土或淤泥質粉質黏土，工程地質一般。

1.3 支護條件

隧道采用盾構施工，選用盾構為小松TM634PSX－43型號，盾構外徑6.34 m，盾尾間隙量30 mm，最大推力37 730 kN。采用整環管片做支護的方式進行掘進，管片依次拼裝3個標準塊A，然后安裝2塊鄰接塊B，最后安裝K塊即楔形塊。其中管片外徑6 200 mm;管片內徑5 500 mm;管片厚度350 mm;管片環寬1 200 mm。整環管片拼裝完后，在盾尾密封刷內填塞密封油脂，以保護盾尾密封刷不被磨壞，然后將管片往盾尾后推出1 200 mm，并及時進行同步注漿。

2 隧道下穿對寧啟鐵路的變形影響規律

寧啟鐵路的重要性已經在前文有所體現，因此對施工過程中的鐵路變形控制要求就更為嚴格。為確保施工的安全性，做到萬無一失，決定建立三維模型進行盾構穿越的數值計算分析，得出穿越對其帶來的變形影響規律。從而確定是否需要采取地基加固措施，以及采取什么樣的地基加固參數。

2.1 三維數值模擬

FLAC 3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua，連續介質快速拉格朗日分析)是由Cundall和美國ITASCA公司開發出的有限差分數值計算程序，主要適用于巖土工程問題分析。本次計算采用該軟件進行數值分析工作。

2.1.1 數值模型

在鐵路沿向和隧道沿向上都是平面應變問題，根據圣唯南原理，將模型尺寸取為大于地鐵隧道開挖洞徑的3～5倍最合理，既能滿足求解精度要求，也能滿足計算速度要求。建立90 m×45 m×45 m(長×寬×高)尺寸模型，模型劃分53 726個單元，57 806個節點，模型采用塑性摩爾－庫侖模型來模擬土體。三維數值模型見圖2。

圖2 三維數值模型Fig.2 3-D numerical model

2.1.2 計算參數和假定條件

根據勘察報告，為方便建模，按成因及年代將土層整合成4層。土層參數一覽表見表1。

表1 土層參數一覽表Table 1 Parameters of different soil strata

計算假定:

1)由文獻［11］可知，盾構推力的大小和隧道上方最大沉降位置無關。參考當地施工經驗，刀盤推力為掌子面水土壓力，側壓力系數取0.7。

2)圍巖荷載釋放率［12－15］。根據參考文獻和當地施工經驗，荷載釋放率定為0.2。

3)等代層模擬注漿［2］。計算中認為注漿材料可及時完全填充圍巖荷載釋放一定程度后剩余盾尾空隙。注漿形成的等代層厚度取0.07 m，等代層采用彈性體，彈性模量為 1.2 MPa，泊松比取 0.17。

根據計算假定，采取表2所示的參數模擬地鐵隧道的支護條件。

表2 支護參數一覽表Table 2 Parameters of different materials

2.1.3 計算步驟和工況

在計算中使用FLAC中的 "空模型"(Null Model)功能來模擬土體開挖和支護施工:自重應力求解平衡－開挖(將開挖部分設置為"空單元")－進行管片支護－等代層設置(注漿)－計算，使之達到平衡－下一環開挖、支護計算、等代層設置，循環直至結束。

計算分為2種工況:

1)地層未加固狀態。計算得出地表沉降規律，同時決定是否進行地基加固。

2)地層加固狀態。

2.2 計算結果分析

2.2.1 第1種工況計算結果

根據設計文件要求和鐵道部《鐵路線路維修規則》等相關標準可知，地表隆沉值分別為 +8 mm和－25 mm。圖3(a)是在未對鐵路路基及剛構橋涵采取任何加固措施的工況下，左線隧道開挖計算的地表沉降曲線，曲線變化趨勢表明在隧道開挖通過后，地表形成沉降槽，符合Peck提出的地層沉降理論。在線路中心處沉降曲線最低點的沉降值達到18 mm。由于地表沉降造成隧道腰部橫向變形，引起橋涵西端有隆起現象，隆起值達到10 mm。

圖3(b)是繼左線隧道開挖之后，右線隧道開挖疊加引起的地表沉降曲線，最大沉降值為22 mm。同時由于右線隧道開挖引起的地層損失導致橋涵西端由原來的隆起變為沉降，沉降值為13 mm。

圖3 原始條件開挖后地表沉降曲線Fig.3 Curve of ground surface settlement after excavation under original condition

