摘 要：隧道下穿既有建(构)筑物施工是城市地铁建设发展必然面临的重要问题。针对哈尔滨轨道交通3号线二期工程盾构隧道下穿框架铁路桥工程背景，建立了预测隧道、铁路框架桥结构变形及地表沉降响应规律的有限元数值分析方法。数值计算与现场监测结果对比分析表明：铁路框架桥较大的整体刚度对抑制下穿区域整体沉降产生了积极作用，而两侧路基段过大的地表沉降是寒区地基土体冻融造成。基于此，引入克泥效工法，改进了传统盾尾同步及二次注浆工艺，有效控制了盾构隧道下穿施工对周围环境的变形影响。
关键词：地铁隧道;铁路框架桥;下穿施工;沉降;注浆工艺;
随着城市地铁建设的发展，地层环境愈加复杂，隧道穿越既有建(构)筑物、铁路及公路的工程越来越多。隧道开挖卸荷引起地层损失，易诱发地表沉陷、建筑墙体开裂、管线损伤、桩基沉降等工程灾害，造成严重的经济损失。
大量的学者已经开展了隧道下穿施工对周围环境影响的研究。张娜等[1]对比了有限差分软件FLAC3D计算和现场监测地铁隧道穿越既有车站地表沉降曲线，发现两者差别较大，但隧道横向及纵向的地表沉降规律均近似呈“两边小，中间大”的趋势，乔丹等[2]利用FLAC3D软件建立了隧道下穿城市道路的三维数值计算模型，分析了隧道埋深、施工方法对路面沉降变形特征的影响；杨潇等[3]则进一步计算表明盾构施工主要引起了三面围合区域内部的土体位移，在隧道轴线上方地下道路的顶板和底板会产生较大的附加变形；刘鑫榕[4]则结合数值计算与现场实测探讨了袖阀管注浆加固对下穿施工造成路基变形的控制效果；何源等[5]通过对盾构隧道下穿施工中建筑物变形响应规律进行原位监测，反演了盾构掘进参数对保护周边建筑物的可行性；孙曦源等[6]也实测了地铁隧道下穿施工对砌体结构建筑物基础沉降变形的影响规律；谢焦焦[7]则利用MIDAS/GTS软件分析了大管棚和全断面注浆联合支护对隧道下穿建筑物时地表变形的抑制作用；肖望[8]利用FLAC3D软件分析了隧道开挖对桩基处的地表沉降及桩基水平位移和竖向沉降的影响，研究表明，隧道刚经过桩基侧面时引起的地表沉降及地表下方4 m 处的桩水平位移影响最大；马静[9]利用MIDAS/GTS软件分析了盾构隧道以不同角度下穿施工时，雨污管线的变形特征，研究表明，雨污管线竖向沉降量远大于水平位移量，管节间的不均匀沉降是管线发生破坏的主要原因；郭柏里等[10]采用相同的方法，数值计算了钢套管在下穿施工时，对隧道污水管的加固效果。高夕良等[11]利用FLAC3D软件分析了隧道下穿施工对既有车站结构的变形影响，距新建隧道越近的既有结构变形越大，而距掌子面越近的结构变形速率越快。另外，常采用二段法研究盾构隧道下穿管线或隧道引起的地表变形[12],但该方法需要考虑复杂的结构与土相互作用[13],对于复杂的地层条件计算非常复杂。由以上分析可见，现有研究采用数值分析及原位监测的方法就盾构下穿施工对各类建(构)筑物的影响机理进行了深入探讨，但仍然缺乏寒区隧道下穿施工工程案例的分析，由于新建地铁工程的差异性，需要对具体隧道下穿施工具体分析。
本文以哈尔滨市轨道交通3号线二期工程下穿铁路框架桥为背景，采用有限差分软件FLAC3D数值模拟与现场原位监测相结合的方法，着重分析寒区地铁隧道下穿施工对铁路框架桥及路基段的影响机理，然后在此基础上改进控制地表变形的盾尾注浆施工工艺。
哈尔滨市轨道交通3号线二期工程红黎街～安通街区间双线隧道采用盾构法施工。隧道断面外径6.0 m,内径5.4 m,由6块钢筋混凝土预制管片拼装成环。左、右线隧道全长分别为1.7 km与1.8 km。
