軟土地層地鐵盾構(gòu)下穿車站咽喉區(qū)施工技術(shù)

陳利民

（上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司，上海 200071）

咽喉區(qū)又稱道岔區(qū)，是鐵路車站-車場兩端通過道岔、交叉渡線將各站線銜接在一起的區(qū)域。行車作業(yè)、調(diào)車作業(yè)及旅客列車車底取送都要經(jīng)過咽喉區(qū)，在整個車站中位于咽喉區(qū)的設(shè)備和作業(yè)互相制約，影響最大。由于車站咽喉區(qū)布置復(fù)雜，作業(yè)量大，設(shè)備利用率高，不易改擴(kuò)建，對客運(yùn)站通過能力起主要限制作用，因此，咽喉區(qū)是整個車站的最薄弱環(huán)節(jié)［1］。

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的發(fā)展，既有鐵路客運(yùn)站日漸成為地鐵的必選站位。地鐵建設(shè)一般選擇盾構(gòu)法下穿鐵路的方案。為保證換乘服務(wù)水平，地鐵車站與鐵路站房越近越好，線路施工不可避免地穿越道岔咽喉區(qū)。

下穿工程必須保證被穿越結(jié)構(gòu)的安全和功能，而道岔是鐵路中對沉降與變形控制要求最嚴(yán)格的區(qū)域。鐵運(yùn)〔2006〕146 號《鐵路線路修理規(guī)則》規(guī)定道岔尖軌尖處的作業(yè)驗收容許偏差管理值為±1mm。在長三角等軟土地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工，由于超挖和應(yīng)力釋放效應(yīng)會引起地表沉降從而影響鐵路線路幾何形位［2］；除了岔心的變形控制，并行多股線路的列車荷載會在下穿區(qū)形成疊加，進(jìn)一步增加施工控制難度［3］。為此，須要分析下穿施工對鐵路運(yùn)營的影響，并確定軌道交通區(qū)間施工期間鐵路站場須采取的應(yīng)對措施以減小鐵路安全風(fēng)險。

上海市軌道交通15 號線為上海市西部的南北向徑向線，其中上海南站—百色路站區(qū)間在柳州路附近下穿上海南站東側(cè)咽喉區(qū)和柳州路立交，共穿越11股鐵路軌道。為確保工程順利實施，通過方案比選、數(shù)值模擬、鐵路通過能力計算、加固區(qū)設(shè)計、機(jī)械選型與養(yǎng)護(hù)、新型注漿材料應(yīng)用、實時監(jiān)控反饋、施工參數(shù)控制等形成一整套軟土地層地鐵盾構(gòu)隧道下穿道岔咽喉區(qū)的技術(shù)措施。

1 方案比選

設(shè)計和施工方案比選包含節(jié)點(diǎn)站位方案、線路平面方案、加固方案3個階段。

節(jié)點(diǎn)站位方案包含原有規(guī)劃方案、西側(cè)桂林路方案與東側(cè)柳州路方案，如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)站位方案

原有規(guī)劃方案中的上海南站既有預(yù)留土建結(jié)構(gòu)因列車由C 型車升級至A 型車、4節(jié)編組擴(kuò)容為6節(jié)而無法利用。此外，原方案須在北側(cè)穿越16 幢居民住宅，環(huán)境影響及社會維穩(wěn)壓力較大，因此舍棄原方案。

桂林路方案與柳州路方案比選見表1。

西側(cè)桂林路方案線路短、線型順直，但與地鐵1 號、3 號線及鐵路上海南站不具備換乘功能；且盾構(gòu)施工須穿越地鐵1 號線暗埋段并鑿除其38 m 深地下連續(xù)墻，工程風(fēng)險大，因此沒有選用。

東側(cè)柳州路方案線型雖差，但可保證換乘距離不超過300 m，同時與旁側(cè)商業(yè)地塊一體化開發(fā)。桂林路方案和柳州路方案均須穿越上海南站咽喉區(qū)，軌道交通施工對鐵路影響均較大。綜合考慮采用換乘功能較好的柳州路方案，并通過進(jìn)一步采取措施盡量減少對鐵路運(yùn)營組織的影響。

