內(nèi)容提要：北京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道先后下穿直徑線U型槽結(jié)構(gòu)及既有京九鐵路路基段，為盡量減少盾構(gòu)隧道施工對鐵路運營的影響，在充分比較的基礎上，采用了深埋隧道下穿方案。本文利用數(shù)值分析方法，論證了盾構(gòu)隧道對U型槽結(jié)構(gòu)的影響，提出了變形控制指標。
關鍵詞：盾構(gòu),深埋,數(shù)值分析,變形控制指標
1、引言
北京地鐵某盾構(gòu)區(qū)間隧道于YK9+848～YK9+910段先后垂直下穿直徑線U型槽結(jié)構(gòu)及既有京九鐵路路基。從理論上講，盾構(gòu)隧道的施工過程可以簡單概括為工作面開挖、盾尾襯砌環(huán)的拼裝和盾尾空隙注漿充填三大工序，伴隨著對土體的擾動、支護及再加固，不可避免地引起地層損失甚至地面沉降。區(qū)間隧道施工引起的地表沉降對既有鐵路線路的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面可能造成水平(指線路兩股鋼軌頂面的相對高差)超限;另一方面可能造成前后高差(指沿線路方向的豎向平順性)超限。2006年10月1日施行的《鐵路線路修理規(guī)則》明確規(guī)定，在υmax≤120km/h條件下，正線及到發(fā)線的線路軌道頂面靜態(tài)水平及軌向容許偏差管理值為4mm。
一般情況下，超過允許限值的水平差，可以引起車輛搖晃和兩股鋼軌的受力不均，導致鋼軌的不均勻磨損。但如果在延長18m的距離內(nèi)出現(xiàn)水平差超過4mm的三角坑，將導致一個車輪減載或懸空，如果此時出現(xiàn)較大橫向力作用，有可能發(fā)生脫軌事故。
前后高低不平順對線路運營危害較大。列車通過這些地方時，沖擊動力可能成倍增加，加速道床變形，從而更進一步擴大軌道不平順，加劇機車車輛對軌道的破壞，形成惡性循環(huán)。一般情況下，前后高低不平順的破壞作用同不平順(坑洼)的長度成反比，而同它的深度成正比。規(guī)范規(guī)定：線路軌道前后高低差用L=10m弦量測的最大矢度值不應超過4mm。
因此，如何最大限度地減少地鐵區(qū)間隧道施工對地層的擾動，控制地表沉降，滿足鐵路運營要求，保證運輸絕對安全，是本區(qū)間隧道設計需要重點考慮的問題。
2、直徑線U型槽及京九鐵路路基情況
區(qū)間隧道穿越范圍內(nèi)直徑線U型槽為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，側(cè)墻厚1.0m，底板厚1.2m，道床為0.7m厚的混凝土結(jié)構(gòu)。U型槽段基坑深7.4～7.7m，采用φ800@1000mm鉆孔灌樁樁結(jié)合噴錨支護，鉆孔灌樁樁樁長13m，樁頂冠梁為1000×800mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
在U型槽結(jié)構(gòu)下方，敷設了2條新改移的污水方涵，其結(jié)構(gòu)尺寸為3000×1250mm，與U型槽垂直。污水方涵為鋼筋混凝土蓋板箱涵:底板為1.5m素混凝土、側(cè)墻為1.3m素混凝土(兩側(cè)局部配有鋼筋)、頂蓋為0.27m～0.29m厚鋼筋混凝土。在U型槽基坑兩側(cè)共設有4座污水方涵閘門井與直徑線兩側(cè)污水管溝相連。
3、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況
3.1工程地質(zhì)
根據(jù)巖土工程勘察報告，工程范圍內(nèi)地層按地層沉積年代、成因類型劃分為人工堆積層(Qml)、新近沉積層(Q42+3al+pl)、第四紀全新世沖洪積層(Q41al+pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)、第三紀基巖四大類。本段地層自上而下依次為：
粉土填土①，稍密，含磚渣、灰渣。
雜填土①1，稍密，含磚塊、碎石、磚渣、灰渣，表層多為路基填土。
粉細砂②3，稍密～中密，低壓縮性。
圓礫卵石②5，稍密～中密，低壓縮性，最大粒徑不小于120mm，一般粒徑為5～40mm，粒徑大于2mm的顆粒占總質(zhì)量的70%，亞圓形，中粗砂填充。
粉質(zhì)粘土④，中壓縮性，含少量碎石。
粉土④2，密實，中壓縮性，含氧化鐵、云母。
卵石⑤，密實，低壓縮性，最大粒徑不小于500mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質(zhì)量的60%，亞圓形，中粗砂填充。
卵石⑦，密實，低壓縮性，最大粒徑不小于600mm，一般粒徑為20～60mm，粒徑大于20mm的顆粒占總質(zhì)量的65～70%，亞圓形，中粗砂填充。
礫巖?，密實，低壓縮性，強風化，膠結(jié)程度差，膠結(jié)物以粘粒組為主，局部為砂粒、大粒徑漂石;巖芯采取率80%左右，RQD﹥30%，R=0.21～0.22 MPa，極軟巖。
泥巖?1，密實，低壓縮性，強風化、薄層狀，膠結(jié)程度差，遇水易軟化，有弱膨脹性，巖芯采取率85%左右，RQD﹥60%左右，δef=36.0～53.0%，R=0.08～0.46 MPa，極軟巖。
3.2水文地質(zhì)
