地铁隧道下穿既有铁路施工时的地基加固分析
发布时间：2022-04-16
摘 要 地铁隧道在下穿既有铁路施工时，保证铁路运营安全是施工中的关键问题之一。通过建立 FLAC 三维数值模型，对南京地铁 S8 线某段盾构隧道下穿既有宁启铁路进行了计算分析，并根据计算结果建议对铁路路基采取地基注浆加固措施。对加固后的地基重新进行计算，同时制定了地基变形监测方案。监测结果表明，地铁隧道盾构施工时，影响地面沉降的因素由地基和施工参数共同作用组成。在地铁隧道下穿铁路施工时，对铁路地基进行的注浆预加固保护措施和盾构掘进过程中对施工参数进行的动态调整，保证了地铁隧道施工期间该铁路的运营安全。
关键词 地铁隧道施工; 下穿既有铁路; 地基加固; 数值分析
新建地铁隧道下穿既有铁路线施工时，会对既有铁路线的结构和轨道产生影响。不同的施工方法、控制技术措施在不同的施工阶段对既有铁路线变形的影响是不同的。地铁隧道盾构下穿施工是一项存在多项不确定因素的综合工程，或多或少会引起铁路轨道的前后不平顺及整体沉降或差异沉降等现象，这些都会给铁路的安全运营带来很大的不确定因素[5 - 8]。苏州某地铁隧道盾构下穿高铁路基采取板桩结构和注浆联合支护的方法; 北京地铁 5 号线崇文门站下穿 2 号线崇文门渡线段，采取大管棚和注浆联合支护的方法。无论采取何种方法进行地基加固，保证地铁隧道施工不影响既有轨道线路的运营安全一直是倍加关注的工程问题。
本文对南京地铁 S8 线某段盾构隧道下穿既有宁启铁路施工时的地基加固作数值分析。该地铁盾构左线下穿铁路高填路基，而右线下穿铁路刚构桥。探究盾构下穿时二者及其结合处的地表变形规律和保护措施是本文研究的重点。
1 工程概况
南京地铁 S8 线一期工程作为南京市 2014 年青奥会交通配套工程之一，始自南京市大桥北路，终至六合区金牛湖风景区。全线共设 17 座车站，其中高架站 11 座，地下站 6 座。该线的方州广场站—沈桥站区间为盾构施工隧道，在 K28 + 951. 770 处左右线( 线间距为 20 m) 分别下穿既有的宁启铁路路基和钢构桥。其中，左线穿越铁路路基段长度约 33 m ( 28 管环) ，从铁路路基表面算起埋深约 16 m; 右线穿越钢构桥长度约 16 m( 13 环) ，从地面算起埋深约 10. 5 m。地铁隧道与既有宁启铁路的平面关系示意图见图 1 所示。
根据勘察报告按成因及年代可将该施工段的地层整合成 4 层，其物理力学指标详见表 1。
地铁隧道所处地层为粉质黏土或淤泥质粉质黏土，工程地质一般。
地铁隧道采用盾构施工，选用盾构机型号为小松 TM634PSX - 43，盾构外径 6. 34 m，盾尾间隙量 30 mm，最大推力 37 730 kN。采用整环管片做支护的方式进行掘进，管片依次拼装 3 个标准块 A，然后安装 2 块邻接块 B，最后安装楔形块 K。管片外径为 6 200 mm，内径为 5 500 mm，厚度为 350 mm，环宽为 1 200 mm。整环管片拼装完后，在盾尾密封刷内填塞密封油脂，以保护盾尾密封刷不被磨坏，然后将管片往盾尾后推出 1 200 mm。并及时进行同步注浆。
2 地铁隧道盾构施工的数值模拟计算
宁启铁路的沉降控制要求严格。为确保施工的安全性，做到万无一失，决定建立三维模型进行盾构下穿施工的数值计算分析，以确定是否需要采取地基加固措施及采取什么样的地基加固参数。
2. 1 三维数值模型