站位方案確定后對線路平面進(jìn)行比選，軌道交通區(qū)間穿越國鐵上海南站東咽喉區(qū)且周邊環(huán)境復(fù)雜，控制因素（圖2）包括柳州路立交鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)及其攪拌樁基礎(chǔ)，磁懸浮上海南站預(yù)留樁位，上海南站匝道樁基，國鐵上海南站東咽喉區(qū)，長途客運(yùn)站、郵政轉(zhuǎn)運(yùn)站、南廣場基坑剛性樁基礎(chǔ)。

圖2 線路控制因素平面示意

按最小曲線半徑確定的方案對比見表2。綜合比較施工難度和下穿道岔的數(shù)量，采用方案2，出上海南站后采用半徑為350 m曲線。

縱斷面上，盾構(gòu)隧道主要穿越承載力130 kPa 的中密粉砂層，局部位于承載力80 kPa 的軟塑粉質(zhì)黏土夾粉土層。

表2 線路方案比選

軌道交通區(qū)間與鐵路相交處的地基采取空間需求小、加固質(zhì)量可靠的二重管無收縮雙液注漿工藝進(jìn)行加固。該工藝采用二重管鉆機(jī)鉆孔至預(yù)定深度后采用同步注漿機(jī)注漿，并采用電子監(jiān)控手段實施定向、定量、定壓注漿，使巖土層的孔隙間充滿漿液并固化［4］。

加固區(qū)平面如圖 3 所示，分為 A 區(qū)、B 區(qū)。A 區(qū)緊鄰柳州路立交，豎向加固范圍為軌面以下5～29 m，超過隧道底部向下1 m；B 區(qū)加固范圍為軌面以下5～20 m，覆蓋流塑狀、高壓縮性的灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土層。

圖3 加固區(qū)平面示意

2 數(shù)值模擬

為分析盾構(gòu)施工對鐵路路基變形的影響、地基加固的必要性，利用有限元軟件PLAXIS 3D 建立包括巖土、隧道、加固體、路基及上部線路一體的模型（圖4）。模型長230 m、寬190 m，深約70 m。土體采用硬化土體模型模擬，土層計算參數(shù)結(jié)合本工程地質(zhì)勘察報告和相關(guān)的工程經(jīng)驗進(jìn)行取值。隧道開挖引起的地層損失率取0.5%，按恒壓掘進(jìn)計算［5-7］。模擬盾構(gòu)隧道穿越至每一股線路中心作為1個計算工況。

圖4 有限元模型

各關(guān)鍵股道沉降計算結(jié)果見表3，復(fù)式交分道岔所在股道的分步沉降曲線見圖5。可見，地基加固可減小軌道變形約32%～35%。加固后軌道最大沉降7.60 mm；最大高低不平順值0.82～0.90 mm，證明方案具有理論上的可行性。

表3 關(guān)鍵股道最大沉降 mm

圖5 加固后沉降計算結(jié)果

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工參數(shù)控制

盾構(gòu)到達(dá)前60 m 作為穿越該鐵路的試掘進(jìn)段，按20 m 間距設(shè)置了3 個橫斷面，分析土壓力、推進(jìn)速度、出土量、注漿量、注漿壓力與地面沉降的關(guān)系，確保盾構(gòu)穩(wěn)定推進(jìn)。

同步注漿采用注漿量與注漿壓力雙控的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并采用新型相對質(zhì)量密度大的單液漿。它是由砂、粉煤灰、膨潤土、消石灰及外摻劑用水拌合成高密度、高抗剪、低稠度的塑性單液砂漿［8］。

3.2 實時監(jiān)測

工程中采用全自動監(jiān)測系統(tǒng)對鐵路進(jìn)行實時監(jiān)測。采用精度±0.5″的全自動全站儀，儀器自動搜索監(jiān)測點(diǎn)，全天候?qū)崟r采集數(shù)據(jù)，及時為施工提供反饋信息。

