盾構(gòu)隧道曲線下穿鐵路客站風(fēng)險(xiǎn)源的施工安全控制技術(shù)

龍 剛

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為解決城市交通擁堵的一大有效工具。然而，在城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大中，地鐵隧道不可避免地需要下穿鄰近的建(構(gòu))筑物，其施工過程中引起的地表沉降會(huì)使得鄰近建(構(gòu))筑物傾斜、扭曲，從而造成結(jié)構(gòu)的損壞，嚴(yán)重的地表變形還會(huì)導(dǎo)致房屋的倒塌[1-6]。如何確保重大建(構(gòu))筑物在地鐵隧道施工過程中的安全，已經(jīng)成為地鐵參建各方關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。

黃雪梅等[7]對(duì)小半徑盾構(gòu)隧道下穿鐵路軌道的控制措施進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在盾構(gòu)隧道施工過程中對(duì)鐵路軌道進(jìn)行扣軌加固以及洞內(nèi)徑向注漿加固，可以有效的減少盾構(gòu)施工給鐵路軌道所造成的影響。李祥東等[8]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)下穿朝陽(yáng)公園北湖段進(jìn)行了施工參數(shù)試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：將土倉(cāng)壓力控制在0.10～0.12 MPa，掘進(jìn)速度控制在50～70 mm/min，可以確保盾構(gòu)安全平穩(wěn)通過朝陽(yáng)公園北湖。

本文結(jié)合呼和浩特市軌道交通2號(hào)線一期工程公主府站～呼和浩特站區(qū)間隧道施工，對(duì)盾構(gòu)下穿呼和浩特火車站高架候車廳、鐵路軌道等重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的技術(shù)措施，保障盾構(gòu)隧道下穿重大風(fēng)險(xiǎn)源的施工安全。

1 工程概況

呼和浩特市軌道交通2號(hào)線一期工程公主府站～呼和浩特站盾構(gòu)區(qū)間采用雙孔單線隧道設(shè)計(jì)，隧道全線敷設(shè)于地下。盾構(gòu)機(jī)使用中鐵重工兩臺(tái)編號(hào)為269、270土壓式平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。隧道主體結(jié)構(gòu)為由管片錯(cuò)縫拼裝而成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)管片內(nèi)徑為5.5 m，外徑為6.2 m，管片厚度為0.35 m，環(huán)寬1.5 m，環(huán)間通過螺栓連接。鋼筋混凝土管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12。

盾構(gòu)機(jī)自公主府站始發(fā)，于呼和浩特站接收井接收，區(qū)間隧道依次下穿道北三小區(qū)、道北二小區(qū)、火車站天橋、旅客地道、鐵路股道和火車站站房，盾構(gòu)區(qū)間沿線風(fēng)險(xiǎn)源眾多，施工難度大。

該區(qū)間為山前沖洪積傾斜平原，地形較平緩，隧道所處地層主要為砂性地層。地層自上而下依次為：①1雜填土、③3粉土、③4粉砂、③9圓礫、③5細(xì)砂、③6中砂、④5細(xì)砂和④2粉質(zhì)黏土。

區(qū)間地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深7.4～9.4 m，含水地層以圓礫、粉土、細(xì)砂、中砂為主，總體上以富水及中等富水為主。

2 下穿風(fēng)險(xiǎn)源基本情況

盾構(gòu)隧道曲線下穿呼和浩特火車站主站房、高架候車廳、進(jìn)站天橋、旅客地道和鐵路股道等，關(guān)系到列車行車安全和旅客運(yùn)輸安全，均為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，施工時(shí)需要采取必要的應(yīng)對(duì)措施。

2.1 火車站主站房和高架候車廳

火車站主站房為筏板基礎(chǔ)，管片外表面距筏板底最小凈距約12.793 m。站房與盾構(gòu)隧道相對(duì)位置如圖1所示。

高架候車廳為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)12.0 m，樁底標(biāo)高

圖1 火車站站房與盾構(gòu)隧道相對(duì)位置關(guān)系(單位：mm)

為-15.4 m(站臺(tái)面相當(dāng)于±0.000)，管片外表面距樁基底最小凈距約3.646 m。隧道與高架候車廳的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 隧道與高架候車廳的位置關(guān)系(單位：mm)

