地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路變形控制研究

楊 罡

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程推進(jìn)，地鐵工程的建設(shè)在如火如荼地進(jìn)行。地鐵穿越既有建筑、構(gòu)筑物、橋梁、既有地鐵線的安全施工技術(shù)研究一直是軌道交通建設(shè)中的重要課題[1,2]，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)這些課題展開研究并取得一系列成果[3,4]。而盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿鐵路具有施工難度大、沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多、工程事故造成損失大等特點(diǎn)，是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程。本文以某地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路為工程背景，對(duì)施工變形控制措施以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施展開研究，期望能為類似工程提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

某地鐵區(qū)間右線全長661.221 m，左線全長661.540 m。左右線均采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)在車站端頭始發(fā)后，以R=2 000 m的右轉(zhuǎn)彎(左線進(jìn)洞后約61 m，右線進(jìn)洞后約43 m)斜下穿既有鐵路，與鐵路交角約為137°，鐵路與區(qū)間隧道最小垂直距離為11.98 m。某鐵路下方土層主要為雜填土、黃土狀土、粉質(zhì)黏土及中砂，水位埋深約17 m，盾構(gòu)在此區(qū)域埋深約12 m，主要穿越黃土狀土層、粉質(zhì)黏土層和中砂層。

2 盾構(gòu)下穿鐵路主要施工技術(shù)措施

2.1 施工準(zhǔn)備

2.1.1盾構(gòu)準(zhǔn)備

在穿越鐵路影響范圍前，對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)。盾構(gòu)刀盤在始發(fā)前均為全新安裝，確保從始發(fā)到穿越鐵路期間不進(jìn)行刀盤更換。檢查關(guān)鍵配件儲(chǔ)備情況，對(duì)易損件等提前儲(chǔ)備，避免下穿期間停機(jī)。

2.1.2技術(shù)準(zhǔn)備

正確合理的總體方案籌劃是保證鐵路及工程安全的基礎(chǔ)。盾構(gòu)施工是一種工廠化的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化工法，受地質(zhì)條件、設(shè)備配置及現(xiàn)有盾構(gòu)施工工藝的限制，要完全滿足超越現(xiàn)有盾構(gòu)本身能夠完成的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行相應(yīng)的其他補(bǔ)充方案。

制定專項(xiàng)施工方案、應(yīng)急預(yù)案并組織專家論證，包括在施工過程主要掘進(jìn)參數(shù)的制定、注漿材料及注漿工藝、盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)專項(xiàng)方案、洞門加固及檢查方案、始發(fā)場地布置、設(shè)備物資材料計(jì)劃、設(shè)備維修保養(yǎng)方案等，審批后進(jìn)行交底。

2.1.3對(duì)鐵路進(jìn)行扣軌加固

嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案對(duì)鐵路進(jìn)行扣軌加固。

2.1.4人員準(zhǔn)備

盾構(gòu)下穿既有鐵路是施工重難點(diǎn)工程，屬于Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，為保證盾構(gòu)順利通過鐵路，必須組織有經(jīng)驗(yàn)的施工管理人員進(jìn)行技術(shù)、管理以及現(xiàn)場施工。盾構(gòu)施工隊(duì)伍進(jìn)場后進(jìn)行專門的教育學(xué)習(xí)，針對(duì)現(xiàn)場的實(shí)際情況以及可能發(fā)生危險(xiǎn)進(jìn)行詳細(xì)的說明，并依據(jù)施工方案進(jìn)行專項(xiàng)交底。

2.2 變形控制措施

為了確保在盾構(gòu)機(jī)順利下穿既有鐵路，綜合研究該區(qū)間工況、軌道埋深、工程地質(zhì)條件以及與鐵路空間關(guān)系，制定本盾構(gòu)下穿鐵路專項(xiàng)施工方案，保證盾構(gòu)隧道安全、順暢地掘進(jìn)。并采取如下措施：

1)試驗(yàn)段掘進(jìn)。

在盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)行掘進(jìn)管理和現(xiàn)場試驗(yàn)，通過試驗(yàn)段的掘進(jìn)及時(shí)總結(jié)、摸索、掌握盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)沉降量的影響，以便為盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)提供技術(shù)支撐。

2)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度。

盾構(gòu)隧道穿越鐵路地段隧道穿越洞身范圍為黃土狀土層、粉質(zhì)粘土層、中砂層，為保證下穿鐵路施工的安全，穿越期間的推進(jìn)速度控制在20 mm/min～30 mm/min，預(yù)計(jì)日均進(jìn)尺12 m～15 m，保持連續(xù)均衡的掘進(jìn)。

3)嚴(yán)格進(jìn)行土壓管理。

a.控制土倉壓力，保持土壓平衡，減小對(duì)土體擾動(dòng)。

b.注漿壓力與水土壓力平衡。

4)嚴(yán)格進(jìn)行方向控制。

調(diào)整好盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，避免蛇行，根據(jù)曲線半徑的大小曲線段左轉(zhuǎn)彎環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)環(huán)的搭配比例為1∶2，施工時(shí)著重加強(qiáng)對(duì)推進(jìn)軸線的控制。

5)嚴(yán)格控制盾尾同步注漿。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，要及時(shí)進(jìn)行管片背后注漿，漿液配比由施工單位根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況調(diào)整。下穿段要求初凝時(shí)間3 h，1 d強(qiáng)度達(dá)到0.6 MPa～0.8 MPa，漿液配比經(jīng)試驗(yàn)室試驗(yàn)確定。穿越鐵路段為嚴(yán)格控制沉降，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.5倍～1.8倍，并確保盾尾密封良好。