地铁隧道下穿段铁路线的路段结构为箱型混凝土框架桥结构。下穿段桥长29 m,宽20.4 m。桥梁框架底板厚1.1 m,顶板厚1 m,边墙及中墙厚1.2 m,净高5.9 m。下穿隧道线路与铁路桥夹角约90°,隧道顶距框架桥底板为15.68 m。下穿隧道与铁路框架桥位置见图1。
图1 地铁隧道与铁路框架桥位置关系剖面
单位：mm
根据勘察结果，盾构隧道下穿铁路框架桥段的地层岩性主要为可塑～硬塑状粉质黏土，呈黄褐色～褐黄色，为中压缩性土，其主要地层参数见表1。
表1 施工区内主要地层参数
编号 | 岩土名称 | 质量密度ρ/(g/cm3) | 天然含水量w/% | 液限wL/% | 内摩擦角/(°) | 黏聚力/kPa |
| 粉质黏土 | 1.93 | 22.9 | 30.0 | 12.9 | 29.2 |
|
| 23.4 | 30.1 | 12.7 | 30.3 |
利用MIDAS/GTS 有限元分析软件，建立盾构隧道下穿铁路框架桥三维计算模型。三维有限元计算模型见图2。其中，地层和铁路框架桥均采用实体单元模拟，盾壳及衬砌管片以面单元模拟。地基土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，模型参数依据地质情况选取。铁路框架桥及隧道结构采用弹性本构模型，弹性模量分别为30 GPa和34.5 GPa, 泊松比为0.2。模型尺寸沿x、y方向分别为180 m与29 m, z方向按实际地层厚度设置。模型底部约束x、y、z方向位移，四周约束法向位移，上表面为自由面。
数值计算时，隧道盾构分段下穿框架铁路桥，左线与右线盾构开挖面相互错开，变形计算结果见图3与图4。由图3可见，隧道顶部累积最大沉降约为8.12 mm, 而隧道底部由于开挖卸荷产生回弹变形约5.86 mm。同时，受下穿隧道开挖的影响，框架桥整体的竖向沉降只有约2.30 mm。由图4可见，地表沉降最大值约为3.91 mm, 铁路轨道沉降最大值约为3.56 mm, 铁路框架桥顶部沉降最大值约为3.63 mm, 铁路框架桥纵向沉降差约为0.42 mm, 而横向沉降差约为0.26 mm, 这是因为框构桥整体刚度较大，在其“桥梁”效应的影响下，铁路框架桥和轨道结构变形较小。
图2 三维有限元计算模型
根据《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146号),框架桥结构的变形控制标准如下：结构底板均匀沉降控制值为10 mm; 结构纵向端部发生不均匀沉降时，差异沉降控制值不大于5 mm; 结构纵向跨
图3 竖向位移云图
图4 地表、铁路轨道及框架桥位移云图
中发生不均匀沉降时，差异沉降控制值不大于5 mm; 结构横向发生不均匀沉降时，差异沉降控制值不大于5 mm。显然，根据三维数值模拟结果，盾构隧道下穿铁路框架桥，不会影响铁路桥结构强度及道路交通的正常使用。
盾构推进的扰动区一般为隧道管底沿45°向上延至地表的范围，为确保铁路线路安全及盾构顺利施工，现场监测范围在扰动区的基础上外延1倍埋深，为110 m,见图5(a)。同时，考虑有砟轨道的特点及监测环境的影响，在香孙线、拉滨下行线、拉滨上行线及孙新线轨枕上分别设置沉降监测点，间隔为10 m,每条股道布置14个监测点，监测范围内共56个监测点，见图5(b)。
(1)图6为以监测点1(X-1、L-1、B-1及S-1)为0点绘制的4条铁路线地表沉降变化曲线。由图6可见，盾构隧道下穿铁路桥施工时，在监测范围内，香孙线、拉滨下行线、拉滨上行线及孙新线地表沉降均呈现出中间小而两端较大的变化规律，两侧路基段累积最大沉降约17 mm,这明显已经超过了规范规定的安全限值(10 mm)。并且，沉降突变点基本在隧道底沿45°向上延至地表的交线上。
