盾构区间下穿铁路影响分析及加固方案设计
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摘 要：杭州地铁7号线工程场地范围具有分布广泛、层厚均匀的淤泥质粉质粘土层，盾构区间主要穿越该土层，属于典型的软土层施工；盾构区间在该土层中先后穿越沪昆铁路路基和杭甬高铁桩基，需严格控制地面沉降和桥墩位移。本文通过数值计算分析，结合工程实例，对盾构下穿铁路的防护加固方案进行了阐述。
关键词：盾构区间；下穿铁路；数值分析；加固方案
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.088
1 工程概況
杭州地铁7号线区间在里程SDK38+250.146～ SDK38+265.146范围内下穿既有沪昆铁路路基、侧穿杭甬高铁桥桩基础。沪昆铁路为电气化复线铁路，时速160km/h，有砟道床。杭长高铁是一条东西向客运专线，设计时速350km/h，运营时速350km/h。无砟道床，桩基础为￠1000mm钻孔灌注桩。区间隧道与沪昆铁路、杭甬高铁相交夹角分别为约91°、90.2°，盾构隧道右线管片外径与沪昆铁路、杭甬高铁265#、264#桥墩承台最近距离分别为12.47m和6.69m；盾构隧道左线管片外径与沪昆铁路、杭甬高铁264#、263#桥墩承台最近距离分别为6.71m和12.49m。平面位置关系见图1.1。
在下穿沪昆铁路区域，地铁左右线基本位于直线段，沿盾构推进方向以9.5‰的坡度下坡，隧道覆土约16～17m。
2 工程地质和水文地质
工程范围内土层从上自下主要为杂填土、砂质粉土、粉砂夹粉土、淤泥质粉质粘土、含砂粉质粘土、粉细砂。地下水主要为孔隙潜水和孔隙承压水。土层参数见表2.1。
3 地铁区间下穿铁路设计方案
为确保盾构顺利掘进，保证铁路运营安全，需采取措施严格控制盾构施工过程中铁路路基沉降、桥桩的位移。结合以往工程经验，根据本工程的重要等级、周边环境和施工难度，对沪昆铁路、杭甬高铁防护加固方案设计如下：（1）下穿前对沪昆铁路范围内的土体进行主动注浆，注浆采用水泥浆，水灰比1：1，注浆压力1.0～1.5Mpa，注浆加固强度不小于1Mpa，同时设置两排￠800mm@600mm二重管旋喷桩，旋喷桩竖向加固范围同主动注浆加固范围。（2）侧穿高铁桩基采用隔离桩，隔离桩为￠800mm@1000mm钻孔灌注桩，桩长27m，在左、右线盾构1m沿盾构轴线方向排布并保证钻孔桩与桥桩桩心距不小于6m；桩顶设置冠梁及混凝土横撑，将隔离桩连成整体，钻孔桩施做时隔一打一，减少对周边土层的扰动。隔离桩间地铁穿越区土体进行注浆加固，加固深度自标高0.2至盾构底以下3m。
4 盾构隧道施工对沪昆、杭甬高铁影响分析
4.1 三维模型及计算参数
假定上方沪昆铁路（路基）与杭甬铁路（高架）沉降已完成，计算中得出的沉降是由于地铁隧道施工中土体的扰动引起的。Plaxis 3D建立三维有限元模型，模型总长度135m、总宽度为150m，深度为70m，土体本构采用土体硬化模型模拟，采用5‰地层损失率来计算模拟施工过程。根据工程的施工顺序，计算时的模拟步骤如下：工况1：隔离桩（包括桩顶内支撑）施工；工况2：右线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台东侧边缘位置；工况3：右线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台中心位置；工况4：右线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台西侧边缘位置；工况5：右线隧道盾构机推进至沪昆铁路路基东侧坡脚位置；工况6：右线隧道盾构机刀盘推进至沪昆铁路下行线路基中心位置；工况7：右线隧道盾构机刀盘推进至沪昆铁路上行线路基中心位置；工