監(jiān)測內(nèi)容包括軌道和路肩的沉降、水平位移，以及接觸網(wǎng)立柱的沉降、水平位移、傾斜度，均采用棱鏡觀測。沉降監(jiān)測點(diǎn)與水平位移監(jiān)測點(diǎn)重合。觀測點(diǎn)布置如圖6所示。

監(jiān)測數(shù)據(jù)頻率動態(tài)調(diào)整，最高每2 h 1次。穿越道岔區(qū)的變形控制值是類似工程的重難點(diǎn)［9-10］，本案例中參照上鐵工〔2017〕382 號《上海鐵路局工務(wù)安全管理辦法》并結(jié)合以往盾構(gòu)穿越鐵路變形監(jiān)測要求和經(jīng)驗確定監(jiān)測預(yù)警報警值，見表4。

圖6 施工期測點(diǎn)布置示意

表4 監(jiān)測預(yù)警報警值

經(jīng)過實際施工檢驗，地基加固和盾構(gòu)掘進(jìn)期間軌道結(jié)構(gòu)累計變形不超過4.5 mm，軌道結(jié)構(gòu)變形滿足各項控制指標(biāo)，成功穿越了11股道的道岔咽喉區(qū)穿越。

4 技術(shù)總結(jié)

4.1 應(yīng)由專業(yè)機(jī)構(gòu)制定周密的方案

下穿道岔咽喉區(qū)須要在事前由各專業(yè)機(jī)構(gòu)制定出詳盡而周密的設(shè)計、施工、監(jiān)測方案。

在設(shè)計方案的制訂過程中，應(yīng)對站位、線路走向的橫縱斷面進(jìn)行多方案比選。比選過程中須要清楚各種限制條件如水文地質(zhì)條件，鐵路線路、站房及其他建筑的地基處理措施，鐵路咽喉區(qū)的平面位置，鐵路到發(fā)線與咽喉區(qū)的使用情況等，從而確定線路方案對道岔和尖軌的影響范圍，并對工程可行性、換乘便利性進(jìn)行綜合對比。

在軟土地區(qū)穿越鐵路路基工程往往要對鐵路進(jìn)行地基加固，加固方案的設(shè)計應(yīng)事先細(xì)化。由于鐵路道岔咽喉區(qū)附近結(jié)構(gòu)復(fù)雜、位置關(guān)系不規(guī)則，采用平面應(yīng)變方法和經(jīng)驗公式計算地表沉降具有較大的局限性，應(yīng)委托專業(yè)咨詢單位對地基加固方案和盾構(gòu)施工方案的影響建立三維有限元模型，計算盾構(gòu)下穿施工引起的軌道變位、不平順，預(yù)估變形速率，必要時調(diào)整設(shè)計方案。

施工和監(jiān)測方案要周密。施工須確定合理的穿越時間，與鐵路部門協(xié)調(diào)好咽喉區(qū)限速措施，盡可能安排在天窗時間或行車密度小的時間段施工；施工應(yīng)有試驗段方案。如需地基加固，應(yīng)確保注漿點(diǎn)位、機(jī)械布置和場地安排滿足鐵路要求。

監(jiān)測方案應(yīng)與地表沉降影響范圍一致，且地基加固和盾構(gòu)穿越期間均須密集監(jiān)測。監(jiān)測方案實現(xiàn)精細(xì)化管理，確定向相關(guān)單位的信息反饋方式，并建立多方協(xié)調(diào)的風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案。

4.2 施工機(jī)械保養(yǎng)和操作到位

在周密方案的基礎(chǔ)上，須要確保各個施工機(jī)械保養(yǎng)到位、操作準(zhǔn)確，以減小施工中的不確定性。

本工程針對隧道穿越的砂性地層，選用了超挖量適中的新型盾構(gòu)機(jī)，并采用了一系列針對性措施，例如提高刀盤開口率至40%，推進(jìn)裝置增加至16 組，螺旋機(jī)出土口安裝防噴裝置形成三道閘門，盾殼增設(shè)徑向注漿孔、后配套增設(shè)二次注漿等。

