盾构下穿胶济铁路路基沉降规律与变形控制

李锁在， 郭仁亮， 孙 博， 孔德森， 安鹤鹏

(1.中铁三局集团 第四工程有限公司， 北京 102300； 2.山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

随着中国经济持续发展和城市现代化进程的快速推进，城市规模不断扩大，人口不断增加，对交通规模及其效率提出更高的要求。地铁建设和铁路建设蓬勃发展，同时地铁隧道下穿运营铁路工程[1-4]也急剧增加。盾构隧道的穿越施工影响机理复杂，会导致铁路路基沉降及铁路股道变形。因此，对于盾构下穿胶济铁路的情况下，开展盾构施工引起路基的沉降规律与控制研究具有十分重要的意义。

针对新建地铁隧道地表和路基沉降与控制变形的研究，部分学者对传统的Peck公示进行了修正。陈春来等[5]基于Peck公式，对双线水平平行盾构隧道施工中土体损失引起的三维土体沉降计算方法进行了研究；贾宝新等[6]在Peck公式中引入修正系数，使其适用于上软下硬地层中隧道施工的地表沉降预测。部分学者通过数值模拟研究隧道下穿铁路的沉降规律及变形控制。霍军帅等[7]采用板+桩组合结构的形式对地基进行加固并进行了安全性分析；仇文革等[8]研究砂卵石地层中盾构下穿敏感区域时地表的沉降规律及控制措施；杜明芳等[9]研究了地铁隧道不同斜向夹角下穿施工对铁路沉降的影响；王文谦等[10]研究3种不同加固方案下大直径盾构下穿既有高铁路基及轨道的变形控制效果和措施；郭现钊[11]对地铁盾构隧道近距离下穿广深铁路影响分析及防护措施进行了研究；陈袁东[12]对大直径盾构隧道下穿铁路线群沉降控制技术进行了研究；杜虎[13]对不良地层下盾构区间穿越既有铁路技术进行了研究；刘建友等[14]针对盾构隧道下穿高速铁路路基沉降控制标准进行了研究；任建喜等[15]研究了黄土地区地铁盾构下穿铁路变形控制技术。

尽管关于地铁隧道下穿铁路有着丰富的研究，但是大多数都是研究盾构在土层中掘进时既有铁路路基沉降规律以及地层加固措施，缺乏盾构在岩层中掘进既有铁路路基沉降和地层加固的研究。因此以青岛地铁2号线国际邮轮港站—泰山路站区间盾构下穿胶济铁路为工程背景，通过ABAQUS软件研究盾构下穿铁路的路基沉降规律，论证上部土层注浆加固和下部岩层全断面帷幕注浆加固两种方案的可行性。研究成果可为地铁盾构下穿既有铁路施工时路基的沉降控制和铁路的安全运营提供参考依据。

1 工程概况

青岛地铁2号线一期工程的国际邮轮港站—泰山路站区间位于青岛市市南区，本区间起讫里程为：右线YCK24+177.400～YCK24+668.290，全长为490.89 m；左线ZCK24+177.400～ZCK24+661.706，全长为499.552 m。在此区间的K24+450～K24+490段盾构隧道以40°角下穿既有胶济铁路，平面曲线半径为350 m，下穿长度约为40 m。盾构隧道为双洞单线隧道，左右线并行。盾构隧道下穿既有胶济铁路平面关系如图1所示。

图1 地铁盾构隧道下穿既有胶济铁路平面关系

图2 盾构下穿既有铁路位置关系与地层分布

工程线路揭露地下水类型主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水，其中第四系潜水主要分布在滨海岸滩及侵蚀堆积缓坡地貌单元，基岩裂隙水主要分布在剥蚀斜坡地貌单元。

2 数值计算模型

2.1 模型尺寸

数值模拟选用ABAQUS有限元软件，分析盾构下穿胶济铁路路基沉降规律，研究不同加固方案对铁路路基沉降的作用。模型分为6个部件，分别为岩土体、路基、衬砌、等代层、盾构、铁轨。盾构下穿铁路区间隧道顶部距地表约18 m，隧道下部地层取3倍洞径，最终取土体高度为40 m。考虑边界效应以及路基的影响，土体宽度取80 m，长度取130 m。路基填土高度为3.5 m，上宽25 m，下宽30 m；路基道砟层高度为0.5 m，上宽19 m，下宽20 m。隧道开挖直径为6.3 m，衬砌采用厚度为300 mm的C50混凝土管片，等代层厚度为150 mm。数值模拟模型如图3所示。