2.2 進(jìn)站天橋和旅客地道

盾構(gòu)區(qū)間下穿呼和浩特火車站進(jìn)站天橋和旅客地道段，左、右線均為上坡，旅客地道采用箱型框架結(jié)構(gòu)，旅客進(jìn)站天橋柱子生根于旅客地道側(cè)墻上，管片外表面距旅客地道基底最小凈距約9.217 m，管片外表面距旅客地道人工挖孔圍護(hù)樁底約8.546 m。區(qū)間隧道與天橋、旅客地道的相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。

2.3 鐵路股道

呼和浩特站為一等車站，每日接車100多列，主要線路為京包客專(2股正線+2股到發(fā)線)和唐呼線(2股正線+6股到發(fā)線)。下穿段區(qū)間左線長(zhǎng)度為105.113 m，右線長(zhǎng)度為105.124 m，管片外表面距軌道路基底最小凈距約16.321 m，如圖4所示。

圖3 盾構(gòu)隧道與天橋、旅客地道相對(duì)位置(單位：mm)

圖4 盾構(gòu)隧道與鐵路股道相對(duì)位置關(guān)系(單位：m)

3 區(qū)間盾構(gòu)施工重難點(diǎn)分析

(1)盾構(gòu)隧道小曲率連續(xù)下穿風(fēng)險(xiǎn)源。盾構(gòu)隧道以400 m小曲率半徑連續(xù)“S”型下穿火車站、鐵路股道、居民樓等重大風(fēng)險(xiǎn)源在國(guó)內(nèi)鮮見報(bào)道，在隧道掘進(jìn)過程中勢(shì)必會(huì)造成一定的超挖，這對(duì)地面的沉降控制極為不利。

(2)區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜，對(duì)盾構(gòu)機(jī)操作手水平要求高。本區(qū)間隧道主要穿越中砂、細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)黏土地層，地層自穩(wěn)性較差，穿越地層類型較多，要求盾構(gòu)機(jī)操作手能夠根據(jù)出土情況和地面沉降及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)。

(3)盾構(gòu)區(qū)間全部位于地下水位線以下。隧道所在地層地下水豐富，在盾構(gòu)施工過程中如果管片接縫防水不嚴(yán)產(chǎn)生滲水或者注漿材料被地下水過多稀釋導(dǎo)致填充加固效果不佳，這些都會(huì)使得隧道周圍產(chǎn)生較大的地層損失，從而導(dǎo)致地面沉降過大。

(4)動(dòng)荷載影響。呼和浩特站主要提供京包線、唐呼線、呼哈線和呼鄂線上的鐵路客運(yùn)服務(wù)，每天來往列車車次較多，客流量大，列車運(yùn)行產(chǎn)生的動(dòng)荷載對(duì)地表沉降影響較大。

(5)沉降控制要求嚴(yán)格。鐵路的安全運(yùn)行對(duì)鐵路路基沉降值和軌道幾何尺寸容許偏差有著嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，盾構(gòu)施工造成的地表沉降會(huì)影響到既有鐵路的控制指標(biāo)，從而使得列車在運(yùn)行中存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。為保證呼和浩特站的安全運(yùn)行以及來往列車的安全，根據(jù)《鐵路軌道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》和《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，將普通鐵路路基沉降控制在9 mm以內(nèi)，高速鐵路沉降控制在7 mm以內(nèi)，軌道軌距偏差控制在-2～4 mm內(nèi)。

4 試驗(yàn)段施工

本工程區(qū)間段施工過程中，為確保盾構(gòu)隧道安全下穿客站主站房和高架候車廳、進(jìn)站天橋和旅客地道以及鐵路股道等風(fēng)險(xiǎn)源，將穿越站場(chǎng)段前100 m定為盾構(gòu)施工掘進(jìn)試驗(yàn)段。試驗(yàn)段的施工主要達(dá)到以下目的：

(1)驗(yàn)證施工參數(shù)。通過對(duì)掘進(jìn)參數(shù)及地面沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定制定的掘進(jìn)參數(shù)是否能夠滿足沉降控制要求，對(duì)不合適的參數(shù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，確保盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)在進(jìn)入站場(chǎng)段前能夠達(dá)到最優(yōu)。

