地鐵盾構(gòu)下穿既有鐵路施工控制技術(shù)探討

梁玉釗

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安 710000）

1 工程概況

西安地鐵 5 號線和平村站—阿房宮站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)外徑φ6 000mm，內(nèi)徑φ5 400mm，采取錯(cuò)縫拼裝的形式拼裝。該區(qū)間盾構(gòu)在和平村站東端頭始發(fā)，在左線進(jìn)洞后約 61m、右線進(jìn)洞后約 43m 后以R = 2 000m 的半徑右轉(zhuǎn)彎斜下穿西戶鐵路，與西戶鐵路交角約為 137°。下穿的西戶鐵路為單線電氣化鐵路，碎石道床。下穿鐵路段區(qū)間隧道左線上方敷設(shè) 1 條埋深約 7.14m DN1500 雨水管，該雨水管與西戶鐵路線路方向呈 42°相交，鐵路與區(qū)間隧道最小垂直距離為 11.98m（圖1）。

圖1 盾構(gòu)隧道與西戶鐵路剖面關(guān)系圖（單位：cm）

西戶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 17m，盾構(gòu)在此區(qū)域埋深約 12m，主要穿越黃土狀土層、粉質(zhì)黏土層和中砂層。

2 工程重難點(diǎn)分析

（1）運(yùn)行鐵路規(guī)范對軌道沉降要求極其嚴(yán)格，沉降要求往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常地層中盾構(gòu)施工所能控制的最大值，有必要采用其他輔助施工保障措施。

（2）鐵路為正常運(yùn)營狀態(tài)，施工期間的監(jiān)控量測實(shí)施有一定風(fēng)險(xiǎn)。

（3）該類工程在安全評估中往往被劃分為較高安全等級的風(fēng)險(xiǎn)源，對風(fēng)險(xiǎn)控制的要求高。本工程綜合評價(jià)為一級風(fēng)險(xiǎn)源。

（4）路線交叉部位地層為黃土狀土、粉質(zhì)黏土、中砂等，土層結(jié)構(gòu)很容易導(dǎo)致地層損失率偏大。尤其在局部拱頂部位位于砂層的情況下，很容易出現(xiàn)出土量超標(biāo)的問題，地層損失率不易控制。

（5）盾構(gòu)通過鐵路時(shí)，左線正上方存在 DN1500 雨水管，必須采取相關(guān)措施防止管線沉降，防止管體開裂滲漏。

（6）盾構(gòu)始發(fā)端距離西戶鐵路較近，左線始發(fā)后61m 到達(dá)鐵路正下方，右線始發(fā)后 43m 到達(dá)鐵路正下方，需盡快進(jìn)行有效的試驗(yàn)段掘進(jìn)來總結(jié)這種地層中適當(dāng)?shù)亩軜?gòu)掘進(jìn)參數(shù)，確保盾構(gòu)安全通過鐵路。

由此可見，施工的重點(diǎn)難點(diǎn)仍然歸結(jié)于地表沉降的控制。

3 地表沉降預(yù)測及分析

3.1 沉降預(yù)測

地鐵施工引起地層位移與變形的預(yù)測方法很多，主要是以經(jīng)驗(yàn)公式為主，普遍使用的是 Peck 教授在 1969年國際土力學(xué)會議提出的 Peck 公式：

式（1）中，Vs為地層損失；i 為沉降槽寬度系數(shù)；Z 為地面至隧道中心的深度；φ為土的內(nèi)摩擦角；Smax為隧道中心線處最大地面沉降；x 為距隧道中心線的距離；S（x）為距離隧道中心線處的地表沉降 。

根據(jù) Peck 公式（1）預(yù)測 2 條隧道影響范圍疊加沉降值，單洞頂部施工地表最大沉降量估算值約為31mm。從預(yù)測值看，地表沉降偏大，無法滿足運(yùn)營鐵路地表沉降不得大于 20mm 的要求。另外，從其他臨近施工合同段一般盾構(gòu)段的施工監(jiān)測看，沉降值從 6mm到 23mm 不等，也難以滿足運(yùn)營鐵路地表沉降的要求。

3.2 沉降分析及控制

地鐵盾構(gòu)施工引起的變形分為盾構(gòu)到達(dá)前地表變形、盾構(gòu)到達(dá)時(shí)地表變形、盾構(gòu)通過時(shí)地表變形、盾構(gòu)通過后地表變形、后期固結(jié)變形等 5 個(gè)階段，各階段變形特點(diǎn)及原因見表1。