由圖3可以看出，即使嚴格遵守盾構相關施工參數，及時進行盾構同步注漿，仍然不可避免地引起路基和剛構橋涵西半部分的下沉。因為計算采取了一定的簡化條件，和現實土層狀況有差異性(一般較之實測值小)，雖然地表沉降值未超出安全容許范圍，但從曲線變化趨勢上也揭示了盾構穿越寧啟鐵路施工期間的潛在危險性。地層不均勻沉降容易導致軌頂不平順。由此引起的線路不平順將加大輪軌間的沖擊力，使路基內動應力加大，從而使隧道結構受到的附加動應力增大。為了保證該鐵路在盾構下穿施工期間的絕對安全，應該借鑒相關案例經驗和資料，采取地基主動加固措施。人為提高該剛構橋涵基礎和穿越區范圍內的地層物理參數，從而加強其地基強度。

2.2.2 地基加固措施

在該段隧道施工時需要在此計算基礎上設計方案，對地基進行加固。地基加固示意圖見圖4。

圖4 地基加固示意圖Fig.4 Schematic diagram of ground reinforcement

經計算分析并查閱相關資料，決定對寧啟鐵路路基和橋涵的盾構隧道通過段進行地基加固。考慮到鐵路周邊有廠房民居等建筑物，而且穿越寧啟鐵路橋涵的金江公路車流量較大，不方便交通導改，同時大型施工機械不利于鐵路的運行安全防護，應盡量采取小型便利的機械施工，故最后決定采用袖閥管注漿技術進行地基加固。袖閥管是一種只能向管外出漿，不能向管內返漿的單向閉合裝置。每個灌漿段長度固定為30～50 cm，還可以根據地層情況調整灌漿長度，實現定量、定尺、可控灌漿。可根據需要灌注任何一個灌漿段，還可重復灌漿，易于控制。鉆孔和灌漿分開，提高鉆孔、灌漿設備的利用率。

左線下穿路基長33.819 m，右線下穿涵洞長度為15.647 m，其中加固區左線對應隧道長度為28環，右線加固區對應隧道長度為13環。

注漿范圍分別為鐵路剛構橋涵下地基，加固深度大于隧道下1 m;鐵路路基36 m×20 m×25 m(長×寬×深)范圍內。漿液采用水泥漿，水∶水泥為1∶2，水泥標號為32.5普通硅酸鹽水泥。水泥摻量為被加固土體的18%。加固28 d后經相關單位檢測，無側限抗壓強度大于1.0 MPa，符合計算結果。施工橋涵下地基加固時金江公路左右車道交替圍擋施工。注漿采用2套設備從南北兩側對稱同步注漿。為防止地層隆起，注漿壓力控制為0.2～0.5 MPa。注漿后土層參數見表3。

表3 注漿后土層參數一覽表Table 3 Parameters of different strata after grouting

2.2.3 第2種工況計算結果

經分析研究，建議對盾構穿越寧啟鐵路路基和剛構橋涵的施工范圍內的地層進行加固處理，提高其地基強度，以減小地層位移。圖5是經過地基加固后的地層位移云圖(豎向位移即Y方向位移分量)。由圖5可知，加固后雙線隧道開挖引起的路基最大沉降值約5 mm，橋涵西側沉降約1 mm，橋涵其余部位地基隆起值約1 mm。較之地基未加固時的巖土條件，地表沉降已有很大改善，故認為可以滿足鐵路安全運行條件。

圖5 加固開挖后地層位移云圖Fig.5 Contour of ground displacement induced by excavation after ground reinforcement

3 盾構下穿寧啟鐵路施工的變形控制技術

盾構掘進下穿寧啟鐵路時，為了能夠有效控制鐵路路基和橋涵的變形，采取以下施工措施。

3.1 盾構掘進參數

盾構下穿掘進施工中主要控制的施工參數是土艙壓力、推力、刀盤扭矩及掘進速度。當盾構開始掘進時首先打開泡沫注入系統進行渣土改良，其次調整盾構刀盤轉速，使刀盤達到設定轉速，再次緩緩增加4組千斤頂的油壓，用于平衡盾構前體和刀盤的重力，防止盾構低頭。

當刀盤扭矩過大時，應調整泡沫和水的注入量，或反轉刀盤，待扭矩在設定范圍之內再增加推力，當掘進速度控制在設定值時，停止增加推力。盾構掘進同時觀察土艙壓力的變化，當土艙壓力慢慢升高到設計壓力時開始出土，通過首環掘進調整出土量。

當土艙壓力低于設定壓力時，螺旋機轉速調低，減少出土量，使土艙壓力提高。當土艙壓力高于設定壓力時，螺旋機轉速提高，增加出土量，正常掘進階段螺旋機轉速調整量不宜過大，防止土艙壓力上下波動值過大，對掌子面地層產生擾動，從而引起地面沉降。

