寧天城際盾構(gòu)下穿國(guó)鐵地基加固設(shè)計(jì)方案

龐振勇

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

寧天城際盾構(gòu)下穿國(guó)鐵地基加固設(shè)計(jì)方案

龐振勇

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

依托南京地鐵S8寧天城際下穿寧啟鐵路工程，結(jié)合南京地質(zhì)條件，研究新建地鐵隧道下穿既有鐵路線時(shí)，地鐵隧道施工對(duì)既有鐵路線的影響,提出在既有鐵路線下方采用注漿加固的方法以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，采用“樁+板”加固的方法預(yù)留后期鐵路復(fù)線施工條件。研究結(jié)果表明，采用注漿加固時(shí)，地鐵隧道雙線貫通鐵路線路最大沉降(6.9 mm)比不加固減小58.9%，鐵路線路最大高低偏差(3 mm)，比不加固減小51.3%，采用“樁+板”加固預(yù)留鐵路復(fù)線擴(kuò)建條件，樁板結(jié)構(gòu)最大變形及內(nèi)力均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

地鐵隧道； 既有國(guó)鐵路基； 鐵路復(fù)線； 注漿加固； “樁+板”加固

1 研究背景

地鐵隧道下穿既有鐵路線路施工將會(huì)不可避免地影響鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性，另一方面規(guī)劃鐵路復(fù)線后期擴(kuò)建也會(huì)對(duì)新建地鐵隧道產(chǎn)生影響。既有的研究主要集中于新建地鐵隧道對(duì)既有鐵路路基變形的影響分析及控制既有鐵路 線 變 形的措 施 研究。許有俊 等[1]利用FLAC3D軟件，模擬了盾構(gòu)下穿既有高速鐵路施工全過(guò)程，探明了地鐵隧道施工對(duì)既有鐵路線沉降的影響規(guī)律；徐干成等[2]根據(jù)數(shù)值模擬驗(yàn)證地鐵隧道下穿時(shí)，通過(guò)下穿段土體加固及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)控制以減小既有鐵路沉降的有效性。李林等[3]從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試入手，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中既有鐵路路基變形規(guī)律。另外，還有大量相關(guān)的研究成果[4-12]。但關(guān)于地鐵下穿既有鐵路路基完成后，后期鐵路復(fù)線擴(kuò)建對(duì)新修隧道的影響及相應(yīng)預(yù)留處理措施的研究成果較少。

南京地鐵S8線寧天城際工程方州廣場(chǎng)站至沈橋站區(qū)間，一方面需下穿既有寧啟鐵路路基及箱涵，另一方面地鐵隧道運(yùn)營(yíng)后，需進(jìn)行鐵路復(fù)線擴(kuò)建。這就必然導(dǎo)致既有地鐵隧道、國(guó)鐵線路和新建國(guó)鐵復(fù)線之間產(chǎn)生相互影響，增加了工程的復(fù)雜性。筆者將從地鐵隧道下穿既有鐵路路基處理措施及地鐵隧道修建時(shí)預(yù)留復(fù)線擴(kuò)建條件入手展開(kāi)研究，提出切實(shí)可行的地基加固方案。

2 工程概況

2.1 地鐵隧道與既有鐵路位置關(guān)系

寧天城際一期工程方州廣場(chǎng)站至沈橋站區(qū)間，沿金江公路向北在里程K28+951處以4‰的坡度下穿既有寧啟鐵路線，左、右線分別從路基及寧啟鐵路箱涵下方穿過(guò)，地鐵隧道與鐵路呈83°角相交；地鐵隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，管片幅寬1.2 m，錯(cuò)縫拼裝。地鐵隧道頂埋深約10 m，線間距約21 m，主要穿越粉質(zhì)黏土層，地鐵隧道與寧啟鐵路平面見(jiàn)圖1，地鐵隧道與既有寧啟鐵路剖面關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖1 既有鐵路與新修隧道位置關(guān)系平面Fig.1 Plane of existing railway and newly constructed tunnel

圖2 既有鐵路與新修隧道位置關(guān)系橫剖面Fig.2 Cross section of existing railway and newly constructed tunnel

地鐵施工完成后，既有寧啟鐵路將進(jìn)行擴(kuò)建復(fù)線施工，鐵路擴(kuò)建復(fù)線與地鐵隧道相對(duì)位置關(guān)系平面見(jiàn)圖3，鐵路復(fù)線擴(kuò)建后路基情況見(jiàn)圖4。

圖3 鐵路復(fù)線與新修隧道位置關(guān)系平面Fig.3 Plane of expanded railway and newly constructed tunnel

