盾構隧道下穿既有鐵路變形影響分析

0 引言

隨著城市軌道交通建設的大力發展，城市軌道交通線網不斷密集，盾構法以其絕對性優勢成為在城市軌道交通建設中最為廣泛的施工方式[1]。同時，越來越多的盾構隧道下穿既有建（構）筑物，盾構施工過程中會引起地表沉降和既有建（構）筑物變形，施工前應充分考慮由于盾構隧道引起的土體位移和地層擾動[2]。本文依托南京地鐵某新建線路下穿寧蕪鐵路線為背景，闡述既有線加固保護措施，并在下穿過程中采用智能監測系統實時自動化監測，結合現場監測數據分析盾構施工過程中的鐵路變形規律，為后續類似地質穿越工程施工提供參考。

1 工程概述

1.1 項目概況

南京地鐵某新建線路盾構下穿寧蕪鐵路正線（K33+997.140～K34＋136.404）。地鐵盾構出西善橋站后，沿寧蕪鐵路（寧蕪公路平行且鄰近寧蕪鐵路）向西南前行，下穿寧蕪鐵路，天保立交，然后到達西善橋停車場。盾構區間左線在寧蕪線K34+032位置斜穿鐵路，盾構區間右線在寧蕪線K34+095位置斜穿鐵路，與鐵路斜交角度約22°。地鐵盾構內徑5.5m，下穿范圍盾構隧道距軌頂埋深為3.6～6.1m。（如圖1所示）

圖1 盾構穿越段與既有鐵路平面、剖面位置關系圖

1.2 地質條件

1.2.1 工程地質特征

本工程上覆土層以人工填土、粉質黏土和粉砂為主，局部地段分布粉質黏土混卵礫石或卵石混圓礫，下伏基巖為白堊系浦口組泥質砂巖或砂質泥巖。

1.2.2 水文特征

本工程地勢相較低，局部地段夏季雨水季節偶有積水現象，一般不會受洪澇災害的影響。周邊沒有地表水體分布。場地地下水較豐富，有潛水，微承壓水及基巖裂隙水等，含水層厚度較大，對施工具有一定影響。場地淺部層2-1b2、層2-2b3粉質黏土地下水較少，富水性弱，對工程影響不大。層1填土、層2-3d4、層2-4d3粉砂中孔隙潛水、微承壓水和深部基巖裂隙水對工程有一定影響。

2 鐵路結構自動化監測

2.1 監測方法

為實時反映盾構施工對既有鐵路結構的影響，更好地指導施工，形成鐵路運營、施工、監理、監測等多部門信息聯動與信息共享機制，采用基于Leica TM50智能監測系統完成項目數據采集、分析處理、云平臺發布及實時監控，對既有線路軌道與路基結構進行全方位監控量測，為鐵路管理方提供及時、可靠的數據和信息，及時判定既有結構的安全[3]。

本項目自動化監測系統在盾構穿越期間1次/2h，施工結束后首周1次/4h，施工結束第二周1次/8h，后續至跟蹤期結束緩慢降頻為1次/1天，當發生數據超預警值后須加密監測頻率至每半小時1次。

2.2 監測網布設

2.2.1 工作基點布設

根據現場踏勘，盾構并行段在監測區內布設1個工作基點（GZ1），布設位置選擇在附近某公司場地內北側；盾構下穿段在監測區內增設1個工作基點（GZ2），布設位置選擇在寧蕪公路南側，保證工作基點觀測范圍覆蓋全部監測點以及對應的起算基準點，并滿足基準網網形和精度要求。

2.2.2 監測點布設

盾構施工影響區域全長約480m，每10m布設一個監測斷面，共布設49個監測斷面，每個監測斷面布設2個軌道監測點和2個路基監測點，軌道監測點布設在工作基點一側的軌道側面，路基監測點布設在軌道兩側的道砟之上；軌道監測點采用鋼板粘結材料將L型Leica監測棱鏡固定于軌枕上，路基監測點采用1.5m長鋼釬（直徑約3mm）扣小棱鏡作為沉降監測點，并用水泥砂漿填埋以確保監測點的穩定性。

鐵路加固施工期間需架設便梁和條基，在既有監測斷面內增設便梁支墩和條基監測點，監測點采用L形小棱鏡，棱鏡底部加裝鋼板粘結材料固定于條基和便梁支墩上部。

3 盾構穿越施工關鍵點及控制措施

3.1 盾構穿越段施工關鍵點

①本工程線路安全防護由D型鋼便梁、鋼條基（混凝土條基）、支座、承臺、樁基組成，其中條形基礎共設6道（1#～6#）。

盾構下穿鐵路段使用鋼條基和混凝土條基進行脫換施工，2#條基底部距離盾構管片上沿距離只有0.56m，為減少盾構施工對既有鐵路的變形影響，在2#條基施工完成后對2#條基下方0.2m土體進行刨除，因盾構刀盤外徑與管片存在0.135m間隙，刨除該土體后，盾構掘進覆土僅為0.225m。剩余1#條基刀盤上部覆土為0.525m，3#條基刀盤上部覆土為2.295m，4#條基處覆土為2.145m，5#條基處覆土為1.735m，6#條基處覆土為3.025m，覆土最深處不足3m。