图3 数值模拟模型图

2.2 模型参数与边界条件

数值模拟模型中的岩土体、路基和加固土体采用摩尔-库仑本构模型，衬砌、等代层、盾构、铁轨采用弹性本构模型。总结地勘报告、青岛地区相关工程[16-17]经验以及胶济铁路相关工程[18]经验，确定了地层、铁路路基和加固土体的参数。由于衬砌是由管片拼接而成，对其弹性模量折减20%。模型参数列于表1和表2。

模型中岩土体的前后两面限制x方向的位移，左右两面限制y方向上的位移，底面限制z方向的位移。路基的左右两面限制y方向的位移。

表1 地层和路基结构参数

表2 加固区及支护结构参数

2.3 模型建立

为分析盾构下穿铁路时在破碎带影响下的沉降规律和验证不同地层加固措施的可行性，数值模拟过程中建立了以下3个模型。

模型1：在安装管片和盾构盾尾注浆的情况下盾构下穿胶济铁路。

模型2：在安装管片和盾构盾尾注浆的前提下，对上部土层注浆加固后盾构下穿胶济铁路。

模型3：在安装管片和盾构盾尾注浆的前提下，对下部岩层全断面帷幕注浆加固后盾构下穿胶济铁路。

3 地层加固前数值计算结果

由于地层的复杂性和铁路路基的多样性，目前为止还没有一套成熟的铁路路基沉降标准；但随着学者们的深入研究，沉降控制标准在不断提高。根据《铁路线路维修规则》和娄国充[19]基于平顺性要求的最大允许沉降变形标准，结合胶济铁路运营速度、隧道埋深、隧道类型，最终确定路基表面沉降控制在3.8 mm以内。

一般认为，轨道在沿铁路方向可看作是无限长的柔性结构，可以认为轨道的变形与路基地表变形是一致的，所以主要是研究路基表面沉降。下穿区段铁路路基一共4条铁路干线，取这4条路线作为数值模拟的监测线。比对4条监测线的沉降差异，分析破碎带对于铁路路基沉降的影响，研究不同加固方式对铁路路基沉降的作用。数值模拟4条监测线的俯视图如图4所示。

图4 数值模拟监测线俯视图

模型1的4条监测线数值模拟结果和路基沉降云图分别如图5和图6所示。由图可见，在没有地层加固的情况下出现的沉降槽是典型的Peck沉降曲线。由于两隧道间距较近，沉降槽呈“U”形。监测线1～4的路基最大沉降值依次为4.4、4.7、5.0、5.2 mm。监测线1～4的沉降值依次增大，这是由于路基下方地层中的破碎带分布不均，盾构在K24+450～K24+490段下穿既有胶济铁路，但是仅在K24+469～K24+510存在破碎带。监测4最大沉降值在两隧道中心线处，监测线1～3最大沉降值位于两隧道中心线的左侧3 m处。监测线 1～3最大沉降值偏中心线左侧，除上述破碎带分布不均的原因外，盾构与胶济铁路并不垂直而是呈45°角也是原因之一。

图5 模型1的4条监测线数值模拟结果

图6 模型1路基沉降云图

综上所述，在未进行地层加固的情况下，路基的沉降分布不均且大于安全警戒值4 mm，无法保证胶济铁路运营的平顺性及安全性。

4 盾构隧道下穿既有铁路区段地层加固措施

根据模型1数值模拟的结果可知，在没有地层加固措施的情况下，盾构下穿施工会影响胶济铁路的平顺性及安全性；同时胶济铁路作为青岛市的重要交通路线，保证胶济铁路的安全运营成为青岛地铁2号线的工作重点。根据青岛地层上软下硬的工程特点，同时借鉴相关工程[10，20-21]经验，在原有的管片支护前提下对路基下方地层进行加固。最终选取了两种合适的加固方案，一种是针对上部素填土和粗粒砂的注浆加固，另一种是针对中风化花岗岩尤其是破碎带的下部岩层全断面帷幕注浆加固。

4.1 上部土层注浆加固

青岛地区属于典型的上软下硬地层，针对上部素填土和粗粒砂地层在盾构施工前进行地面注浆加固，增强地层的强度和黏聚力，降低盾构施工引起的沉降，加强路基基础的整体性和稳定性。浆液采用水泥+水玻璃双浆液，注浆压力为0.15～0.2 MPa。根据盾构施工的影响范围，注浆加固区域的深度为素填土和粗粒砂地层共7 m，宽度为两侧隧道边线外延29 m，长度为铁路路基底部边线外延40 m。上部土层加固方案如图7所示。