圖4 鐵路復(fù)線擴(kuò)建路基情況Fig.4 Expanded railway bed

2.2 工程地質(zhì)

3 對(duì)既有鐵路線變形的影響

3.1 對(duì)既有國(guó)鐵線路沉降及軌道高低偏差影響

鐵路列車(chē)運(yùn)營(yíng)對(duì)線路沉降有嚴(yán)格的要求，極小的差異性沉降也會(huì)對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生危害，盾構(gòu)法地鐵線路下穿時(shí)將不可避免地產(chǎn)生地層沉降。盾構(gòu)下穿時(shí)沉降分為5個(gè)階段產(chǎn)生[13-15]：盾構(gòu)刀盤(pán)前方沉降；盾構(gòu)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的沉降；盾尾脫環(huán)時(shí)產(chǎn)生的沉降；盾尾間隙產(chǎn)生沉降；盾構(gòu)通過(guò)后的滯后沉降。

采用二維數(shù)值模擬，分析了不同地層損失率情況下，盾構(gòu)隧道下穿對(duì)既有國(guó)鐵線路沉降及軌道高低偏差的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

正常盾構(gòu)掘進(jìn)很難滿(mǎn)足鐵路線路的控制要求：相鄰兩軌道軌面距不大于6 mm，兩軌道線間距變化為-3～5 mm。

表1 注漿加固前盾構(gòu)施工對(duì)既有鐵路路基影響

3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)國(guó)鐵運(yùn)營(yíng)安全性分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取地層損失率為8‰的情況，在原有不平順基礎(chǔ)上疊加施工沉降變形后進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算。計(jì)算目標(biāo)為車(chē)速90、100 km/h的國(guó)鐵列車(chē)及車(chē)速50、60 km/h的C62A型貨車(chē)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 車(chē)輛各輪對(duì)的脫軌系數(shù)和輪重減載率的最大絕對(duì)值

可以看出，脫軌系數(shù)的最大值均出現(xiàn)在線路變形范圍之內(nèi)，而且空載貨車(chē)在時(shí)速60 km/h時(shí)，已有輪對(duì)超過(guò)0.8，時(shí)速100 km/h的客車(chē)雖然沒(méi)有超出容許范圍，但已經(jīng)比較接近限值，說(shuō)明線路的變形已影響了車(chē)輛的正常運(yùn)行安全性。

綜上所述，在盾構(gòu)隧道下穿國(guó)鐵既有路基施工過(guò)程中，需要采取必要的措施以控制國(guó)鐵路基的沉降及軌道高低偏差。

4 鐵路復(fù)線擴(kuò)建對(duì)地鐵隧道的影響

地鐵隧道施工完成后進(jìn)行鐵路復(fù)線擴(kuò)建將會(huì)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生兩方面的影響。

1) 鐵路復(fù)線擴(kuò)建施工時(shí)，地面超載及施工動(dòng)荷載將會(huì)增大地鐵隧道滯后沉降。

2) 鐵路復(fù)線施工完成后，鐵路運(yùn)營(yíng)時(shí)列車(chē)動(dòng)荷載將會(huì)進(jìn)一步增大地鐵隧道滯后沉降。

若鐵路復(fù)線擴(kuò)建對(duì)地鐵隧道影響產(chǎn)生的滯后沉降不加以控制，地鐵隧道運(yùn)營(yíng)將會(huì)出現(xiàn)較大的風(fēng)險(xiǎn)。

綜合以上既有鐵路、新建地鐵隧道及鐵路復(fù)線擴(kuò)建之間的相互影響，需要采取必要的措施來(lái)控制風(fēng)險(xiǎn)。

5 地層加固方案及效果

5.1 地層加固方案

5.1.1 注漿加固

寧天城際軌道交通下穿寧啟鐵路在既有鐵路路基和涵洞下方采用注漿加固的方案，加固方案的平縱剖面如圖5、6所示。

圖5 地層加固方案平面Fig.5 Plan of grouting

圖6 地層加固方案橫剖面Fig.6 Profile of grouting

5.1.2 “樁+板”加固

地鐵隧道施工完成后，進(jìn)行鐵路復(fù)線施工將會(huì)對(duì)新建地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，在下穿處為了減小擴(kuò)建復(fù)線路基施工對(duì)新建隧道的影響，采用了“樁+板”加固方案，如圖7、8所示。

