市域鐵路大直徑盾構并行施工對鄰近高鐵路基變形影響分析*

王 綱

(上海東華地方鐵路開發有限公司,200071,上海)

新建城市軌道交通線路與鐵路運營線并行建設時,必須重點關注新建線路施工對鐵路運營線安全的影響[1-2]。大直徑盾構小凈距并行既有高鐵路基施工會造成高鐵路基周圍土體應力環境變化[3],進而導致高鐵路基產生附加變形。如何有效控制隧道開挖變形及保證既有高鐵線路的安全運營,成為工程設計與施工中的關鍵。

本文依托上海市域鐵路機場聯絡線(以下簡稱“機場聯絡線”)大直徑盾構隧道并行既有滬杭高鐵路基段工程,針對鄰近高鐵路基的大直徑盾構施工變形控制難題,基于監測數據分析了門式隔離樁加固下盾構并行施工對土體擾動及對高鐵路基變形的影響規律,可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

機場聯絡線連接上海虹橋機場與浦東機場。機場聯絡線盾構段長距離并行既有滬杭高鐵路基,聯絡線盾構段與滬杭高鐵路基的相對位置如圖1所示。并行段盾構埋深為7.80～19.13 m,自小里程往大里程埋深逐漸加深;隧道外邊緣與鐵路路基坡腳的最近距離為8.4 m,位于機場聯絡線里程DK7+002.643位置處(高鐵里程K5+458.990)。盾構段隧道采用外徑為13.6 m、厚度為0.55 m的雙線大直徑盾構管片。為控制高鐵路基變形,保證既有高鐵線路的安全運營,盾構施工采用門式隔離樁進行防護。隔離樁為φ1 000 mm、間距1 200 mm的鉆孔樁,樁底至盾構底以下7 m;樁頂部設置內支撐,間距為6 m。

圖1 機場聯絡線盾構段與高鐵路基相對關系平面圖

并行段滬杭高鐵軌道結構為CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道,路基高約3.6 m。高鐵路基西側采用C25片石混凝土擋墻,內部采用寬5.0 m、層間距0.6 m的雙向土工格柵加固;高鐵路基東側采用M7.5漿砌片石拱形截水骨架,內部采用寬3.0 m、層間距0.6 m的雙向土工格柵加固。高鐵路基底部采用厚0.5 m的C30混凝土樁板加固。樁板底部采用φ0.6 m、間距3 m的鉆孔樁加固,樁長約36 m。以盾構段并行高鐵路基段間距最小位置為例,盾構隧道與高鐵路基空間位置關系如圖2所示。

圖2 機場聯絡線隧道與高鐵路基位置關系橫斷面圖

場地土層物理力學參數如表1所示。場地軟弱土層深厚,包括③1淤泥質粉質黏土層和④1淤泥質黏土層。軟土具有高含水量、觸變性、弱滲透性和明顯的流變性等特點。在上海軟土地區進行盾構近距離并行施工,易對周圍土體和鄰近高鐵路基產生不利影響。

表1 工程場地土層物理力學參數

1.2 施工監測方案

機場聯絡線并行高鐵路基的盾構施工段里程為DK6+645.000—DK7+002.643。監測內容包括地面沉降和高鐵路基變形。監測點平面布置如圖3所示。地面沉降監測點共77個,高鐵路基沉降監測點共30個。

圖3 機場聯絡線并行高鐵路基盾構施工段監測點平面布置示意圖

2 監測數據分析

2.1 地面沉降

為分析機場聯絡線并行既有高鐵路基段的盾構施工對土體的影響規律,收集盾構施工過程中和盾構施工完畢后隧道正上方共30個地面沉降監測點的沉降值進行分析,結果如圖4所示。盾構在施工過程中和施工完畢后,隧道正上方地面總沉降最大值分別為21.14 mm和 20.32 mm。機場聯絡線里程DK6+835—DK6+915的地面沉降測點相對其他里程測點出現隆起現象。

圖4 地面各監測點豎向位移統計圖

為進一步分析盾構施工沿隧道橫向對地面豎向變形的影響,選取盾構隧道46環斷面各沉降監測點的實測數據進行分析,結果如圖5所示。由圖5可知:① 地面最大沉降位于隧道上方,且距隧道越遠沉降值越小。B46-8監測點處地面沉降不受盾構施工影響。② 盾構施工完畢后,遠離高鐵路基側地面變形為隆起,靠近地鐵路基側地面變形為沉降。③ 門式隔離樁外測點最大隆起為9.12 mm,遠小于隔離樁內地面豎向變形,表明門式隔離樁加固能有效限制樁外土體變形,具有良好的隔斷效果。

圖5 盾構隧道46環斷面不同施工階段不同監測點地面豎向位移

圖6為盾構隧道46環斷面不同監測點地面豎向位移時程曲線圖。由圖6可知:① 由于刀盤的壓力變化和擠土作用,盾構到達斷面前20 m內,土體受到擾動出現輕微隆起現象,最大隆起量為5.48 mm。② 盾構通過斷面后50 m內,地面沉降迅速發展,此階段是地面沉降的主要階段。一方面由于存在65 mm的盾尾間隙;另一方面由于短時間內漿液尚未完全固結,難以提供足夠的支護力。此時,地面最大沉降位于B46-2測點處,最大沉降值為19.29 mm。③ 盾構通過斷面50 m后,地面沉降變化速率變緩,隨著同步注漿漿液逐漸固結形成強度,地面沉降逐漸趨于穩定。

圖6 盾構隧道46環斷面不同測點地面豎向位移時程曲線圖

2.2 高鐵路基變形

為進一步分析機場聯絡線并行既有高鐵施工對高鐵路基的影響,收集盾構施工過程中和施工完畢后高鐵路基底座板監測點的監測值進行分析,結果如圖7所示。其中豎向位移負值表示路基沉降,水平變形負值表示路基向盾構側方向變形。

a) 豎向

由圖7可知,盾構施工過程中,高鐵路基底座板最大隆起為1.6 mm、最大沉降為1.9 mm。滬杭高鐵路基底座板遠離盾構側移動的最大水平位移為1.4 mm、向盾構側移動的最大水平位移為1.9 mm,各監測點變形的最大值都小于工程監測報警值[4],說明門式隔離樁防護加固措施能有效控制高鐵路基變形,具有良好的隔斷效果,可保證既有高鐵線的正常運營。

綜上所述,機場聯絡線盾構施工引起滬杭高鐵路基變形滿足高鐵路基變形累計值±2 mm的控制要求[6]。開挖期間,在相應區段限速的情況下,機場聯絡線盾構施工未影響既有高鐵線的正常運營。

3 結語

本文基于機場聯絡線并行滬杭高鐵段的盾構施工的實測數據,分析盾構施工對既有高鐵路基的變形影響規律,得到以下結論:

1) 盾構施工完畢后,地面最大沉降位于隧道上方,遠離高鐵路基側地面變形為隆起,靠近高鐵路基側地面變形為沉降。盾構在施工過程中和施工完畢后,地面總沉降最大值分別為21.14 mm和20.32 mm。

2) 盾構施工對地面豎向變形的影響主要集中在刀盤到達斷面前20 m和通過斷面后50 m內,通過前土體表現為隆起,通過后土體表現為沉降。

3) 門式隔離樁加固能有效限制樁外土體位移,控制高鐵路基變形。盾構施工完畢后,滬杭高鐵路基水平和豎向變形最大值均為1.9 mm。機場聯絡線盾構施工未影響滬杭高鐵的正常運營。