(2)總結(jié)地表沉降規(guī)律。盾構(gòu)施工引起的地表沉降一般可分為3個(gè)階段：盾構(gòu)到達(dá)前、盾構(gòu)通過中和盾構(gòu)通過后。在試驗(yàn)段掘進(jìn)過程中，需要詳細(xì)的分析每個(gè)階段沉降值與掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)系，通過有針對(duì)性的調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，確保地表沉降得到有效的控制。

(3)控制好盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)掘進(jìn)中的糾偏會(huì)增大土體的擾動(dòng)，盾構(gòu)進(jìn)入站場(chǎng)段前，即試驗(yàn)段掘進(jìn)中，必須將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整到最佳，確保盾構(gòu)機(jī)下穿站場(chǎng)段期間不進(jìn)行糾偏。

(4)總結(jié)注漿施工的注漿壓力對(duì)地面變形的影響，在避免地面下沉的前提下嚴(yán)防地面隆起。

(5)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的性能，確保盾構(gòu)機(jī)施工過程勻速、平穩(wěn)、不停機(jī)地快速通過各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源。

5 盾構(gòu)掘進(jìn)控制措施

在盾構(gòu)掘進(jìn)下穿風(fēng)險(xiǎn)源過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，使盾構(gòu)勻速、平穩(wěn)的下穿風(fēng)險(xiǎn)源。根據(jù)穿越站場(chǎng)段前100 m的試驗(yàn)段施工，得到了盾構(gòu)機(jī)的基本掘進(jìn)參數(shù)。

(1)為了減少刀盤對(duì)前方土體的切削擾動(dòng)，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.80～1.64 r/min，推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，總推力控制在8 000～12 000 kN。

(2)土倉(cāng)壓力對(duì)掌子面的穩(wěn)定性有著重要的作用，在掘進(jìn)過程中將土倉(cāng)壓力控制在0.13～ 0.15 MPa。

(3)嚴(yán)格控制每環(huán)的出土量，避免出土量過大或過小所導(dǎo)致的地表沉降或隆起，將每環(huán)出土量控制在58 m3左右。

(4)嚴(yán)格控制同步注漿量、注漿壓力和漿液的質(zhì)量，最低限度的減小地層的損失，施工過程中將同步注漿量控制在7～9 m3/環(huán)，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。

(5)根據(jù)開挖面所處地層，合理選用不同的渣土改良劑。當(dāng)開挖面所處地層為純砂或含砂量較大的地層時(shí)，采用膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良，以保證開挖面的穩(wěn)定以及出土的順利；當(dāng)開挖面為砂土混合地層時(shí)采用泡沫劑進(jìn)行改良。

6 下穿風(fēng)險(xiǎn)源加固措施

盾構(gòu)隧道下穿風(fēng)險(xiǎn)源地段，除了控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少施工對(duì)地層的擾動(dòng)以外，還需要采取必要的加固措施，確保盾構(gòu)下穿過程中，鐵路站房和高架候車廳、進(jìn)站天橋和旅客地道以及鐵路軌道的安全。

(1)本區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿呼和浩特火車站站場(chǎng)鐵路軌道段落，隧道覆土約為16 m，與線路斜交。為保證鐵路運(yùn)營(yíng)期間的安全、穩(wěn)定，對(duì)本段落鐵路采用洞內(nèi)管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿、地面預(yù)注漿和扣軌方式進(jìn)行加固。

(2)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿呼和浩特火車站進(jìn)站天橋和旅客地道段，采取洞內(nèi)管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿措施，對(duì)隧道周邊3 m范圍內(nèi)的土體進(jìn)行加固，防止進(jìn)站天橋和旅客地道的沉降，

(3)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿呼和浩特火車站主站房(B區(qū))、接建門廳段，采取洞內(nèi)管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿保護(hù)措施，防止施工過程中主站房產(chǎn)生較大的沉降量。

(4)區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿高架候車廳時(shí)，采用預(yù)埋袖閥管跟蹤注漿加固措施，對(duì)候車廳樁基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)加固，確保樁基沉降控制在允許范圍以內(nèi)。