圖7 “樁+板”加固方案平面Fig.7 Plane of pile+plant reinforcement

圖8 “樁+板”加固剖面Fig.8 Profile of pile + plant reinforcement

北側(cè)混凝土板Ⅰ(寬×長(zhǎng),為11.40 m×17.45 m，混凝土強(qiáng)度C35)厚度1.3 m，為連續(xù)結(jié)構(gòu)；南側(cè)混凝土板Ⅱ(寬×長(zhǎng),為12.73 m×16 m)厚度1.5 m，托梁尺寸都為1.4 m×1.5 m；擴(kuò)建涵洞下方混凝土板厚度為80 cm，并在框架涵洞底板與混凝土板之間設(shè)置50 cm 級(jí)配碎石，托梁尺寸為1.4 m×1.2 m，具體施工時(shí)樁板的布置按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置。

圖9 旋噴樁加固過(guò)渡區(qū)剖面Fig.9 Profile of jet grouting pile

5.2 地層加固效果分析

5.2.1 注漿加固

為了檢測(cè)注漿加固效果，進(jìn)行注漿加固后，在列車(chē)荷載作用下，對(duì)左線隧道和雙線隧道貫通后鐵路線路的沉降情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)沉降曲線如圖10所示。

圖10 注漿加固后線路沉降情況Fig.10 Settlement of the railway bed influenced by tunnel construction after grouting

左線隧道和雙線隧道貫通后線路最大沉降及高低偏差見(jiàn)表3。分析表中數(shù)據(jù)可知，地基加固后線路變形將大幅減小；雙線貫通后，盾構(gòu)施工引起的線路最大沉降為未加固(地層損失率8‰)時(shí)的58.9%，最大高低偏差為未加固時(shí)的51.3%。

表3 線路最大沉降及高低偏差

5.2.2 “樁+板”加固

為了檢驗(yàn)“樁+板”的加固效果，進(jìn)行了“樁+板”加固區(qū)域樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移計(jì)算。

1) 樁頂反力計(jì)算。基本思路：采用空間殼模型來(lái)計(jì)算鋼筋混凝土的樁頂反力，上部荷載根據(jù)換算土柱均布到殼單元的表面，采用SAP軟件進(jìn)行反力計(jì)算，其中樁的位置采用點(diǎn)約束，計(jì)算結(jié)果如圖11、12所示。

圖11 “樁+板”加固Ⅰ區(qū)域樁頂反力Fig.11 Counter force of pile+ plant sectionⅠ

圖12 “樁+板”加固Ⅱ區(qū)域樁頂反力Fig.12 Counter force of pile+ plant section Ⅱ

計(jì)算結(jié)果表明，樁頂反力最大值發(fā)生在“樁+板”加固 Ⅰ 區(qū)域的中排樁上(見(jiàn)圖11)，最大值為5 475 kN。

2) 樁基沉降計(jì)算。鉆孔灌注樁樁尖已進(jìn)入K2c-3中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖中，因此對(duì)于樁基的沉降只考慮樁體本身的壓縮沉降，有

(1)式中，Sp為樁體本身壓縮沉降量，mm；μp為應(yīng)力集中系數(shù)，本文取1.1；l為樁身長(zhǎng)度，mm；Ep為樁身材料變形模量，MPa；pbo為樁底端承應(yīng)力(由地勘資料獲得)，MPa；p為樁頂應(yīng)力(由樁頂反力除以樁頂面積得出)，MPa。

按照最不利情況，即不考慮樁間土對(duì)上部荷載的分擔(dān)作用，而完全由樁承擔(dān)，計(jì)算得出樁的最大壓縮沉降為4.1 mm。

3) 樁基承載力檢算。根據(jù)《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 1002.5—2005)中關(guān)于鉆孔灌注樁容許承載力的計(jì)算公式，可得到鉆(挖)孔灌注樁的容許承載力

(2)

式中，[P]為樁的容許承載力，kN；U為樁身截面周長(zhǎng)，m；fi為各土層極限摩阻力，kPa；li為各土層的厚度，m；A為樁底支承面積，m2；[σ]為樁底地基土的容許承載力，kPa；m為樁底支撐力折減系數(shù)，本文取0.4。

經(jīng)計(jì)算得鉆孔灌注樁的容許承載力為6 571.6 kN，考慮盾構(gòu)隧道開(kāi)挖引起的樁基承載力的損失，即不考慮破裂面范圍內(nèi)的樁基承載力，折減后鉆孔灌注樁容許承載力為5 753.4 kN，最大反力為5 475 kN，可滿(mǎn)足承載力要求。

