盾構施工下穿多條鐵路路基加固技術分析

王 艷 明

(中鐵一局集團第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程概況

沈陽市運河水系綜合治理工程(新開河東段)截污工程四標段，工程起點為崇山東路北側盾構接收井YA33(YK8+001.42)，工程終點為聯合路西側暗挖豎井YA44(YK10+560.88)，包括截流管道主線、截流管道支線兩部分設計內容，長度2 559.46 m，管道直徑5.4 m。主線盾構下穿京哈下行線、車輛段入段線、機務段牽出線、車輛段出段線、京哈上行線、動車所入段線、京哈高速線左線、京哈高速線右線、動車所出段線等9條鐵路股道，均為有砟軌道，除車輛段出入線外均為電氣化鐵路。盾構隧道與鐵路路基相對位置如圖1所示，盾構區間穿越鐵路路基情況如表1所示。

表1 盾構區間穿越鐵路情況統計表

2 水文地質條件

本地區場地砂類土及碎石類土中賦存第四系孔隙潛水，初見水位埋深8.40 m～24.40 m，相應標高為18.73 m～35.16 m；穩定水位埋深為8.50 m～24.50 m，相應標高為18.83 m～35.26 m。地下水位年變化幅度約為1 m～2 m。該地區地下水主要以大氣降水、河流地下滲入為補給來源，排水方式為地下徑流和人工開采。地下水沿含水層向下游徑流運移，即地下水流向總的方向是由東向西。但由于受人工開采地下水的影響，局部地下水流向會有所變化。

3 盾構下穿鐵路路基加固措施

盾構下穿既有高速鐵路時，要保證下穿施工過程中高鐵的高速、高平順性、高安全性的要求，常用的方法有控制盾構施工速度，優化盾構參數，并采用扣軌加固、注漿加固等加固處理[1]。馬相峰等[2]應用FLAC 3D對D梁加固和管棚加固兩種股道加固方法盡心分析，得出盾構下穿多股鐵路路基變形優化方案。程雄志[3]依托蘇州某盾構隧道下穿高速鐵路工程，分析了采用樁板結構和路基注漿組合加固的方法，驗證了組合加固方法對減小沉降的作用。柴元四[4]基于相似比理論建立室內盾構開挖下穿鐵路路基模型試驗，得出盾構開挖導致既有線路沉降變形呈近似線性，若增加埋深，既有路基沉降速度及沉降量將大幅降低。蔡小培等[5]建立軌道—路基—土體有限元模型，分析盾構開挖過程中高速鐵路軌道變形特征，并基于所建立的動力學模型探討盾構下穿施工對列車運行的影響規律。

針對主線盾構下穿京哈線等9股鐵路路基的施工情況，采用地面注漿與D型施工便梁加固相結合的方法，對鐵路路基進行加固，保證盾構下穿過程中鐵路路基的正常安全運行。

首先采取對鐵路路基地面進行注漿加固：

1)對京哈下行線、機務段牽出線、京哈上行線、動車所入段線、京哈高速線左線、京哈高速線右線、動車所出段線等7條鐵路采用注漿措施對鐵路股道下方進行加固處理，沿管線橫向注漿范圍涵蓋盾構主要影響區域(盾構穿越范圍基底向上1∶1放坡至地面)，注漿豎向深度范圍為地表下3 m至盾構頂結束，加固立面如圖2所示。

2)注漿施工需在鐵路軌道、接觸網桿等關鍵位置的監控量測點布設完畢且采集完初始值后方可進行。

3)注漿采用深孔注漿方式，橫向(順軌道方向)孔距根據實測軌枕距離確定，且可適當調整，縱向位于軌道之間的孔位應避開軌枕，孔距為隔一根軌枕注漿一次。

4)注漿初始理論值定為：漿充填影響半徑0.5 m，注漿速度30 L/min～50 L/min，注漿壓力(終壓值)為注漿處靜水壓力加上0.8 MPa～1.5 MPa，注漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1 L/min后，繼續灌注30 min，可結束注漿。實際注漿參數根據現場試驗為準。

