地鐵盾構(gòu)下穿哈大高速鐵路加固效果分析

劉 立 明

(沈陽(yáng)鐵道工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

1 工程概況

大連地鐵5號(hào)線后鹽站—后關(guān)村站區(qū)間全長(zhǎng)3 347 m，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，在K22+860～K22+960附近下穿哈大高速鐵路，臨近盾構(gòu)穿越段的高鐵橋基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，其中：左線距31號(hào)橋墩基礎(chǔ)水平和豎向凈距分別為3.27 m，17.10 m，距32號(hào)橋墩基礎(chǔ)水平和豎向凈距分別為3.03 m，16.45 m。右線距32號(hào)橋墩基礎(chǔ)水平凈距和豎向凈距分別為2.97 m，16.24 m，距33號(hào)橋墩水平凈距和豎向凈距分別為3.07 m、豎向凈距13.08 m。盾構(gòu)穿越高鐵平面位置如圖1所示。本區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)線間距為17 m，最大線間距為29 m，平面最小曲線半徑為500 m。穿越高鐵橋下為緩和曲線段，緩和曲線長(zhǎng)70 m。

2 水文地質(zhì)條件

盾構(gòu)穿越哈大高鐵土層自上而下依次為：素填土，層厚1.0 m；中風(fēng)化白云巖，盾構(gòu)區(qū)間位于中風(fēng)化白云巖層中，覆巖13.40 m。中風(fēng)化巖為灰色和灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯為塊狀、柱狀，對(duì)應(yīng)的飽和單軸抗壓強(qiáng)度為22.4 MPa～81.2 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為39.5 MPa，綜合判定屬較軟巖～堅(jiān)硬巖，巖體較為破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

3 盾構(gòu)加固措施

盾構(gòu)下穿既有高速鐵路時(shí)，普遍使用的加固措施通常是可以對(duì)地基土采用注漿加固等措施[1]，另一注意事項(xiàng)是嚴(yán)格控制盾構(gòu)的施工參數(shù)[2]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)越來(lái)越多，不可避免的和高速鐵路交叉，地鐵盾構(gòu)下穿高鐵時(shí)，均選擇下穿高鐵高架橋區(qū)段。穿越高架橋下，便于變形觀測(cè)也容易實(shí)時(shí)盾構(gòu)加固，保證既有高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

本次盾構(gòu)穿越白云巖時(shí)，除盾構(gòu)施工所包括的同步注漿、二次注漿及必要的補(bǔ)償注漿外，還應(yīng)從盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)對(duì)拱部地層進(jìn)行補(bǔ)救注漿加固，在盾構(gòu)后約10環(huán)處向襯砌背面巖體進(jìn)行二次注漿，高鐵橋下隧道盾構(gòu)時(shí)采用完善的超前注漿方法，可以盡可能的減少盾構(gòu)時(shí)差異沉降。

盾構(gòu)區(qū)間對(duì)應(yīng)高鐵橋下施工的止起里程為K22+912～K22+928，本施工范圍內(nèi)管徑為2.75 m，外觀內(nèi)徑為3.1 m，管片厚度為0.35 m，盾構(gòu)機(jī)類型為復(fù)合式涂鴉平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)管片采用6分塊，由一塊封頂塊、兩塊鄰接、三塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成，采用普通環(huán)錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)塊寬1.2 m。在高鐵橋下盾構(gòu)區(qū)段拱頂需要注漿加固，注漿漿液加固的擴(kuò)散半徑為0.5 m，相鄰注漿加固體的夾角為45°，區(qū)間頂部主要位于中風(fēng)化白云巖中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)情況[3]，區(qū)間盾構(gòu)下穿高鐵加固橫斷面如圖2所示。

實(shí)時(shí)對(duì)漿液配比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證漿液能夠快速填充密實(shí)，并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到強(qiáng)度，注漿壓力不大于0.5 MPa，二次壓漿可以有效減少同步注漿不足，加固后，可以顯著降低中風(fēng)化巖上部地表沉降[4]，采用本方案，可以有效的保證盾構(gòu)隧道穿越高速鐵路時(shí)，沉降符合規(guī)范要求，同時(shí)，也能夠保證既有高速鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告，本區(qū)段有溶洞存在，為保證盾構(gòu)安全，盾構(gòu)機(jī)需要配置超前探測(cè)設(shè)備，能夠及時(shí)探測(cè)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)前方20 m內(nèi)溶洞。針對(duì)溶洞情況，盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮完善的超前注漿方案，盾構(gòu)體周向設(shè)置10處超前注漿孔，其中上部6根，下部4根。前盾隔板設(shè)置7處水平超前注漿孔，在必要時(shí)可對(duì)開(kāi)挖面前方進(jìn)行超前注漿地基加固。