4) 盾構(gòu)隧道施工對(duì)樁基變形影響分析。選擇離隧道最近的4排樁，并對(duì)每排樁中變形最大的樁進(jìn)行分析，各排樁最大的水平變形見(jiàn)圖13。

由圖可知，隧道施工完成后樁基最大水平變形發(fā)生在第4排樁，水平變形為5.5 mm，盾構(gòu)施工對(duì)樁基影響相對(duì)較小。

5) 擴(kuò)建復(fù)線施工對(duì)隧道變形影響分析。擴(kuò)建復(fù)線路基施工引起的隧道上方土體沉降量如圖14所示。

圖13 地鐵隧道完成后樁基水平位移Fig.13 Horizontal displacement of the pile with tunnel completed

在擴(kuò)建復(fù)線路基施工荷載作用下，左、右線隧道的最大沉降和最小曲率半徑如表4所示。

圖14 地鐵隧道左、右線沉降Fig.14 Settlement of the twin tunnel

表4 隧道最大沉降及最小曲率半徑

由圖表可知，采用“樁+板”加固后，擴(kuò)建路基施工對(duì)新建盾構(gòu)隧道影響很小，最大隧道變形不到5 mm，能夠滿(mǎn)足工程活動(dòng)對(duì)地鐵隧道的附加位移量的限制(地鐵隧道的最大位移量不大于±20 mm，地鐵隧道變形的曲率半徑控制指標(biāo)R不小于15 000 m)。

6 盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

地鐵盾構(gòu)下穿國(guó)鐵路基施工時(shí)，還需采取相應(yīng)的控制措施。

1) 調(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，保持盾構(gòu)刀盤(pán)前方水土壓力與盾構(gòu)土倉(cāng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡，減小超、欠挖引起的地層位移。

2) 嚴(yán)格進(jìn)行同步注漿，必要時(shí)進(jìn)行二次注漿，減小盾殼與土層間間隙對(duì)地層沉降的影響。

3) 控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)，防止盾構(gòu)機(jī)上浮或下沉引起地層豎向位移。

4) 在盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)沉降監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，做到動(dòng)態(tài)化施工。

7 結(jié)論與建議

1) 盾構(gòu)在寧啟線既有路基和涵洞下方穿越采用注漿加固后，地鐵隧道雙線貫通后鐵路路基最大沉降為6.9 mm，鐵路軌道最大高低偏差3 mm，結(jié)果表明,注漿加固的方法可以有效降低盾構(gòu)施工對(duì)線路的影響。

2) 寧啟線新建線路下方推薦采用“鉆孔灌注樁+梁板結(jié)構(gòu)”的加固方案時(shí)，一方面地鐵隧道施工引起的樁基水平變形為5.5 mm，另一方面鐵路復(fù)線擴(kuò)建引起的地鐵隧道最大沉降為4.28 mm，結(jié)果表明，“鉆孔灌注樁+梁板”加固可以為鐵路隧道復(fù)線擴(kuò)建提供良好的條件。

3) 建議擴(kuò)建復(fù)線鐵路地基處理(包括涵洞的地基處理)能與地鐵下穿加固結(jié)合在一起施工。

4) 考慮到擴(kuò)建復(fù)線施工對(duì)新建隧道影響以及運(yùn)營(yíng)期間兩者的相互作用，建議穿越處盾構(gòu)管片按深埋配筋，縱向加強(qiáng)配筋范圍為擴(kuò)建線路坡腳外3環(huán)管片。

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(編輯：郝京紅)

Foundation Reinforcement Design of Metro Shield Tunnel Crossing underneath Existing National Railway

PANG Zhenyong

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

Nanjing Metro S8 was used as a case to study the settlement of a railway foundation caused by the construction of the shield tunnel, and the influence of the expanded railway construction on the newly constructed subway tunnel. The author proposes that grouting should be used to reinforce the existing railway foundation and use pile + plate to reserve space for the construction of the expanded railway foundation. The result shows that the largest settlement of the existing railway foundation is 6.9mm after grouting reinforcement when the subway tunnel is completed, reducing 58.9% than conducting no measures; the largest line elevation difference is 3mm, reducing 51.3%. On the other hand, the largest deformation and internal force can meet the requirement of specification by using pile + plate reinforcement to reserve space for the construction of the expanded railway foundation.

subway tunnel; foundation of existing railway; double track railway; grouting reinforcement; pile+plate reinforcement

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.018

2016-10-20

2016-11-28

龐振勇，男，碩士，高級(jí)工程師，從事軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作，41676902@qq.com

U231

A

1672-6073(2017)01-0087-07