盾构隧道下穿高铁路基中水平旋喷桩加固施工及效果分析

王科甫

(中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西西安 710043)

在城市轨道交通建设进程中，将不可避免地遇到越来越多的地铁盾构隧道下穿既有路面轨道交通线路的情况。在盾构隧道下穿既有轨道线路的施工过程中，为保障底面交通的安全稳定运行。有必要对盾构隧道下穿区间的地层进行加固，一方面提高地层承载能力，另一方面降低盾构施工对路面轨道交通的影响。当前，在加固工法中，全方位高压旋喷技术(MJS)已逐渐被工程人员所应用。

MJS工法目前已被广泛应用于实际工程中。在软弱地基加固中，通过高压流体切削地层并与地层形成水泥-砂混合物，从而可选择性的对地层进行不同方位的加固。在MJS技术中，通过桩体之间形成的地下结构在众多地下工程中发挥着重要的作用。比如城市暗挖隧道中地层加固及止水[1]、较小地层沉降[2]和提高地层承载能力[3]等多方面均采用了MJS技术。在MJS施工过程中，旋喷桩的成桩效果是施工的关键所在。此外，在盾构隧道下穿高速铁路施工过程中，采用MJS工法加固地层后对盾构施工下穿高铁路基施工的效果是工程中最为关心的问题[3]。因此，有必要设计合理的加固方案，并研究旋喷桩加固条件下盾构隧道下穿高铁路基区间段隧道施工后土层的变形和破坏情况。

因此，本文首先对旋喷桩加固地层方法进行了设计，随后提出了盾构隧道下穿高铁路基区间段地层加固方案。应用数值计算方法对不加固和架构后盾构下穿施工过程中地层变形、路基沉降和开挖塑性区进行了对比研究。研究结果论证了本文提出的加固方案能够有效地控制盾构隧道下穿高铁路基施工过程对高速铁路路基的影响。本文研究成果对后续类似工程具有一定的参考和意义。

1　工程概况

广州市轨道交通九号线全部为地下线，自西向东全长20.1 km，线路在广州北～花城路区间的隧道以大约74°斜角下穿武广高铁和京广线的股道，总共下穿范围共约100 m。

根据对该区间的岩土工程勘察得到了各层的地质参数，下穿区域属于河流冲积平原，地层自上而下包含了四层土体，分别为轨道碎石垫层、人工填土层、冲洪积砂层、灰岩中风化带和灰岩微风化带。四层地层厚度自上而下大约为1 m、2.5 m、8.5 m、5.3 m、和7.7 m。各层土体的物理力学参数如表1所示。

表1　土层参数表

2　水平旋喷桩加固

利用武广高铁西侧广州北站货场位置施工临时竖井，从基坑内自西向东施做MJS水平旋喷桩对区间隧道上方一定范围内土体进行加固。MJS工法加固范围为：加固区高度4.5 m,宽度23.5 m。武广高铁MJS工法加固区域以及加固范围如图1、图2所示。

图1　加固平面示意

图2　加固范围示意(单位:m)

加固过程中的钻孔布置方式：在拟改良区域均匀布置，旋喷范围为下半圆170°，有效改良体直径2.0 m，横向桩间距1.7 m，咬合0.3 m，竖向桩间距为0.7 m，咬合0.3 m，由下至上逐排旋喷。水平旋喷桩主要工艺参数：固化材料喷射压力40 MPa，固化材料排出量130 L/min，空气压力0.7 MPa，空气排出量1.0 N·m3/min。加固过程中的实际参数可根据上一小节所述的步骤获得。

3　加固效果分析

本文采用FLAC3D有限差分软件，对MJS加固后下穿高铁路基的盾构开挖过程进行数值模拟研究，从而分析本文中提出的水平旋喷桩的加固效果。

3.1　数值计算模型

根据工程概况，本文建立的数值计算模型尺寸为X×Y×Z=长×宽×高=60 m×60 m×35 m。假定围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准则，数值计算中采用了8节点六面体三维实体单元和4节点四面体三维实体单元。根据表1中数据建立了数值计算模型(图3)。

图3　数值计算模型

经过MJS加固后，加固区域的力学参数如表2所示。

3.2　水平旋喷桩加固条件下地层变形情况分析

根据盾构开挖的模拟方法和步骤，在地层未加固条件下进行盾构穿越高速铁路的模拟。将水平旋喷桩加固后地层变形情况与未加固条件下地层变形情况进行对比分析，从而分析加固效果。模拟中盾构采用常规施工参数掘进，即开挖面压力设定为0.15 MPa，注浆层厚度为0.15 m，注浆层弹性模量为150 MPa，为了降低盾构左右线之间的相互干扰，采用先开挖左线后开挖右线的方法进行盾构模拟施工。

表2　加固后地层物理力学指标

3.2.1地层竖向位移

不加固和加固条件下，盾构下穿铁路路基施工后的地层竖向位移分别如图4(a)、图4(b)所示。

图4　地层竖向位移云(单位：m)

由图4可知，在盾构隧道开挖后，不加固条件下(图4(a))盾构开挖后隧道上方土体发生了严重的变形。主要表现为地表和隧道上方高速铁路路基的整体性沉降。隧道上方沉降较为严重且比较集中。高速铁路路基下地层沉降具有整体性。盾构隧道拱顶上方围岩的最大沉降值达到了24.98 mm。地层加固情况下(图4(b))，盾构隧道拱顶沉降较为均匀，高速铁路路基主要沉降范围较小。根据广州地铁施工经验，地基沉降最大值不超过10 mm，在本工程中盾构隧道拱顶上方围岩的最大沉降值为5 mm，符合要求。

3.2.2高速铁路路基沉降

数值计算中得到的不加固和加固条件下高速铁路路基沉降曲线分别如图5(a)、图5(b)所示。

图5　铁路路基沉降槽曲线

由图5可知，高速铁路路基的最大沉降主要发生在模拟范围内的20～40 m区间。从图5中可以明显看出，隧道正上方的铁路路基因隧道施工产生的沉降基本为均匀沉降。不加固和加固条件下，左线贯通后，路基的最大沉降发生在左侧隧道拱顶，双线贯通后，路基的最大沉降发生于两隧道的对称线位置。不加固条件下(图5(a))，盾构施工完成后，高速铁路路基最大沉降量达到了大约16 mm, 而加固后(图5(b))高速铁路路基沉降最大值大约为4.85 mm，相对于不加固条件下，铁路路基最大沉降水平减小了大约400 %。同时，根据广州铁路路基工后沉降累计不超过5 mm，因此采取水平旋喷桩加固能够很大幅度的降低铁路路基沉降，保证路基安全稳定。

基于以上分析结果，通过对地层不加固和加固条件下地层变形和高速铁路路基沉降进行了对比研究，在盾构下穿高速铁路路基施工过程中，采用水平旋喷桩对地层进行加固后，能够有效减小地层的变形，降低高速铁路路基沉降水平和减小盾构施工后地层的扰动范围。因此采用水平旋喷桩加固地层能够有效减小下穿盾构施工对高速铁路路基的影响。

4　结论

本文基于数值模拟方法，对水平旋喷桩加固效果进行了仿真分析，为工程中采用旋喷注浆技术加固地层提供基础理论与研究方法。结合实际工程，水平旋喷桩加固技术取得了良好的效果，保证了盾构顺利的下穿高速铁路路基，为今后的类似下穿工程提供一定的指导与技术参考。