表1 盾構(gòu)施工變形階段及特點(diǎn)

（1）本標(biāo)段地下水位位于盾構(gòu)腰部位置，地下水位下降造成的先期沉降不明顯，不屬于本案中控制重點(diǎn)。

（2）開挖面前部變形主要因土壓力不平衡造成。根據(jù)穿越西戶線前試驗(yàn)段掘進(jìn)確定合適的土壓力，并在穿越時(shí)有效保證土壓力平衡，減少壓力平衡的波動，可以有效控制開挖面前部變形。不同土倉壓力情況下，地表變形分布規(guī)律一致，但微小的土倉壓力變化可以導(dǎo)致變形的絕對值發(fā)生較大的變化，甚至?xí)?dǎo)致變形量的成倍增長。由此可見，適度地增大土倉壓力并保持穩(wěn)定，對盾構(gòu)下穿鐵路線的變形控制有利，但過度的增大土倉壓力會導(dǎo)致地面隆起甚至過大隆起。如何確定一個(gè)合理、相對于一般段適度增大的土倉壓力，是試驗(yàn)段應(yīng)該重視的問題。

（3）盾構(gòu)穿越時(shí)沉降和盾尾空隙沉降是沉降總量中占比最大的部分，持續(xù)時(shí)間長，從監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)看，會從距離測點(diǎn) 3 倍洞徑施工開始發(fā)生，一直持續(xù)到越過測點(diǎn) 4 倍洞徑距離終止，其數(shù)值占到沉降總量的80%～90%，是施工中應(yīng)該著重控制的重點(diǎn)。有效的渣土量管理可以減少地層損失率，有效減少該部分沉降。另外，采用合理適度的注漿手段對地層損失進(jìn)行補(bǔ)償，也可以抵消部分甚至完全消除該部分沉降。但由于巖土施工的波動性以及地層的差異性，并不能準(zhǔn)確地預(yù)判地層損失率精確值，所以在盾構(gòu)穿越鐵路線時(shí)適度地增大注漿量有利于控制沉降，注漿量偏大導(dǎo)致的地層微小隆起變形可以在施工完成后逐漸消除。

（4）后期沉降屬于無法避免的沉降，其沉降增長較緩慢，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，沉降絕對值較小，約占沉降總量的 4%～5%，且沉降會持續(xù)到盾構(gòu)穿越 5～6 倍甚至8～9 倍洞徑距離之后。從目前的研究資料和監(jiān)控量測情況看，沉降跟時(shí)間和空間均有關(guān)系。

綜合以上分析，從施工實(shí)踐考慮，可以從機(jī)械設(shè)備本身、鐵路軌道加固、盾構(gòu)施工參數(shù)管理、地層注漿調(diào)整等 4 個(gè)方面來調(diào)整技術(shù)方案，減少沉降。其中，盾構(gòu)設(shè)備本身需保證盾構(gòu)總推力大于驗(yàn)算的土壓力值，并具有一定的儲備。

4 控制技術(shù)措施

在盾構(gòu)穿越鐵路的區(qū)間范圍內(nèi)，確立“模式正確、土壓合理、平穩(wěn)掘進(jìn)、保證注漿、避免停機(jī)、嚴(yán)密監(jiān)測、快速反饋”的施工原則，施工中采取以下措施。

（1）試驗(yàn)段掘進(jìn)施工參數(shù)。及時(shí)總結(jié)、摸索、掌握試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對地層的影響，為盾構(gòu)通過鐵路時(shí)積累經(jīng)驗(yàn)，確定合理的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

（2）嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度。盾構(gòu)穿越鐵路前，按一般區(qū)間盾構(gòu)施工掘進(jìn)速度的 1/3～1/2 掘進(jìn)，并嚴(yán)格控制速度的均衡性，從時(shí)間和空間保障注漿、管片拼裝、環(huán)箍注漿的銜接緊密。

（3）嚴(yán)格進(jìn)行壓力管理。穿越鐵路前 3～4 倍洞徑范圍內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)段確定的數(shù)值適度增大土倉壓力，嚴(yán)格控制土倉壓力的穩(wěn)定，禁止出現(xiàn)過大的土倉壓力波動。