FLAC3D ( Fast Lagrangian Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析) 软件是由学者 Cundall 和美国 ITASCA 公司研发的有限差分数值计算程序，主要适用于岩土工程问题分析。本次计算采用该软件进行数值分析工作。模型共划分为 53 726 个单元、57 806 个节点。盾构管片采用 C50 混凝土材料参数。岩土体的模拟采用德鲁克 - 普拉格本构模型，对块体单元进行空化和激活来模拟土体的开挖和填筑，用梁单元模拟刚构桥，用线弹性模型模拟隧道管片结构。其中，土体和地铁隧道钢筋混凝土管片的接触通过壁后等代层来实现。等代层中的材料是土、水泥浆及土与水泥浆的混合体，其弹性模量应介于土和水泥之间，一般可参考水泥土的压缩模量来取值。它与土的性质、浆体材料及其组成比例等有关。
计算时作如下假定:
1) 围岩荷载释放率: 在盾构盾尾脱出时，如果能做到注浆与应力释放同步，注浆压力等于盾构脱出卸荷产生的释放应力，浆液不失水收缩，则可以认为围岩的荷载释放率为零。而实际上，围岩的荷载释放率不可能为零。根据参考文献和当地施工经验，选择荷载释放率为 0. 2。
2) 等代层模拟注浆: 注浆通过等代层参数反映浆液的性质，认为注浆材料会及时完全填充盾尾的理论空隙值。注浆形成的等代层厚度取为 0. 15 m。等代层采用弹性体，弹性模量为 4. 5 MPa，泊松比取为 0. 3。
现以此假定为依据进行模拟计算，分析盾构下穿宁启铁路时对其沉降的影响规律。地铁左右线隧道盾构施工下穿宁启铁路的三维数值模型如图 2 所示。
2. 2 三维数值模拟计算结果分析
根据设计文件要求和《铁路线路维修规则》等相关标准可知，地表的允许隆沉值分别为 + 8 mm 和- 25 mm。图 3a) 是在未对铁路路基及刚构桥采取任何加固措施的工况下，左线隧道开挖的模拟计算地表沉降曲线。其曲线变化趋势表明在隧道开挖通过后，地表形成沉降槽，符合有关地层沉降理论，在线路中心处沉降曲线最低点的沉降值达到 18 mm。由于地表沉降造成隧道腰部横向变形，引起铁路刚构桥西端有隆起现象，模拟隆起值达到 10 mm。图 3b) 是继地铁左线隧道开挖之后，地铁右线隧道开挖叠加引起的地表沉降曲线。其曲线变化趋势表明，伴随着地铁右线隧道的开挖，地表沉降曲线仍然表现为派克( Peck) 曲线，但最大沉降点向东侧偏移至两隧道中心线处，地表最大沉降值为 22 mm。同时由于右线隧道开挖引起的地层损失导致铁路刚构桥西端由原来的隆起变为沉降，沉降值为 13 mm。图 3 原始条件下开挖后地表沉降模拟曲线由图 3 可以看出，即使严格遵守盾构相关施工参数，及时进行盾构同步注浆，仍然不可避免引起铁路路基和刚构桥西半部分的下沉。因为计算时采取了一定的简化条件，和现实土层状况有差异，虽然地表沉降值未超出安全容许范围，但从曲线变化趋势上也揭示了盾构下穿宁启铁路施工期间的潜在危险性。地层不均匀沉降容易导致铁路轨顶不平顺，由此引起的不平顺将加大轮轨间的冲击力，使路基内动应力加大，从而使地铁隧道结构受到的附加动应力增大。为了保证该铁路在地铁盾构下穿施工期间的绝对安全，应该借鉴相关案例经验和资料，采取地基主动加固措施，人为提高铁路钢构桥基础和穿越区范围内的地层物理参数，从而提高其地基强度。
经分析研究，建议对盾构穿越宁启铁路路基和刚构桥的施工范围内的地层进行加固处理，提高其地基强度，以减小地层位移。从地基加固后的地层位移云图可知，加固后双线地铁隧道开挖引起的路基最大沉降值为 5 mm 左右，刚构桥西侧沉降在 1 mm 左右，刚构桥其余部位地基隆起值在 1 mm 左右。较之地基未加固时的岩土条件，地表沉降已有很大改善，可以满足铁路安全运行的要求。故在该段地铁隧道施工时需对地基进行加固。
3 地层沉降控制技术
3. 1 地基加固
铁路的地基加固示意图如图 4 所示。
经研究讨论并查阅相关资料，决定对盾构隧道通过段的宁启铁路路基和刚构桥进行地基加固。考虑到铁路周边有厂房民居等建筑物，而且穿越宁启铁路刚构桥的金江公路车流量较大，不便于交通改道，同时大型施工机械不利于铁路的运行安全防护，故应尽量采用小型便利的机械施工。最后决定采用袖阀管注浆技术进行地基加固。袖阀管是一种只能向管外出浆，不能向管内返浆的单向闭合装置。可以根据地层情况调整灌浆长度，实现定量、定尺、可控灌浆，还可重复灌浆。钻孔和灌浆分开，以提高钻孔、灌浆设备的利用率。