將盾構下穿寧啟鐵路的前后90 m作為控制性區域，其中左線對應第274環到第349環，在此期間，嚴格遵循表4的掘進參數，右線參考左線施工及其監測反饋結果依此類推。

表4 盾構掘進參數一覽表Table 4 Parameters of shield tunneling

3.2 同步注漿和二次注漿控制措施

盾構穿越寧啟鐵路區間施工期間，采用同步注漿與二次注漿結合的方式，分別采用表5和表6所示配比，同步注漿的用水量按照控制漿液稠度為10～12 cm進行控制。

表5 同步注漿配合比(每方)Table 5 Mixing proportion of grout for simultaneous grouting(for very m3 grout)

表6 二次注漿配合比Table 6 Mixing proportion of grout for secondary grouting

3.3 其他控制措施

3.3.1 檢查盾尾密封裝置控制措施

在過寧啟鐵路前，統計前100環的施工工況，如盾尾漏漿發生超過2次，需盾構進入寧啟鐵路界限30 m范圍前，在當前環將油缸推進至最大行程。

3.3.2 盾構姿態控制措施

盾構穿越寧啟鐵路段縱斷面線型為4‰的直線上坡。盾構穿越前將盾構平面姿態控制在±20 mm之間，偏下－5～－20 mm;穿越過程中，控制盾構姿態的糾偏量，保持以既定姿態推進。

3.3.3 管片防水和拼裝質量控制措施

指派專門質檢人員，分白晚班專門監控管片防水材料粘貼質量，杜絕止水條脫落、起鼓以及角部不對齊現象，確保管片防水效果，杜絕地下水滲入現象發生;同時，每環拼裝完畢后、下環推進時以及管片脫出盾尾后分別3次緊固連接螺栓，以免管片襯砌變形而誘發土體變形。

4 現場監測

4.1 現場監測方案

現場實際情況是靠近北側的1條股道作為應急車道，久未用，現役只有南邊1條股道，故將監測斷面重點布置在靠近南邊。斷面監測點布置見圖6。

4.2 監測結果與計算結果的對比分析

鐵路沉降監測結果和計算結果對比見圖7。經對比分析表明，二者變化趨勢基本一致，但是由于數值模擬計算采取了一定的簡化條件，無法百分之百地完全和現場地質、荷載等施工條件保持一致，因此地表沉降值計算結果略小于現場實測結果。

地基沉降規律和未加固之前相比較變化趨勢相同，但是沉降值已經有了很大的改觀。

圖6 地基沉降測點布置圖Fig.6 Layout of ground settlement monitoring points

結合圖7可知，隧道左線隧道開挖后，隧道頂部路基產生沉降，并在左線隧道上方巖土層形成典型沉降槽，沉降最大值約3 mm，位置為隧道頂部正上方。箱涵底部由于隧道腰部的變形擠壓而出現微小隆起，單獨開挖左線隧道對箱涵的擾動并不顯著。

隨著右線隧道的開挖，路基頂部的沉降繼續發展，路基靠近箱涵側沉降值明顯增大，而箱涵左下角則由于右線隧道的開挖由隆起變為沉降，其沉降值約為0.7 mm，2隧道成型后對箱涵的影響明顯比單一隧道開挖情形要大，但箱涵整體沉降值明顯在安全可控范圍之內。

綜上所述，根據本文計算結果采取的地基加固范圍和加固方式大大減小了盾構隧道下穿寧啟鐵路時對其的變形影響，最大程度保護了鐵路的安全。

5 結論與建議

1)在地鐵隧道下穿既有線施工中，無論采取哪種施工方法，都不可避免對周邊圍巖造成一定程度的擾動，從而引起鐵路沉降。鐵路沉降變形與地基強度關系很大，隨著地層強度的增強呈遞減趨勢。

2)考慮既有鐵路線的運營安全，地基加固方法首選袖閥管注漿，方便快捷，容易控制注漿范圍。根據數值計算結果實施地層加固后與未注漿工況相比，變形趨勢一致。地表沉降最大值約3 mm，隆起最大值為0.7 mm，遠遠小于安全控制值，不影響鐵路安全運營。

圖7 鐵路沉降監測結果和計算結果對比曲線Fig.7 Measured settlement Vs.calculated settlement

3)本文在數值計算的基礎上提出的地基加固方案和制定的施工措施有效控制了鐵路變形，研究結果表明施工前采取數值模擬預測方法是一個決定地基是否加固以及確定加固強度的有效手段，可為類似項目提供參考。

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