6)洞內(nèi)環(huán)箍注漿。

盾構(gòu)施工采取洞內(nèi)加固措施。在隧道內(nèi)鉆孔并埋設(shè)注漿管，洞內(nèi)進(jìn)行高壓注漿，使隧道基礎(chǔ)土顆粒間孔隙被填充，土體得到加固。使掘進(jìn)后期沉降得到有效控制。

在軌道沉降值預(yù)警的情況下，確保沉降量在規(guī)范要求內(nèi)，在盾構(gòu)洞內(nèi)管片新增注漿孔并進(jìn)行同步環(huán)箍注漿，見圖1。

漿液選用HSC水泥水玻璃雙液漿，結(jié)合不同地層調(diào)整，保證擴(kuò)散半徑不小于0.5 m。

盾構(gòu)推進(jìn)過后相鄰2環(huán)作為一環(huán)箍，每6環(huán)進(jìn)行一次環(huán)箍注漿，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的形式，施作空間在距刀盤13環(huán)處進(jìn)行環(huán)箍注漿。

3 監(jiān)控量測措施

3.1 監(jiān)測目的

盾構(gòu)下穿既有鐵路的過程中加強(qiáng)監(jiān)測，并及時(shí)向施工、設(shè)計(jì)、建設(shè)方反饋監(jiān)測信息，使各方快速調(diào)整、優(yōu)化施工方法，確保工程和鐵路行車安全。

3.2 監(jiān)測項(xiàng)目

1)監(jiān)測對(duì)象。

主要監(jiān)測對(duì)象有：下穿段盾構(gòu)區(qū)間以及下穿范圍內(nèi)的地表、軌道及洞內(nèi)監(jiān)測。

2)監(jiān)測項(xiàng)目。

本項(xiàng)目主要監(jiān)測項(xiàng)目：軌道沉降及水平位移、地表沉降、隧道隆沉及水平位移、管片圍巖接觸壓力和混凝土應(yīng)力。

3)盾構(gòu)穿越鐵路的施工監(jiān)測措施。

a.盾構(gòu)下穿鐵路前，與鐵路局溝通并簽訂安全協(xié)議，制定安全應(yīng)急預(yù)案，施工時(shí)每天進(jìn)行地面監(jiān)測并及時(shí)報(bào)送鐵路相關(guān)部門。

b.盾構(gòu)掘進(jìn)前，在軌道范圍內(nèi)布設(shè)各種監(jiān)測點(diǎn)，并獲取初始數(shù)據(jù)。

c.對(duì)軌道所處的地質(zhì)情況和軌道施工資料進(jìn)行收集和研究，為軌道的保護(hù)提供正確的依據(jù)。

d.在鐵路兩側(cè)埋設(shè)沉降觀測點(diǎn)，在盾構(gòu)通過該段時(shí)，加密監(jiān)測頻率。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)施工參數(shù)。

e.在穿越該軌道的過程中，項(xiàng)目部將安排骨干技術(shù)人員現(xiàn)場值班，尤其是加強(qiáng)盾構(gòu)操作手和地面監(jiān)測的技術(shù)力量。

f.地面與鐵路軌道沉降監(jiān)測;盾構(gòu)施工過程由于對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，地表會(huì)出現(xiàn)沉降。為了對(duì)盾構(gòu)施工過程中的地表及軌道的變形沉降，在地表沿隧道掘進(jìn)方向每4 m設(shè)一個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面上布設(shè)8個(gè)觀測點(diǎn)，對(duì)于軌面的監(jiān)測，在每根軌道上沿軌道每3 m設(shè)一個(gè)觀測點(diǎn)，每條軌道上以隧道中線為中點(diǎn)共設(shè)9個(gè)觀測點(diǎn)。測點(diǎn)用紅油漆標(biāo)記，統(tǒng)一編號(hào)。

3.3 監(jiān)測頻率

1)地面加固施工期間。

監(jiān)測頻率普通點(diǎn)為一天兩次。

2)穿越施工期間。

在盾構(gòu)進(jìn)入道床下方至盾尾離開鐵路下方提高監(jiān)測頻率，期間監(jiān)測頻率為：線路沉降位移每小時(shí)一次，管線監(jiān)測一天兩次，隧道沉降監(jiān)測一天兩次。

4 結(jié)語

1)盾構(gòu)始發(fā)前做好施工準(zhǔn)備，提前對(duì)鐵路進(jìn)行扣軌加固，落實(shí)盾構(gòu)設(shè)備檢修、人員配備與教育、專項(xiàng)施工方案設(shè)計(jì)審批等工作。

2)提出減小地鐵盾構(gòu)下穿既有鐵路施工風(fēng)險(xiǎn)的措施，包括:對(duì)土倉壓力進(jìn)行調(diào)控，精準(zhǔn)控制盾構(gòu)前進(jìn)速率及前進(jìn)方向、嚴(yán)格控制盾尾同步注漿、采取洞內(nèi)環(huán)箍注漿等。

3)盾構(gòu)下穿既有鐵路時(shí)，加強(qiáng)地面及鐵軌沉降監(jiān)測，并與鐵路部門加強(qiáng)溝通配合。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警，沉降達(dá)到預(yù)警值時(shí)立即啟用應(yīng)急預(yù)案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳 波.復(fù)雜條件下城市地鐵隧道施工地表沉降研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2003.

[2] 韋 凱，雷震宇，周順華．盾構(gòu)隧道下穿地下管線的變形控制因素分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008(2):325-330.

[3] 白 偉，梁新權(quán)，張學(xué)民，等．復(fù)雜環(huán)境條件下地鐵隧道下穿燃?xì)夤芫€加固技術(shù)[J].交通科學(xué)與工程，2010(4):30-34.

[4] 葛世平，謝東武，丁文其，等．考慮建筑既有變形的盾構(gòu)穿越擾動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(11):1616-1621.