(2)由图7可见，在整个下穿施工期间，左右线隧道地表沉降均较小，约2.0～4.0 mm,这说明由于盾构隧道下穿施工导致的地层应力状态改变，以及在地层单元中产生的应力增量，引起的地层移动对地表及铁路线结构的影响较小，这与三维有限元数值分析结论一致。
图5 盾构隧道下穿影响范围及现场监测点布置
(3)综合以上分析，地表累积沉降预警点出现在铁路桥两端路基段，显然，这不是盾构隧道下穿铁路桥施工造成的。考虑施工期(4月06日～4月12日)哈尔滨地区天气转暖，因此，距离铁路桥较远(>20 m)路基段过大的沉降主要是地基土体冻融导致的。
为了保证盾构隧道下穿铁路框架桥的安全和控制冷区地基冻融产生的过大变形，在控制盾构机掘进速度(2～3 cm/min)、姿态(坡度控制在±1%之内，平面偏差不大于15 mm)、推力(1 200～1 600 t)、土压力(0.18～0.21 MPa)以及出土量等(38.9～40.7 m3/环)的基础上，通过将传统的高浓度水泥材料与塑强调整剂(即水玻璃)按比例混合成高黏度塑性胶化体，再通过径向孔注入，形成一种新型克泥效工法，从而改良盾尾同步及二次注浆工艺。
图6 铁路线纵向沉降变化曲线
根据克泥效、水、水玻璃3种不同掺入量制备3组混合试样(见图8(a)),记录不同配合比混合液搅拌时间，然后采用同重量岩石进行不同配比混合液试样压缩试验，对比分析沉陷量(见图8(b)),结合岩石沉降量、抗水试验及经济效益确定最优配合比，结果为克泥效(kg)∶水(L)∶水玻璃(L)=400∶846∶50。克泥效填充效果对比见图9。
图7 隧道下穿区地表沉降曲线
图8 克泥效工法试验
图9 克泥效填充效果对比
盾构下穿铁路桥期间，同步注浆采用注浆量与注浆压力双控的指标，考虑克泥效注入对浆液损失量的影响，根据试验段掘进参数及地表、框架桥测量监测数据及雷达壁后注浆扫描分析，同步注浆实际注浆量每环按照6 m3控制，注浆压力控制在0.2～0.3 MPa。二次注浆在盾构机拖出盾尾5环后进行，二次注浆从隧道的顶部开始，注完顶部再注两侧，也可多点同时进行，注浆完毕后封闭注浆孔，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，通过注浆压力和注浆量双控确保注浆密实度。注浆管路布置见图10。
图10 注浆管路布置
本文采用数值分析及现场监测的方法，研究了盾构隧道下穿铁路框架桥结构及地表变形特征，提出了一种新型的抑制地表沉降的注浆施工工艺，得到的主要结论如下。
(1) 盾构隧道下穿开挖施工引起地层损失，导致隧道顶部出现沉降，而底部产生卸荷回弹，但三维有限元数值模拟和现场原位监测均表明，铁路框架桥结构及下穿区隧道地表沉降变形均非常小，这是由于铁路框架桥整体刚度较大，抑制了整体沉降的发展。
(2)隧道底沿45°向上延至地表范围内陆表沉降很小，但从框架铁路桥到两侧路基段，地表沉降有明显的突变，路基段沉降值已经超过警戒值，但这不是盾构隧道开挖卸载及扰动传递到地表路面上引起，而是由于寒区施工期气温上升，地基场土体冻融产生。
(3)在盾构施工参数控制的基础上，传统水泥材料中混入水玻璃，得到高黏度塑性胶化体，基于压缩沉陷试验形成了优选配合比的克泥效制备技术，从而改进了传统的同步及二次注浆工艺，有力地保证了盾构隧道下穿铁路框架桥的安全及抑制路基段过大的变形，取得了良好的经济效益。
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