5)路基注漿時，針對每一條鐵路股道，在股道兩側及中間均布置一處注漿孔，每個注漿孔打設2根注漿管，即每股道打設6根注漿管。

注漿孔平面布置如圖3所示。

同時，用D24型施工便梁加固措施的鐵路為京哈下行線、車輛段入段線、機務段牽出線、車輛段出段線、京哈上行線、動車所入段線、動車所出段線7條股道，采用D16型施工便梁加固措施的鐵路股道為京哈高速左線、京哈高速右線2條股道。便梁支點基礎施工時利用鐵路天窗時間，并安設擋土板保證豎直挖土。便梁各部位不允許侵入鐵路限界。

便梁安裝及截面如圖4～圖6所示。

路基加固及盾構施工過程中，應對上述9條鐵路采用遠程自動化監控系統，根據實時監測情況，分別制定幾何線位調整措施以及沉降變形補償措施。同時，施工過程中，應積極與鐵路相關部門保持溝通，匯報工程進展情況。并根據掘進情況，對盾構刀盤前后各20 m的縱向范圍內的行車股道采取通過列車限速45 km/h的措施。

盾構施工過程中，對周邊土層影響程度受控因素太多，應在掘進過程中設置50 m～100 m試驗段。在穿越鐵路過程中，施工參數(如土倉壓力、推進速度、總推力、出土量、刀盤轉速、注漿量和注漿壓力等)按試驗段取得的最佳參數進行施工。

4 數值模型的建立

應用Midas GTS NX有限元分析軟件，建立盾構施工下穿鐵路路基有限元模型，為反映盾構開挖過程鐵軌變形，確保計算結果準確，模型長40 m，高20 m。土層采用修正摩爾—庫侖模型，結構選用線彈性模型，有限元計算中土體力學性質如表2所示。C50混凝土彈性模量取3.45×104MPa，鋼彈性模量取210 GPa，容重78.5 kN/m3。進行有限元模擬時，對周圍土體施加約束，并在模型計算前施加自重荷載。模型整體如圖7所示。

表2 土體力學指標

通過有限元數值計算，得出D型梁與地面注漿組合加固下盾構下穿鐵路路基變形，與未加固情況下的路基變形進行對比，如圖8所示。未進行加固處理時，路基最大沉降值為17.4 mm；采用D型梁與地面注漿結合的加固方式后，路基最大沉降值減小到3.82 mm。未加固時，路基中間沉降最大，整體呈“U”型槽沉降；加固后，路基整體變形減小，整體變形趨于直線，并滿足沉降小于4 mm的工程要求。兩種情況下，模型整體變形趨勢如圖9，圖10所示。加固后，上方土體自穩性提高，土體沉降槽影響區擴大，整體沉降減小。D型梁結合地面注漿加固方法下盾構穿越鐵路路基，能夠保證施工過程列車運營安全。

5 結論與建議

1)盾構施工過程中，應保證盾片脫離盾尾后的同步注漿，防止地面變形過大而危及周圍環境安全，同時作為管片外防水和結構加強層以及減少隧道的蛇形擺動，當發現同步注漿不足處，應進行二次補注漿。

2)盾構施工過程對周圍土體及既有建構筑物影響較大，在盾構掘進過程中，應對土倉壓力、推進速度、注漿量、注漿壓力等因素進行充分考慮及優化；嚴格控制盾構掘進過程的線性控制及姿態控制，每環的姿態調整控制在±5 mm范圍內，以避免對土體的超挖和擾動。

3)盾構施工穿越鐵路路基時，應對鐵路路基及下方土體進行加固處理。應用地面注漿結合D型梁組合加固的方法，可以有效控制盾構施工下穿鐵路路基時路基變形，保證施工過程鐵路車輛正常運行。

4)盾構掘進施工中，因開挖產生的土體損失會導致地表沉降出現“U”型槽。加固過程中，應盡量避免或減少地表不均勻沉降，避免盾構下穿鐵路路基影響列車正常運行。

5)盾構施工過程中，應采取信息反饋的施工方法對盾構推進進行質量控制，盾構穿越區域地面縱向軸線位置布設沉降觀測點(在構筑物等控制沉降要求較嚴的影響區域內布設橫斷面)。然后在盾構推進過程中進行跟蹤沉降觀測，并將所測沉降數據及時反饋。

盾構下穿鐵路路基施工中，應根據不同的地質條件及施工環境，選擇合適的路基加固方法以及盾構掘進方式，為施工過程中鐵路正常運行提供保障。同時，施工中應做好監測工作，及時調整和優化施工方案，保證施工的安全性。