新建盾構區間上跨既有鐵路直徑線防護

宮媛媛

摘要：盾構隧道隨著技術及標準的提高，盾構法施工已成為穿越復雜地段較為普遍的施工方法。隨著線網的增加，穿越的凈距逐漸縮短，難度及要求也隨之提高。文章對某擬建地鐵盾構區間上跨既有鐵路直徑線的設計進行剖析，分析了施工過程中可能出現的情況及難點并給予相應的改進措施及建議思路，旨在為相似工程提供經驗。

關鍵詞：盾構區間；上跨既有鐵路；直徑線保護；盾構隧道；地鐵工程 文獻標識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2017）08-0129-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.062

1 概述

隨著城市軌道交通建設的日益推進，軌道交通敷設范圍逐漸由城市核心區域向外輻射，由此導致軌道交通建設與高速鐵路、城際鐵路、普通客運、貨運、客貨混運鐵路線及其附屬設施的交叉（下穿、上跨）、鄰近（區間近距離并行、基坑鄰近鐵路開挖）不可避免。由于不同等級、不同道床型式鐵路的防護要求和標準不盡一致，不同空間位置關系，不同工程地質、水文地、不同施工工法情況下，地鐵施工導致的對既有鐵路的影響形式和影響程度也不盡相同。

地鐵區間在上跨鐵路時會有以下重難點：

2 施工難點

2.1 位置條件困難

某新建雙線盾構隧道A在繁華地段先上跨鐵路直徑線，并下穿既有地鐵車站。盾構區間A最低點外輪廓與既有國鐵直徑線外輪廓最小處凈距4.98m（小于1倍洞徑）；與既有地鐵車站底板底間距3.6m左右。地鐵區間沿馬路下布設，根據勘察資料顯示和現場資料調查，道路兩側多為商鋪，道路下市政管線較多，道路車流量大。

2.2 掘進過程中對盾構機刀盤有一定的考驗

盾構隧道A上跨鐵路直徑線段落主要穿越粉細砂層和卵石層。粉細砂層呈稍濕的中密～密實狀態，主要礦物成分為云母、石英、長石，卵石層該層土呈密實狀態，一般粒徑為5～20mm，最大粒徑不小于130mm，粒徑大于20mm的含量大于50%，中粗砂充填。

盾構區間在密實富水砂卵石地層推進是目前盾構施工的共性難題，對刀盤、刀具的磨損嚴重，對盾構機自身性能要求極高，同時密實砂卵石地層大推力掘進對管片也是嚴峻的考驗。

2.3 掘進過程中地基產生變形

2.3.1 盾構掘進過程中開挖面水土壓力與艙內壓力不平衡，致使掌子面失去平衡狀態，掘進量與排土量不等。

2.3.2 盾構機刀盤直徑大于管片直徑，掘進過程中盾構管片與開挖面之間存在一定空隙，壁后注漿材料的性質、注入時間、位置、壓力、數量等偏差均會使地基產生變形；盾構對開挖面土層施加的支護壓力過大或過小，都會引起開挖面失去平衡，從而發生地基變形。