根據(jù)巖土工程勘察報告，工程范圍內(nèi)地下水主要為潛水(二)，含水層巖性為卵石⑤層，水位埋深為12.95～14.35m，隔水層為粉質(zhì)粘土⑥層、礫巖?層、泥巖?1層。該層主要接受大氣降水及側(cè)向徑流補給，以側(cè)向徑流、向下越流補給的方式排泄。受大氣降水的影響，該層水在雨季水位會有所上升，水量會增大。
4、區(qū)間隧道設計思路
(1)本區(qū)間隧道主要沿規(guī)劃三里河南延路敷設，道路兩側(cè)建筑密集，主要有鐵道部通訊中心、公安大學、中土大廈等高層建筑。道路下方管線眾多，主要有電力隧道、污水方涵、高壓燃氣等。區(qū)間隧道需要下穿永定河引水渠、蓮花池東路、鐵路直徑線U型槽、京九鐵路等。因此綜合地質(zhì)條件及周邊環(huán)境情況，本段區(qū)間隧道北段左、右線均采用盾構(gòu)法施工。
(2)根據(jù)地勘報告，本區(qū)間京九鐵路以南段屬于基巖隆起區(qū)，主要以第三紀礫巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖中存在不小于300mm左右的礫石。根據(jù)北京地鐵10號線二期新興橋附近的施工資料，礫石最大粒徑可達1000mm。這對盾構(gòu)施工極為不利。因此本段區(qū)間隧道采用暗挖法施工。在京九鐵路南側(cè)約35m處設盾構(gòu)始發(fā)井向北掘進，可以利用始發(fā)井與京九鐵路之間的段落作為盾構(gòu)試驗段，調(diào)整好盾構(gòu)掘進參數(shù)，為盾構(gòu)下穿京九鐵路、直徑線U型槽創(chuàng)造有利條件。
(3)為盡量減少盾構(gòu)隧道施工對地下管線及直徑線U型槽結(jié)構(gòu)、京九鐵路的影響，本段區(qū)間宜盡量深埋。從地質(zhì)條件來看，區(qū)間隧道深埋后穿越的地層主要為強風化的泥巖和礫巖，均屬于極軟巖，不會對盾構(gòu)隧道施工增加難度。由于蓮花池東路、直徑線U型槽、京九線相對較近，本段隧道深埋后也不會對未來線網(wǎng)規(guī)劃及地下空間開發(fā)帶來不利影響。因此經(jīng)綜合考慮，將區(qū)間隧道置于基巖中，盾構(gòu)主要穿越地層為泥巖?1層，局部為礫巖?層。隧道頂距離直徑線U型槽結(jié)構(gòu)底約17.063m，在U型槽段隧道頂部以上泥巖厚度約7m。
5、數(shù)值模擬計算
區(qū)間隧道深埋后，下穿京九鐵路段盾構(gòu)隧道覆土厚度約24.5m，圍巖分級為Ⅵ級，按照鐵路隧道設計規(guī)范，深、淺埋隧道分界深度為：
hq=0.45×2(6-1)×[1+0.1(6-5)]=15.84m
因此本段隧道屬于深埋隧道，盾構(gòu)隧道施工對京九鐵路的影響較小。因此選取盾構(gòu)隧道下穿U型槽段進行模擬計算。
5.1力學模型
利用MIDAS-GTS巖土計算軟件，采用地層-結(jié)構(gòu)模式×對盾構(gòu)隧道下直徑線U型槽段的施工過程進行模擬計算。計算模型長78m、寬81.2m、高45m，劃分為約300000個單元。計算模型如圖5所示。
5.2模型材料參數(shù)
根據(jù)勘察報告各土層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
5.3結(jié)構(gòu)計算
盾構(gòu)隧道下穿直徑線U型槽結(jié)構(gòu)按“開挖—加載—襯砌——開挖”工序進行數(shù)值模擬。
開挖——開挖土體表面為直徑6m的圓。長度為1.2m，即盾構(gòu)管片寬。
加載——開挖后按200kN/m2作用于土體表面，相當于開挖面?zhèn)认蛲翂毫Α?/p>
襯砌——施作外徑為6m、厚300mm、寬1.2m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
盾構(gòu)隧道施工引起的地表沉降如圖所示：
6、結(jié)論及建議
《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》中給出了地鐵工程周邊環(huán)境控制指標參考數(shù)值，下穿既有鐵路時，既有鐵路路基沉降10-30mm，路基位移平均速率1.0mm/d，路基最大速率1.5mm/d，軌道坡度允許控制值1/2500。這是基于一般情況下穿既有鐵路給出的。從以上數(shù)值模擬情況可見，盾構(gòu)隧道施工時對U型槽結(jié)構(gòu)影響很小，這與區(qū)間隧道采用了深埋方案、盾構(gòu)隧道進入泥巖約7m的情況密切相關。因此，根據(jù)本工程的特點，結(jié)合目前國內(nèi)盾構(gòu)隧道施工水平，盾構(gòu)區(qū)間穿越直徑線U型槽結(jié)構(gòu)工程施工時，U型槽結(jié)構(gòu)變形控制指標為：
U型槽結(jié)構(gòu)橫向最大沉降≤5mm、隆起≤3mm;U型槽結(jié)構(gòu)縱向不均勻沉降≤3mm/15m。
同時，為盡量減少盾構(gòu)施工對U型槽結(jié)構(gòu)的影響，鑒于當時U型槽圍護結(jié)構(gòu)已施工完成，二次結(jié)構(gòu)尚未施工，我們及時提出了U型槽結(jié)構(gòu)不設變形縫的建議，得到了直徑線U型槽設計方、建設方的認可并付諸實施。
參考文獻
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