（4）嚴(yán)格進(jìn)行渣土管理，確保不超挖。盾構(gòu)出土做到進(jìn)尺量與出土量均衡，嚴(yán)禁出土超量。一旦發(fā)現(xiàn)問題，立即排查原因，采取措施處理，嚴(yán)格控制地層損失率不超過計(jì)算采用的數(shù)值。

（5）盾尾同步注漿方案調(diào)整。同步注漿初凝時(shí)間縮短到一般段同步注漿的 1/3，1 天強(qiáng)度提高 2～2.5 倍，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值的 1.1 倍，注漿漿液在不漏漿的基礎(chǔ)上必須達(dá)到設(shè)計(jì)值的 150% 以上。

（6）洞內(nèi)環(huán)箍注漿。盾構(gòu)施工不可避免地要擾動周圍土體，施工中采取環(huán)箍注漿洞內(nèi)加固措施。例如，可以在盾構(gòu)臺車過后，通過鉆孔、埋管，在洞內(nèi)進(jìn)行較高壓力注漿，對基礎(chǔ)土體進(jìn)行微量頂升、加固，控制盾構(gòu)過后的后期沉降，恢復(fù)基礎(chǔ)的前期沉降。另外，在盾構(gòu)機(jī)頭過一段后，及時(shí)對隧道上方土體進(jìn)行深孔注漿，擠密、劈裂受擾動的土體，有效地控制地面的最終變形，使鐵路的最終沉降控制在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，必要時(shí)在洞內(nèi)采取管片新增注漿孔注漿。

（7）加強(qiáng)施工監(jiān)測，及時(shí)調(diào)整參數(shù)。在穿越鐵路施工期間應(yīng)按設(shè)計(jì)要求加強(qiáng)施工監(jiān)測，及時(shí)反饋信息，并根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的各種參數(shù)，真正做到信息化施工。

（8）二次補(bǔ)強(qiáng)注漿加固地層，減少后期沉降。

5 工程效果監(jiān)測分析

圖2、圖3給出了盾構(gòu)一般施工段典型斷面洞頂沉降監(jiān)測曲線和穿越西戶線盾構(gòu)施工段左線洞頂沉降監(jiān)測曲線。從圖2、圖3中可以看到：

圖2 盾構(gòu)一般施工段典型斷面測點(diǎn)沉降曲線

（1）一般施工段典型斷面監(jiān)測點(diǎn)最大沉降速率約為盾構(gòu)穿越西戶線測點(diǎn)的 2 倍，最終沉降量約為盾構(gòu)穿越西戶線測點(diǎn)的 1.5 倍。從絕對值看，其數(shù)值滿足運(yùn)營鐵路路基沉降規(guī)范要求。

（2）一般段由于土倉壓力較接近平衡值，測點(diǎn)隆起不明顯，隆起最大 0.6mm，而穿越西戶線段落由于采用了較大的土倉壓力，監(jiān)測點(diǎn)隆起最大值為 2.3mm，差異明顯。這是否抵消了一部分后續(xù)施工沉降，值得工程界同仁研究。

（3）通過強(qiáng)化注漿要求，本次注漿均提高了注漿壓強(qiáng)及短日齡漿液強(qiáng)度要求的控制，并加大了注漿量，使得在監(jiān)測曲線上可以看到明顯的地層相對隆起變形，該斷面在環(huán)箍注漿及二次注漿后單次相對隆起值達(dá)到 1.3mm，但后續(xù)的沉降發(fā)展及趨勢未發(fā)生明顯變化。由此可以判定，加強(qiáng)注漿可以有效抵消一部分地層損失導(dǎo)致的沉降，對沉降控制有利。但由于經(jīng)濟(jì)代價(jià)較高，且地層隆起的過程也需要密切觀測，是否可以在一般段推廣，需要謹(jǐn)慎考慮。

（4）變形速率顯著減小，有效降低地下隧道工程施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 盾構(gòu)穿越西戶線斷面測點(diǎn)沉降曲線

6 結(jié)束語

綜上所述可見，本工程制定施工措施合理有效，可以作為后續(xù)類似工程的借鑒經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然，從工程實(shí)踐看，每個(gè)工程各有差別，比如該工程受地下水的影響不明顯，所采取的工程措施及其他方面的措施也千差萬別，在借鑒時(shí)選取適合工程實(shí)踐的技術(shù)措施是保證工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

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