2.3.3 盾構掘進過程中對周圍圍巖產生擾動改變了土體的原始應力狀態，使鐵路直徑線原結構受力改變，結構承載力下降，管片變形過大，從而侵界并發生地基變位。

2.3.4 接頭螺栓緊固不足，管片環容易變形，盾尾間隙增大，盾尾脫出后內外壓不均等使襯砌變形，從而增大地基沉降。

2.3.5 開挖面的涌水或管片產生漏水時，地下水位下降而使地基下沉。

2.3.6 掘進過程中，水位下降。由于砂性土，水位下降后，土體擠壓，產生地基下沉。

2.3.7 盾構隧道位于曲線段，掘進過程中需頻繁進行糾偏和線性擬合，管片結構在糾偏過程中受力復雜，影響地層的變形控制。

根據相似地層盾構掘進經驗，盾構在施工過程中和施工后對地表的隆起、沉降變形反應較為迅速。

2.4 鐵路路基變形、軌道變形、設備、管線影響

2.4.1 鐵路直徑線為電化鐵路，采用彈性支撐塊道床形式，運行時速為100km/h。鐵路為單洞雙線，路基和道床剛度小抗變形能力差，對地層擾動的影響反應靈敏，直接導致軌道形態發生變化，由于道床是連續的整體，一旦基底發生沉陷，修補極為困難。同時，大多數高速無碴軌道鐵路的鋼軌直接安裝在整體道床結構上，基本不具備軌道防護的條件，軌道扣件的可調節高度十分有限，并且在正常鐵路運營維修階段扣件調整量部分已被使用，加之高度鐵路對軌道變形控制要求嚴格，產生大變形后難以通過調節扣件高度恢復軌道原狀。鐵路直徑線隧道頂部設有接觸網，位于盾構掘進的強烈影響區內，都將影響鐵路的正常運行。

2.4.2 地鐵區間上部道路交通量大、管線繁多。掘進過程中地面和地鐵車站出現大的沉降變形、倒塌，市政管線開裂、滲漏水等險情，將直接影響鐵路范圍內地形的整體變形，必須充分考慮對地鐵車站和市政管線的保護方案。

2.5 穿越工程的社會影響巨大、變形控制標準高

上跨的鐵路直徑線是連接樞紐間的重要橋梁，客流量大。鐵路的經濟效益、社會效益決定了盾構區間上跨施工時變形控制的極高標準，對區間本體設計和鐵路防護設計都提出了巨大的挑戰。

2.6 洞外加固及施工監測難度大

既有鐵路直徑線非常繁忙，不具備為下穿施工而降速運行或減少車次的條件，在鐵路正常運行狀態下，實施洞外加固、軌道防護以及施工監測均存在一定的限制和風險。

3 既有鐵路直徑線防護措施

3.1 防止地基變形的對策

3.1.1 開挖過程中水土壓力不均衡對策：土壓平衡盾構可通過調整推進速度和螺旋式排土器的旋速，使壓力艙壓力與開挖面的水土壓力相對應；根據需要適當加注發泡劑、膨潤土漿等潤滑劑，增加開挖土的流動性，使壓力艙內不產生空隙，減少刀盤扭矩。泥水式盾構可根據圍巖的透水性來調整泥水狀態，并進行泥水管理，使泥水艙壓力與開挖面的泥水壓力相對應，以保證周圍地層的穩定。

3.1.2 掘進過程中減小圍巖擾動的對策：合理選用盾構機和潤滑劑，減小掘進過程中盾構與地層土體之間的摩擦，減小盾構偏轉及橫向偏移，以防止“蛇形”發生。

3.1.3 防止盾尾間隙沉降和壁后注漿壓力過大使地基隆起的對策：根據地層狀況來選擇滲透性好、固結強度大的壁后注漿材料，并在盾構掘進的同時進行壁后注漿。

3.1.4 防止管片變形的對策：使用形狀保持裝置來確保管片的拼裝精度，同時充分緊固接頭螺栓。

3.1.5 防止地下水位下降的對策：為了防止從管片接頭、壁后注漿等處滲水，施工前應檢查預制管片的完整性，避免管片的缺損；管片拼裝到位，控制盾構掘進壓力，避免過度擠壓已拼裝完成的管片，使防水條變形。

3.2 地基變形預測與測定

為了減小地基變形，掘進前應根據相鄰已建工程的經驗、本工程已建相鄰區間和有限元計算等方法進行預測，以預測結果為依據，來設定管理基準值。

3.3 盾構施工需采取的措施

3.3.1 加強風險評估：施工前鐵路直徑線自身保護措施由鐵路防護設計單位根據評估結論開展專項防護設計；穿越前，采用地質雷達對穿越地段地下做詳盡地下勘探，徹底摸清地下障礙物情況，排除意外因素。