采用微動(dòng)技術(shù)圈定巖溶異常靶區(qū)，有條件的地段進(jìn)行地質(zhì)鉆探驗(yàn)證；無(wú)法直接在巖溶異常靶區(qū)鉆探的，以巖溶異常靶區(qū)為中心，在外側(cè)不舍鉆孔，采用跨孔電磁波CT進(jìn)行空間掃描工作，除此之外的勘察區(qū)采用鉆孔與跨孔電磁波CT相結(jié)合的工作方式。

采用地震微動(dòng)物探工作共推斷發(fā)現(xiàn)了4處溶洞發(fā)育區(qū)和3處巖體破碎區(qū)，發(fā)育深度基本在8.0 m～23.5 m之間，沿線位方向發(fā)育寬度一般在1.7 m～2.9 m，絕大部分都集中在隧道洞身及以上10.0 m范圍內(nèi)。

采用電磁波CT共推斷發(fā)現(xiàn)了8處溶洞發(fā)育區(qū)和1處巖體破碎區(qū)，溶洞位置與鉆孔揭露情況吻合性較好。根據(jù)詳細(xì)勘察成果及本次勘察成果，鉆孔揭露的16個(gè)溶洞全部為全充填，充填物為軟塑～可塑黏性土及風(fēng)化巖碎塊，溶洞直徑一般不大于1.0 m，大直徑溶洞較少，溶洞埋深主要在15.0 m以上。鉆孔揭露的16個(gè)溶洞當(dāng)中，隧道頂板以上有10處，占62.50%，洞徑0.4 m～2.2 m。隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)5個(gè)，占31.25%，洞徑0.3 m～2.6 m。隧道底板以下1個(gè)，占6.25%，洞徑0.9 m。溶洞多位于隧道頂板以上和隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，隧道底板以下溶洞發(fā)育較弱。

施工前根據(jù)實(shí)際情況，綜合利用高精度瞬變電磁技術(shù)、高密度電法、微動(dòng)等物探方法更準(zhǔn)確的探查出該區(qū)域的巖溶發(fā)育、巖層風(fēng)化破碎情況等。隧道底板以下5.0 m投影范圍內(nèi)的溶洞必須填充處理；隧道底板以下5.0 m內(nèi)但不在隧道投影范圍內(nèi)的溶洞根據(jù)實(shí)際情況采取處理措施；隧道底板以下5.0 m范圍以外的溶洞可不處理。每個(gè)注漿處理區(qū)域的溶洞均要檢測(cè)一次，隨機(jī)鉆孔取芯，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.4 MPa，處理效果不達(dá)標(biāo)需要補(bǔ)注。

4 數(shù)值模型的建立

數(shù)值分析中，隧道襯砌管片選用實(shí)體單元模擬，材料為C50混凝土管片，土層選用摩爾—庫(kù)侖模型，結(jié)構(gòu)選用線彈性模型[5]，有限元計(jì)算中土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 土體力學(xué)指標(biāo)

選用三維有限元模型進(jìn)行施工加固模擬，為了降低邊界效應(yīng)對(duì)數(shù)值分析中計(jì)算結(jié)果的不利作用，確保相應(yīng)計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)，隧道兩側(cè)距離不低于4倍洞徑，模型寬度為60 m；隧道下方取40 m，模型高度63 m；隧道施工方向長(zhǎng)度為50 m。網(wǎng)格劃分采用六面體單元，單元總數(shù)為80 268個(gè)。C50混凝土重度取為25 kN/m3，泊松比為0.2，彈性模量取為34 500 MPa。素填土和中風(fēng)化白云巖彈性模量分別取為4 000 MPa，39 500 MPa，其余土層力學(xué)指標(biāo)不變。計(jì)算分析時(shí)，在模型底部施加豎向約束，其余4個(gè)側(cè)面分別施加垂直各個(gè)側(cè)面方向的水平位移約束，同時(shí)，模型計(jì)算前均施加重力荷載。盾構(gòu)穿越模擬如圖3，圖4所示。