②盾構下穿鐵路段線路縱向呈“一”字坡，最大坡度達35‰，盾構機掘進過程中姿態調整及軸線控制困難。

③盾構下穿段開挖面地層上部為粉砂，下部為砂質泥巖，屬于上軟下硬復合地層，容易引起盾構機偏移，掘進控制難度大。

小半徑、大縱坡、淺覆土盾構施工時盾構對外側地層是擠壓的狀態，容易使盾構機姿態和管片姿態上浮，導致既有鐵路產生變形[4]。

3.2 盾構穿越段控制措施

3.2.1 鐵路加固

既有鐵路每股道采用5孔D24型軍便梁防護鐵路路基，在1#條基大里程側設置一孔D16型軍便梁作為托梁，軍便梁下設6道條型基礎，其中1#、3#、4#、6#為鋼箱梁條基，結構寬度2.5m，高度2.0m，下接樁基礎、承臺、支座。2#、5#為砼條型基礎，結構寬度3m，高度3m，下接樁基礎。如圖2所示。

圖2 涉鐵加固平面示意圖

3.2.2 梁下處理

為保證掘進過程中掌子面上部土體穩定，在1#、2#、5#梁下澆筑50cm M5砂漿穩定上部土體。

3.2.3 鋼纖維多孔管片

下穿鐵路期間，由于受到上部列車動載影響，需要對鐵路鋼筋混凝土管片配筋進行加強，在管片中添加鋼纖維以提高管片強度和抗裂性能，摻量為60.0kg/m3，以增強其抗裂性。針對盾構下穿鐵路段，在管片原有6個注漿孔的基礎上增設10個注漿孔，滿足必要時注漿需求。

3.2.4 掘進參數控制

為保證盾構穿越既有鐵路施工安全，以穿越鐵路段正投影前30m作為施工掘進試驗段，驗證掘進參數[5]。通過試驗段對盾構機參數及變形監測數據進行綜合分析，研究各階段監測數據與掘進參數的關系，通過實時調整掘進參數以確保鐵路結構處于穩定狀態[6]。

根據現有涉鐵加固圖紙及方案，盾構穿越寧蕪鐵路處，刀盤上方最小覆土為0.225m，覆土非常淺，必要時盾構機上方可不減壓進行掘進，避免土壓過大對上方土體造成破壞。

區間掘進至鐵路段后，掘進速度控制在20～30mm，根據現場施工情況及監測數據及時調整掘進速度及推力，掘進速度應保證出土平衡及土倉壓力，同時推力也應適中，掘進過程中推力以不超過10000kN為宜[7]。

穿越區域為上軟下硬復合地層，盾構機應采取平衡法掘進，以平衡的推力、速度、扭矩控制掘進，盡量降低對地層的擾動，避免某個參數明顯異常。

為了控制既有鐵路結構變形，需要使密封土艙內的進土量與出土量達到匹配狀態。盾構開挖過程中以每環49～52m3控制，并動態調整螺旋輸送機轉速控制出土量參數[8]。

盾構在寧蕪鐵路區間穿越涉及地層包括②-4d3粉砂、K2p-2b強風化砂質泥巖和K2p-3b中等風化砂質泥巖，其中上部以粉砂為主，實際注漿量以理論方量的150%～200%，縮短漿液凝結時間控制在6h內。根據現場情況和監測數據實時調整注漿參數。掘進完成后根據監測數據及現場情況進行二次注漿加固，提高成型管片的強度。

4 數據分析

選取盾構下穿期間的條基與鐵路路基特征處的垂直位移變化情況生成歷時曲線圖如圖3所示。

圖3 垂直位移變形曲線圖

從圖3可以看出，盾構穿越過程中，右線盾構先穿越既有鐵路，下穿初期條基變形較小（平均下沉-0.4mm，最大下沉-1.1mm），鐵路結構處于安全穩定狀態；穿越后軌道和路基出現輕微下沉（平均下沉-0.7mm，最大下沉-2.1mm），變形量處于鐵路變形控制標準之內；后期隨著二次注漿的進行，在既有鐵路下方形成長期、均勻、穩定的加固體，沉降變形趨于平穩。

5 結語

以盾構隧道下穿鐵路變形監測為研究背景，闡述盾構穿越前鐵路結構加固措施，分析盾構掘進過程中各參數變化情況及既有鐵路監測數據變化規律，實時指導盾構施工，確保了下穿工程安全順利完工。同時，在本項目盾構穿越過程中，盾構機掘進時呈極限上坡姿態，且上部覆土較淺，無法保壓推進，易引起既有鐵路軌道隆起，掘進時結合自動化實時監測數據，采用超前超限負姿態盾構欠壓及二次補漿的綜合控制技術，保證既有鐵路結構處于穩定狀態，也為類似工程項目的開展積累相關經驗。