3.3.2 加強盾構施工工藝：科學合理地進行盾構機選型、刀盤配置、渣土改良、掘進參數控制、工礦管理、信息化施工，減小盾構推進過程中對周邊地層擾動，進而控制地層變形。掘進前，認真對刀盤、注漿系統、密封系統、推進千斤頂及監控系統等設備檢查，調整并使盾構機性能達到最佳狀態，嚴格控制掘進參數，確保勻速、均衡、連續通過上跨鐵路直徑線，在穿越區范圍內不停機。

3.3.3 姿態控制：在盾構機上跨前，使盾構機的姿態調整至最佳，嚴格控制盾構的軸線和糾偏量。在鐵路下糾偏坡度控制在±1‰之內，平面偏差15mm內。一次糾偏量不超過5mm。

3.3.4 加強注漿措施：通過漿液配比和注漿試驗，選擇合理的同步注漿、二次注漿材料及注漿參數，及時進行同步注漿和二次注漿，填充管片與土體間的空隙；對同步注漿未能有效填充區域進行補充回填；根據地層情況以及變形的發展情況，必要時在同步注漿及二次補漿基礎上，離盾尾5～10環，從洞內對盾構外緣外采用徑向注漿加固盾構隧道與既有結構間的土體，縱向加固范圍為盾構開挖面距既有結構前后各1.0D范圍內。以達到進一步增強地層的抗變形能力，有效限制地層變形的進一步發展。

3.3.5 制定針對性應急預案：盾構上跨鐵路直徑線時，預先根據地質情況，對可能出現的工程事故預先制定處理措施，配置必要的機械設備，一旦發生工作面土體坍塌等工程事故，立即實施預備方案。切實做好設備保障工作，配置足夠的維修保障配件和人員，及時處理可能發生的盾構設備故障。

3.3.6 鐵路軌道防護分析：在穿越過工程實施過程中主要通過加強本體工程的保護措施以及隔離樁等方面進行綜合防護設計。

3.3.7 鐵路設備、管線的保護分析：在工程實施范圍內的用于鐵路生產、生活及運營的電力、通信、信號、接觸網、排水溝等（不包含市政管線綜合）原則上優先考慮采取措施就地保護，當鐵路設備、管線與實施工程存在臨時或永久的空間沖突時，考慮過渡性或永久改移路由、作法等。就地保護以滿足鐵路正常使用為基本前提，保護措施經濟合理，具備可操作性；對于必須遷改的設備、管線，按照同標準、同容量的原則進行處理。

3.3.8 專項監測：開展針對鐵路范圍內地面、結構、道床、軌道、接觸網等系統的專項監測，掌握盾構到達前、施工過程中、工后各個階段的地層變化和影響規律。結合影響因素和變形特點來綜合考慮盾構周邊地表沉降監測點的布設，一方面應沿盾構軸線方向布置沉降監測點；另一方面在隧道中心軸線兩側的沉降槽范圍內設置橫向監測點，以測得完整的沉降值。加密監測布點，加大監測頻率，并根據監測結果及時調整盾構掘進參數，并及時反饋鐵路局、施工、設計、建設、監理等各方，提高下穿風險過程中的應變能力和速度，如有需要則能及時調整軌頂高度及軌距尺寸。條件允許前提下，原則上開展實時在線監測。

3.3.9 在區間一般地段設置試驗段，試驗段長度為15m，根據試驗段施工情況施做下穿鐵路路基段。

4 優化

試驗段距離設置15m過短，不能有效收集注漿配比、盾構法穿越砂卵石地層施工控制地表沉降最有效的措施、合理的盾構頂推壓力、掘進速度等參數，建議加長試驗段距離。將下穿鐵路直徑線的范圍劃分為試驗段、穿越段、保護段3個區段，對每個區段進行有針對性的施工組織、資源配置、技術措施，確保盾構安全通過風險范圍。

5 結語

通過綜上論述，筆者認為隨著地鐵設計標準的不斷提高，盾構區間下穿或上跨鐵路已成為標準化，但不同情況仍需針對性地給予專項措施。需認真分析到達前、掘進過程中、通過后的沉降原因，優化材料及措施。

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（責任編輯：小 燕）