地铁隧道左线下穿铁路路基长为 33. 819 m，右线下穿铁路刚构桥长为 15. 647 m，其中地基加固区的左线对应隧道长度为 52 环，右线地基加固区对应隧道长度为 35 环。
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注浆范围为: 铁路刚构桥下地基的加固深度大于隧底 1 m; 铁路路基的地基加固区长、宽、深分别为 36 m、20 m、25 m。根据模拟数值计算可知，将地基承载力提高 7 ～ 10 倍即可满足要求。根据施工经验，浆液采用水泥浆，水与水泥的重量比为 1∶ 2，采用 32. 5 号普通硅酸盐水泥。水泥掺量为被加固土体的 18% 。加固 28 d 后经相关单位检测，无侧限抗压强度大于 1. 0 MPa，符合计算结果。对铁路刚构桥下进行地基加固时金江公路左右车道交替围挡施工，注浆采用 2 套设备从南北两侧对称同步注浆，为防止地层隆起，注浆压力控制为 0. 2 ～ 0. 5 MPa。
3. 2 盾构施工技术
在盾构掘进过程中，除了适时调整土仓压力、推力、刀盘扭矩及掘进速度外，在进入铁路路基下前 10 环时，刀盘压力每环增大 0. 012 MPa; 在越过路基 10 环时，刀盘压力每环减小 0. 01 MPa。此外，在下穿宁启铁路前，统计前 100 环的施工工况，如盾尾漏浆发生超过 2 次，则需盾构进入宁启铁路界限 30 m 范围前，在当前环将油缸推进至最大行程; 并检查第三道盾尾密封刷的完好状况，如有损坏则对此道盾尾刷进行更换。盾构下穿宁启铁路段的地铁隧道平面线型为缓和曲线与直线段，穿越区纵断面为 4‰的上坡。盾构穿越前将盾构平面姿态控制在 ± 20 mm 之间，偏下 - 5 ～ - 20 mm; 应严格控制同步注浆，及时检查渗漏浆并结合地表沉降现场监测情况，做好二次注浆。
4 铁路地基加固效果检验
为了对铁路地基的加固效果进行检验，特设置地基沉降监测点，其平面布置见图 5 所示。地基沉降实测结果如表 2 所示。
现场监测结果表明，铁路地基沉降规律和未加固之前的数值模拟计算相比基本一致，但是沉降值已经有了很大的改观。结合图 5 和表 2 可知，隧道左线开挖后，隧道顶部铁路路基产生沉降，并在左线上方岩土层形成典型沉降槽，沉降最大值约 3 mm，位置为隧道的顶部铁路正上方。刚构桥底部由于隧道腰部的变形挤压而出现微小隆起，单独开挖左线对刚构桥的扰动并不显著。随着右线的开挖，铁路路基顶部的沉降继续发展，靠近刚构桥侧沉降值明显增大，而刚构桥西下角则由于右线的开挖由隆起变为沉降，其沉降值约为 0. 7 mm。两隧道成型后对刚构桥的影响明显比单一隧道开挖要大，但刚构桥整体沉降值明显在安全可控范围之内。
5 结语
1) 在地铁隧道施工中，无论采取哪种施工方法，都不可避免对周边围岩造成一定程度的扰动。扰动大小与开挖方法、隧道埋深、隧道间距、地质情况等有关。特别是地铁隧道需下穿既有铁路线施工时，施工前采取数值模拟预测方法是一个决定地基是否加固的有效手段。
2) 考虑既有铁路线的运营安全，铁路地基加固方法宜选用袖阀管注浆，既方便快捷，又容易控制注浆范围。数值模拟计算显示，未进行地基加固时，地铁隧道左线开挖引起铁路路基段沉降，而刚构桥和路基接茬处呈现隆起，接近安全控制值; 而注浆加固后与未注浆工况相比，地基沉降变化趋势一致，但沉降最大值已降为 3 mm 左右，隆起最大值为 0. 7 mm，已远远小于安全控制值，不影响铁路安全运营。——论文作者：高志刚1 冯 超2
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