6.1 洞內(nèi)管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿

區(qū)間盾構(gòu)穿越火車站主站房、進(jìn)站天橋和旅客地道段以及站場(chǎng)鐵路軌道風(fēng)險(xiǎn)源過程中，對(duì)施工影響范圍內(nèi)管片周圍土體施作二次深孔加強(qiáng)注漿(管片采用16孔特殊管片)，以提高管片周圍土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少后期地表沉降的不利影響。洞內(nèi)二次注漿注漿孔布置如圖5所示。

圖5 管片背后二次深孔加強(qiáng)注漿

注漿漿液采用水泥—水玻璃雙漿液，通過對(duì)特制管片的注漿孔進(jìn)行鉆孔，安裝球閥裝置并植入注漿管，然后采用注漿設(shè)備對(duì)隧道周圍土體進(jìn)行對(duì)稱加固。注漿管采用?42 mm袖閥管，注漿采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)，每孔注漿量為3～5 m3，分2次注漿，注漿壓力不大于1.0 MPa。

6.2 軌道結(jié)構(gòu)采用3-7-3扣軌加固

在鋼軌加固段對(duì)鋼筋混凝土枕間穿插長(zhǎng)木枕，并在軌底增設(shè)絕緣膠墊和墊板，以加固軌面并減少對(duì)電氣信號(hào)的干擾。實(shí)施線路加固前、后，需對(duì)無(wú)縫線路進(jìn)行應(yīng)力放散和焊接，并監(jiān)測(cè)軌溫變化。吊軌梁采用50 kg/m鋼軌、43 kg/m鋼軌，組裝方式為3-7-3扣軌。吊軌與其下面的普通岔枕用型號(hào)22的U型螺栓和角鋼連在一起以增強(qiáng)其整體性，并設(shè)置軌距桿。U型螺栓用?22 mm圓鋼制成，兩端M22螺紋，螺紋長(zhǎng)度80 mm，每件包括4個(gè)螺母及彈簧墊圈。

在線路混凝土枕間穿插木枕，枕木下道砟振搗密實(shí)。穿插木枕采用隔六穿一、隔一布一，確保線路穩(wěn)定。穿插后對(duì)線路進(jìn)行全面檢查，使其符合軌道施工的有關(guān)要求。扣軌加固示意如圖6所示。

扣軌施工完成后以及拆除扣軌和恢復(fù)線路正常運(yùn)營(yíng)前，均應(yīng)對(duì)道床進(jìn)行搗固，以保證道床的穩(wěn)定。

6.3 高架候車廳樁基礎(chǔ)預(yù)埋注漿管

考慮到區(qū)間結(jié)構(gòu)與高架候車廳樁基凈距較小，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能會(huì)引起樁基整體沉降或差異沉降。為防止樁基沉降導(dǎo)致候車廳結(jié)構(gòu)開裂破壞，在盾構(gòu)通過前，采用?52 mm×5 mm的袖閥管對(duì)下穿影響范圍內(nèi)的候車廳樁基承臺(tái)周圍土體進(jìn)行預(yù)注漿加固，加固范圍為承臺(tái)下方2 m，樁基礎(chǔ)周圍1 m。

圖6 扣軌施工單股道(單位：mm)

注漿材料采用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，水玻璃摻量為3%，注漿從外圍向中間依次進(jìn)行。當(dāng)注漿壓力保持在1.0～2.0 MPa，注入量<1～2 L/min，并穩(wěn)壓20 min，即可結(jié)束注漿。

加固后的地層應(yīng)具有良好的均質(zhì)性和自穩(wěn)性。注漿加固完成后應(yīng)及時(shí)清洗注漿管，預(yù)留跟蹤注漿的條件。盾構(gòu)通過后應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果，必要時(shí)進(jìn)行地面二次注漿，具體加固措施詳見圖7和圖8。

圖7 承臺(tái)注漿管布置

7 結(jié)束語(yǔ)

在呼和浩特軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿呼和浩特火車站施工過程中，綜合使用上述加固措施，盾構(gòu)機(jī)順利通過了鐵路站房和高架候車廳、進(jìn)站天橋

圖8 高架候車廳地面注漿加固范圍(單位：mm)

和旅客地道以及鐵路軌道等一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，監(jiān)測(cè)最大沉降量為2.2 mm，滿足了既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)的要求。