穿越段的管片設(shè)計也有所調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)塊和鄰接塊每塊各增設(shè)2 個注漿孔，以提高二次補(bǔ)充注漿效果。為加強(qiáng)同步注漿效果，采用新型相對質(zhì)量密度大的單液漿，通過嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，規(guī)范施工操作工序，有效控制地層損失率。

施工前，仔細(xì)地檢查和保養(yǎng)盾構(gòu)設(shè)備及同步注漿、二次補(bǔ)壓漿設(shè)備，確保盾構(gòu)以最佳狀態(tài)進(jìn)入穿越區(qū)域。

為了保證監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確，采用多種監(jiān)測措施確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。地表沉降觀測用全站儀精度提高至1″；盾構(gòu)機(jī)內(nèi)采取以靜力水平儀和電力水平尺的自動化監(jiān)測為主、人工監(jiān)測為輔的監(jiān)測方法。

盾構(gòu)到達(dá)鐵路下方前，對試驗段數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，掌握此段區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)時土體變形規(guī)律，優(yōu)化盾構(gòu)土壓力、推進(jìn)速度、出土量、同步注漿和二次注漿量、注漿壓力，從而使盾構(gòu)姿態(tài)保持較好的狀態(tài)進(jìn)入穿越段。

4.3 多方配合

多方配合是保證穿越道岔區(qū)工程安全的關(guān)鍵。由設(shè)計單位、鐵路部門共同參與，研究線路方案的影響、道岔改移條件、列車過岔速度、鐵路咽喉區(qū)站場運(yùn)營綜合條件。咨詢單位通過精細(xì)化數(shù)值模擬確保下穿施工的影響可控。由多方共同決策，明確施工變形控制要求和方案可行性。

盾構(gòu)施工監(jiān)測單位和鐵路工務(wù)監(jiān)測部門保持密切溝通，施工前詳細(xì)了解鐵路線狀變形情況，精確掌握穿越段各區(qū)域鐵路沉降情況；監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)方案由相關(guān)單位共同確定，數(shù)據(jù)由多方測量并復(fù)核，確保鐵路沉降數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

各方建立協(xié)同的數(shù)據(jù)報送、報警和應(yīng)急處理預(yù)案。正常情況下監(jiān)測數(shù)據(jù)每日通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至施工、監(jiān)理、代建、設(shè)備管理等相關(guān)單位聯(lián)系人，并報送紙質(zhì)版。若發(fā)現(xiàn)報警，立即口頭通知施工方暫停施工，同時復(fù)核報警數(shù)據(jù)，復(fù)核無誤后立即通知各參建方及設(shè)備管理單位、書面提出報警數(shù)據(jù)。事前組建監(jiān)測報警分析小組，報警時根據(jù)小組意見實施停工或跟蹤監(jiān)測。

穿越鐵路咽喉段前，組織所有施工人員進(jìn)行專門的交底會議，以書面形式記錄交底內(nèi)容及會議紀(jì)要并備案。

5 結(jié)語

上海地鐵15 號線下穿上海南站咽喉區(qū)工程順利實施，形成了一整套技術(shù)措施和管理方案。

在多方協(xié)調(diào)下，各專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的方案比選，制定出周密的設(shè)計、施工、監(jiān)測、鐵路限速和運(yùn)營調(diào)整方案。采用斜向注漿對鐵路路基進(jìn)行加固，并采用高性能全新土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和新型相對質(zhì)量密度大的單液漿減少鐵路咽喉區(qū)地表變形；使用自動化連續(xù)監(jiān)測和實時反饋確保信息化施工。相關(guān)技術(shù)措施將下穿咽喉區(qū)工程地表沉降控制在4.5 mm 以下，可供類似工程參考。