4.2 下部岩层全断面帷幕注浆加固

盾构在铁路路基下部穿越中风化花岗岩和破碎带，中分化花岗岩均一性一般，破碎带强度和黏聚力较低，为了降低路基的沉降和保证铁路的安全运营，对隧道围岩注浆加固。为了尽可能减少盾构施工对胶济铁路运营的影响，在盾构施工前从地表对隧道围岩进行全断面帷幕注浆加固。浆液采用水泥+水玻璃双液浆，注浆压力为1.5～3 MPa。注浆加固区域深度为从隧道上下边线各外延3 m，宽度从左线隧道边线外3 m处至右线隧道边线外3 m处，长度为铁路路基底部边线外延40 m。全断面帷幕注浆加固方案如图8所示。

图7 上部土层加固剖面图

图8 全断面帷幕注浆加固剖面图

5 地层加固后数值计算结果

5.1 上部土层注浆加固后数值计算结果

模型2的4条监测线数值模拟结果和路基沉降云图分别如图9和图10所示。由图可见，在上部土层加固的情况下沉降槽依然为“U”形的Peck沉降曲线。路基沉降值均大于2.5 mm，同时小于安全警戒值4 mm；监测线1～4的最大沉降值分别为2.8、3.0、3.2、3.4 mm。路基整体的最大沉降值出现在相对于两隧道中心线的左侧。

图9 模型2的4条监测线数值模拟结果

图10 模型2路基沉降云图

5.2 下部岩体注浆加固后数值计算结果

模型3的4条监测线数值模拟结果和路基沉降云图分别如图11和图12所示。由图可见，在全断面帷幕加固的情况下沉降槽依然为“U”形的Peck沉降曲线，与模型1相比较，模型2曲线更加平缓。路基沉降值均大于1.5 mm，远小于安全警戒值4 mm；监测线1～4的最大沉降值分别为1.65、1.7、1.75、1.8 mm，路基整体的沉降趋于一致。路基的最大沉降值出现在相对于两隧道中心线的左侧。

图11 模型3的4条监测线数值模拟结果

图12 模型3路基沉降云图

5.3 地层加固前后数值计算结果对比分析

地层加固前后数值计算结果列于表3。通过对比可得：模型2与模型1相比，路基的最大沉降值降低了1.8 mm，监测线1～4沉降分别降低41%、38%、36%、35%；模型3与模型1相比，监测线1～4的最大沉降值分别降低了66%、64%、65%、65%；模型3与模型2相比，各监测线沉降值降低率更加平均。综上，分别对上部土体和下部岩体加固后，铁路路基沉降有了明显的降低，利于铁路的安全运营；下部岩体加固与上部土体加固相比，沉降更低且差异小，更利于铁路的平顺性。

表3 地层加固前后数值计算结果

单位：mm

6 结论

以青岛地铁2号线盾构下穿胶济铁路为工程背景，通过ABAQUS软件对地层未加固、上部土体加固、下部岩层全断面帷幕注浆加固3种模型进行模拟，得到以下结论：

1)盾构下穿胶济铁路过程中，破碎带的存在对于路基沉降有着显著的影响；同时由于破碎带的分布不均和铁路与盾构隧道的夹角关系，引发了路基的不均匀沉降，对于铁路安全运营存在不利影响。

2)盾构在硬岩中掘进相较于以往盾构在土层中掘进，路基的沉降值明显降低；但随着高速铁路的控制标准不断提高，不进行地层加固已经不能满足铁路对于安全性和平顺性的要求。

3)青岛地层是典型的上软下硬结构，通过对上部较软土层进行注浆加固使路基沉降降低了约40%，既满足了安全运营要求又节约成本，证实了对上部土层注浆加固的可行性。

4)通过对下部岩体尤其是破碎带的加固使路基沉降有了明显的降低，降低了约65%，不仅满足铁路安全运营要求，同时有利于铁路的平顺性，但是存在施工难度大和施工成本较高的缺点。

5)通过研究盾构在上软下硬并夹杂破碎带的地层掘进对既有路基的影响，提出了合理的加固措施，为后续类似工程提供参考。