通過(guò)有限元數(shù)值分析，得出3個(gè)高鐵橋墩不同位置的沉降值，見(jiàn)圖5，盾構(gòu)通過(guò)后，哈大高鐵最不利橋梁基礎(chǔ)整體沉降發(fā)生在中間的橋墩，沉降值為0.73 mm，0.53 mm為相鄰橋墩的墩基礎(chǔ)最大沉降差，沉降值滿足高速鐵路的安全控制要求，遵照《客運(yùn)專線300 km/h～350 km/h軌道不平順管理值》和《鐵路線路維修規(guī)則》，并結(jié)合本地情況和國(guó)內(nèi)類似工程的施工加固措施，按照無(wú)砟軌道要求高速鐵路控制值為隆起1 mm，沉降為1 mm考慮，修建地鐵時(shí)，采用本加固方法穿越高鐵橋下巖層，能夠保證沉降值符合要求，也能夠確保高速鐵路的列車運(yùn)營(yíng)安全。

經(jīng)數(shù)值分析，地鐵施工完畢后，路基的最大沉降槽曲線如圖6所示，最大沉降值為8.08 mm，最大沉降值位于兩條盾構(gòu)隧道的對(duì)稱面位。

5 結(jié)論及建議

1)盾構(gòu)法施工時(shí)，首先要確保同步注漿質(zhì)量和數(shù)量符合設(shè)計(jì)要求，避免地層變形、提升結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性，也可以起到改善結(jié)構(gòu)受力，必須保證襯砌管片與盾構(gòu)圍巖的間隙充填密實(shí)，同時(shí)，結(jié)合下穿段具體地質(zhì)情況，需要在試驗(yàn)段先行分析出最佳注漿量及注漿壓力，保證在盾構(gòu)穿越高鐵時(shí)所用參數(shù)最優(yōu)。

2)施工前向鐵路部門申報(bào)完備的穿越施工方案，待鐵路部門審批通過(guò)后方可施工。并應(yīng)由鐵路部門提出具體的允許變形值及沉降值控制指標(biāo)，以便在施工中監(jiān)測(cè)控制，施工過(guò)程中加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)優(yōu)化施工參數(shù)。

3)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，需要嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度和姿態(tài)，不應(yīng)頻繁的調(diào)整，減少糾偏次數(shù)，姿態(tài)調(diào)整時(shí)需要嚴(yán)格控制在±5 mm范圍內(nèi)。

4)進(jìn)入高鐵橋下投影段前，必須全面檢查盾構(gòu)機(jī)和相關(guān)其配套設(shè)備，確保以最佳的狀態(tài)盾構(gòu)穿越最關(guān)鍵區(qū)段。嚴(yán)格控制同步注漿量，避免因盾尾空隙未能得到及時(shí)填充而產(chǎn)生下沉。并及時(shí)進(jìn)行二次注漿，保證二次注漿量，為了達(dá)到更好的控制后期沉降值，注漿時(shí)需要結(jié)合監(jiān)測(cè)信息情況及時(shí)調(diào)整，確保以最佳方式盾構(gòu)穿越。

5)在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，通常洞身圍巖塑性區(qū)的發(fā)展具備滯后性，為了減少盾構(gòu)時(shí)在高速鐵路橋下圍巖中的停留時(shí)間，可以快速的完成管片布設(shè)安裝工作。

6)采用地面注漿處理的溶洞，應(yīng)經(jīng)過(guò)鐵路部門同意，做好專項(xiàng)施工方案。盾構(gòu)過(guò)程中遇到待填充物的溶洞，需要加大注漿量快速通過(guò)，同時(shí)在成型隧道上安排二次補(bǔ)充注漿，防止隧道下沉影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量。溶洞較大，需要進(jìn)行地面鉆孔注漿，泵送砂漿把溶洞填充密實(shí)后再向前推進(jìn)。

7)施工過(guò)程中做好施工監(jiān)測(cè)，為調(diào)整和優(yōu)化施工措施提供可靠信息和依據(jù)。