况8：右线隧道盾构机推进至沪昆铁路路基西侧坡脚位置；工况9：右线隧道贯通；工况10：左线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台东侧边缘位置；工况11：左线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台中心位置；工况12：左线隧道盾构机推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台西侧边缘位置；工况13：左线隧道盾构机推进至沪昆铁路路基东侧坡脚位置；工况14：左线隧道盾构机刀盘推进至沪昆铁路下行线路基中心位置；工况15：左线隧道盾构机刀盘推进至沪昆铁路上行线路基中心位置；工况16：左线隧道盾构机推进至沪昆铁路路基西侧坡脚位置；工况17：左线隧道贯通。
4.2 计算结果及分析
通过计算，地铁隧道开挖对铁路路基造成影响， 双线隧道完成后沪昆铁路路基最大沉降7.71mm，满足要求。
施工过程中引起高铁桥墩墩顶最大横桥向累计位移发生在工况2（右线隧道盾构机刀盘推进至沪昆高铁、杭深铁路桥墩承台），位于264#墩，最大位移为0.251mm；高铁桥墩的墩顶最大顺桥向累计位移发生在工况9（右线盾构贯通），位于264#墩，最大位移为-0.868mm；高铁桥墩墩顶最大竖向累计位移发生在工况17（左线盾构贯通），位于264#墩，最大位移-0.495mm，桥梁位移值均满足规范要求。
5 盾构推进其他施工措施建议
5.1 施工参数选取
为了保证上方铁路的行车安全盾构施工参数的合理选取是重要因素，因此结合以往对施工参数的数值模拟结果以及杭州地区类似工程实践中实际的施工参数，确定本工程的施工参数。
（1）盾构推进土仓压力。大量的工程经验表明，盾构前仓推力的增加引起的盾构前方隆起可以平衡部分地表沉降，从而可以减少地面沉降；建议在盾构掘进中，在实际施工中，前仓土压力可取1.1～1.2倍的静止土压力，即前仓土压力值宜比理论值高出15～25 kPa。
（2）顶进速度。盾构区间掘进过快，不利于控制地表沉降。根据软土地区既有盾构下穿铁路的工程经验，保持2.0～2.5cm/min的推进速度匀速推进，每日推进7～10环，排土量为理37.1m3/环，能有效控制地面沉降。
（3）隧道偏移。在盾构进入穿越区前，应调整盾构姿态至最佳，严控盾构纠偏。盾构施工中，要尽量避免盾构机“蛇”形，对于盾构机蛇形运动的修正，应以长距离慢慢修正为原则，一次纠偏量不宜超过5mm。根据隧道地质变化、隧道埋深、盾构姿态、刀盘扭矩等，及时跟踪调整，对出现的小偏差及时调整，以减少地层的扰动。
5.2 盾构管片增设注浆孔注浆
穿越铁路时，每环盾构管片增设10个注浆孔。在盾构通过后，根据监测情况通过增设的注浆孔及时进行二次补浆，以限制地层沉降，确保沪昆铁路路基、杭甬高铁桥桩的安全。
6 主要结论与建议
通过分析和论证，得到本工点技术方案的主要结论和建议如下：
（1）对沪昆铁路工程，为控制盾构施工引起的铁路线路变形、减小地铁隧道结构承受的铁路动荷载及地铁隧道长期变形对铁路的影响，建议在盾构施工期间，实行限速。下穿时考虑地层预加固，施工期间应控制盾构施工参数、加强监测及铁路线路的监护、养护等工作。
（2）下穿杭甬高铁期间，由于隧道与桩基净距较小，在减少隔离加固措施对桩基影响的前提下采取钻孔灌注桩加固隔离，确保桩基变形在规范要求范围内。
（3）盾构推进、注浆加固期间至施工结束后最少三个月内（应观测到铁路线路变形稳定为止），必须进行同步跟进实时监测，并加强线路的养护维修。
（4）地铁建设制定设计施工方案前应与铁路养护及运营管理部门加强沟通，相互协作，地铁设计施工方案应征得铁路管理部门批准。
参考文献：
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