地鐵盾構(gòu)下穿既有鐵路可行性分析及應(yīng)對措施

桑中順

在地鐵建設(shè)過程中，盾構(gòu)法以其獨有的優(yōu)點，在施工方法中所占的比例越來越大。但盾構(gòu)施工面臨著越來越復(fù)雜的周邊環(huán)境和施工條件，施工過程中穿越障礙物或近距離通過既有建(構(gòu))筑物的情況越來越多。下面針對某地鐵區(qū)間穿越既有鐵路股道的可行性進行分析，并給出具體的應(yīng)對措施，對區(qū)間的后續(xù)施工具有借鑒意義。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)區(qū)間長895 m，外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，垂直正穿既有鐵路，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。線路線間距16 m～15 m(下穿鐵路段線間距為16 m)，線路采用5.0‰單面坡，軌面標(biāo)高埋深約21 m，隧道結(jié)構(gòu)頂與鐵路站場地面垂直距離約16 m。

既有鐵路為Ⅰ級國鐵線路，雙線正線，有碴軌道，速度目標(biāo)值為160 km/h～200 km/h(線路開行動車，最高時速200 km)，鐵路站場為4臺10線，其中到發(fā)線7條(含正線兼到發(fā)線2條)，基本站臺寬12 m。

隧道穿越區(qū)域土層自上而下分別為:①1雜填土，③1黏土，③2粉質(zhì)黏土，③3粉土夾粉質(zhì)黏土，⑥1-1粉質(zhì)黏土，⑥1黏土，⑥2-1粉質(zhì)黏土夾粉土，⑥2粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)穿越段主要位于⑥1黏土，⑥2-1粉質(zhì)黏土夾粉土。

2 軌道交通區(qū)間盾構(gòu)施工對既有鐵路影響分析

對于盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降預(yù)測，派克(Peck，1969年)提出了地層損失的概念和估算方法。此后經(jīng)過大量工程實踐及修正完善，該方法成為最常用的估算盾構(gòu)正常施工引起地面沉降的方法。該方法認為在不考慮土體排水固結(jié)與蠕變的條件下，盾構(gòu)推進后地面橫向沉降基本為似正態(tài)曲線，具體地面沉降關(guān)系如下:

其中，Sx為地面到盾構(gòu)中心處埋深為Z的斷面上，距離隧道中心線x處的沉降量;Vl為地層損失量;i為沉降槽寬度系數(shù)，是土壤條件、隧道半徑、隧道中心埋深的函數(shù)。

對Peck公式求導(dǎo)可得沉降曲線的最大斜率(發(fā)生在 x=i處):

如設(shè)定地層的極限剪應(yīng)變Yp與η相等，則:

其中，[τ]為地層抗剪強度;G為地層剪切模量。

上式即為從隧道施工本身的安全穩(wěn)定性推求的地面沉降最大容許值。

盾構(gòu)隧道穿越火車站站場段結(jié)構(gòu)頂覆土厚度約16 m，區(qū)間結(jié)構(gòu)外徑3.1 m。盾構(gòu)施工過程中地層損失率取0.5%(按盾構(gòu)隧道正常施工)，由Peck公式計算得:單孔隧道掘進施工時引起的地面最大沉降為6.7 mm;雙孔隧道先后掘進地面最大沉降為9.3 mm，如圖1，圖 2所示。

3 既有鐵路工程對軌道交通區(qū)間盾構(gòu)施工的影響分析

盾構(gòu)隧道內(nèi)徑采用5 500 mm，管片厚度為350 mm，管片寬度1 200 mm，采用修正慣用計算法進行結(jié)構(gòu)計算。

結(jié)構(gòu)按勻質(zhì)圓環(huán)考慮。由于縱縫接頭、螺栓孔的存在，導(dǎo)致整體抗彎剛度降低，計算時取圓環(huán)抗彎剛度為η(EI)(η為抗彎剛性的有效率，η≤1，一般取0.6～0.8)，考慮錯縫拼裝管片接頭部彎矩的傳遞，結(jié)構(gòu)整體補強效果，進行錯縫拼裝彎矩重分配。計算采用的參數(shù)為:剛度有效率 η=0.8;彎矩增大系數(shù) ξ=0.3。

將列車荷載、路面土體荷載施加于原狀土上，350 mm厚，1.2 m寬管片最大彎矩為293.2 kN?m，最大軸力為947.7 kN，最大剪力為153 kN，最大變形為10.57 mm，可看出，既有鐵路對后期盾構(gòu)施工的安全性及盾構(gòu)施工質(zhì)量影響較小。計算結(jié)果見圖3，圖4。

4 研究結(jié)論

1)結(jié)合盾構(gòu)施工經(jīng)驗，在穿越既有鐵路時，列車限速:地面列車減速行駛;2)根據(jù)前期盾構(gòu)掘進參數(shù)控制與地層位移關(guān)系，確定合理的土壓力值、排土率及掘進速度等;3)穿越前應(yīng)對盾構(gòu)機械進行檢修，避免中間停機、漏漿或注漿系統(tǒng)堵管等情況發(fā)生，保證盾構(gòu)能夠連續(xù)勻速推進;4)嚴(yán)格控制掘進速度和同步注漿量，避免因盾尾空隙未能及時充填而產(chǎn)生下沉;5)及時進行二次注漿，控制后期沉降;6)在軌道交通施工前對穿越段鐵路采取扣軌措施，施工過程中采用調(diào)整軌道扣件的辦法及時調(diào)整軌道高程，以滿足鐵路線路的標(biāo)準(zhǔn);7)加強沉降監(jiān)測，應(yīng)對軌道進行穿越施工全過程監(jiān)測，其中對軌道沉降、軌道橫向差異沉降、軌距變化和道床縱向沉降等內(nèi)容應(yīng)進行24 h的遠程實時監(jiān)測;根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，及時優(yōu)化調(diào)整掘進施工參數(shù)，做到信息化動態(tài)施工管理。采用高精度的連通管自動監(jiān)測的方法，對軌道作加密監(jiān)測，盾構(gòu)通過期間，定期提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，并及時反饋。

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