徐向勇

上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司 上海 200060

目前，針對盾構(gòu)施工下穿鐵路地面變形量控制的問題，許多專家做了相關(guān)研究。其中，何永洪等[1]針對成都軌道交通9號線三院站—太平寺站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿成貴客運(yùn)專線機(jī)場路隧道工程，采用嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)、強(qiáng)化注漿、加強(qiáng)監(jiān)測與信息化施工等措施有效控制地面變形；趙星[2]針對南通軌道交通盾構(gòu)隧道下穿寧啟鐵路，采用有限元軟件Midas-GTS建立模型，計算得出地層具有較大沉降量；廖凌軍等[3]提出采用“隔離樁＋袖閥管注漿”的施工方法，降低了蘇州軌道交通下穿京滬高鐵丹昆特大橋工程的施工風(fēng)險。綜上所述，盾構(gòu)施工的過程中必然會導(dǎo)致地面與鐵軌產(chǎn)生變形，這會對鐵路的正常運(yùn)營產(chǎn)生不利影響，降低地上鐵路的運(yùn)輸安全。為確保隧道盾構(gòu)施工過程中地面鐵路的正常運(yùn)行，需要采取有效措施減少地面與道床的變形。本文針對無錫地鐵3號線一期工程盾構(gòu)下穿京滬鐵路及滬寧城際高鐵段，通過實(shí)時監(jiān)測并及時調(diào)整施工參數(shù)等措施，確保盾構(gòu)安全通過既有鐵路區(qū)段，對類似工程有一定的參考意義。

1 工程概況

1.1工程簡介

三院站—無錫火車站區(qū)間隧道左、右線長度分別為788.901、785.985 m，左右線間距為13.0～17.0 m，隧道頂至地面距離為8.5～15.0 m。結(jié)合工程地質(zhì)條件，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)由三院站出發(fā)施工左線段，到達(dá)無錫站后掉頭施工右線段。隧道采用預(yù)制C50鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑為6 200 mm、內(nèi)徑為5 500 mm、厚度為350 mm、寬度為1 200 mm，每環(huán)由6塊管片組成。

1.2盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路概況

隧道以60°偏角斜穿京滬鐵路的6股軌道，以40°偏角穿越滬寧城際高鐵的7股軌道（圖1）。其中，京滬鐵路為碎石道床，滬寧城際高鐵為整體混凝土道床，且滬寧城際高鐵道床已在地鐵下穿段做了加固處理。左線由382環(huán)開始進(jìn)入京滬鐵路，至495環(huán)出滬寧城際高鐵；右線推進(jìn)至117環(huán)開始進(jìn)入滬寧城際高鐵，推進(jìn)至245環(huán)盾尾出京滬鐵路。隧道下穿鐵路段位于300 m小半徑曲線上，豎向最大坡度為2.875 5%（圖2）。

圖1 盾構(gòu)機(jī)與鐵路線路平面位置關(guān)系

圖2 盾構(gòu)機(jī)與鐵路線路豎向位置關(guān)系

1.3工程重難點(diǎn)分析

1）變形控制要求高。按照相關(guān)規(guī)定，京滬鐵路單次測量軌道沉降速率預(yù)警值為2 mm，1 d（24 h）的報警值為4 mm；滬寧城際高鐵單次測量軌道沉降預(yù)警值為1 mm，報警值為2 mm；地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)時監(jiān)測，沉降速率為0.5 mm/d，日沉降量不超過2 mm，最終累計沉降量不超過10 mm并以限值的80%作為報警值，工程精度要求高。

2）工程地質(zhì)復(fù)雜。區(qū)間穿越京滬鐵路段土層主要為黏土層，穿越滬寧城際高鐵為黏土與砂質(zhì)粉土層（圖3），隧道上方土層分布情況復(fù)雜，土體強(qiáng)度低且砂質(zhì)粉土層存在地下水，地下水主要形式是微承壓水，這在隧道開挖過程中是一種安全隱患。

圖3 隧道下穿鐵路地質(zhì)剖面示意

2 施工準(zhǔn)備

2.1既有鐵路道床的加固

滬寧城際高鐵為整體混凝土道床，目前已在下穿段采用“鋼筋混凝土板＋樁”對道床進(jìn)行地基加固，樁基礎(chǔ)采用的鉆孔樁與右線隧道最小凈距為0.077 m，與左線隧道最小凈距為0.865 m。

京滬鐵路為碎石道床，在盾構(gòu)施工中不可避免地會造成道床的沉降[4]，若沉降過大，將會影響既有鐵路的運(yùn)營安全。在盾構(gòu)施工區(qū)域內(nèi)先做好地基加固措施，可以減少地層蠕動，避免顆粒黏結(jié)等情況的發(fā)生，使孔隙充分填充，提高地基的穩(wěn)定性[5]。在盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)，對未加固土體采用斜向或垂直注漿加固，其加固剖面如圖4所示。采用地面袖閥管注漿與鉆桿后退式注漿工藝對地基進(jìn)行加固，注漿孔縱橫向間距為1.2 m×1.2 m，呈梅花形布置，注漿液擴(kuò)散半徑為0.8 m。最外2排注漿孔采用1∶1水泥水玻璃雙液漿，其余注漿孔采用1∶1水泥漿，規(guī)格為42.5級普通硅酸鹽水泥。

圖4 京滬鐵路及滬寧城際高鐵注漿加固剖面示意

2.2施工參數(shù)擬定

該工程選取穿越前100 m和線性、埋深、地質(zhì)等工程條件類似的兩地段作為盾構(gòu)的2個試推進(jìn)段。盾構(gòu)下穿前應(yīng)根據(jù)試推進(jìn)段制定合理的施工參數(shù)，其中包括推進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)、土壓力等施工參數(shù)[6]，該工程具體施工參數(shù)見表1。其中對于推進(jìn)速度，根據(jù)以往施工經(jīng)驗，需將盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在35 mm/min以內(nèi)[7]，再結(jié)合試推進(jìn)段地層、隧道變化情況，制定盾構(gòu)推進(jìn)速度為：過京滬鐵路推進(jìn)速度控制在7環(huán)/d，過滬寧城際高鐵施工推進(jìn)速度控制在6環(huán)/d。在試推進(jìn)過程中，將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整到最佳，減少不必要的停機(jī)，保證盾構(gòu)的連續(xù)推進(jìn)，這對地面沉降的控制起到重要作用[8]。另外，出土量對開挖面的穩(wěn)定性產(chǎn)生巨大影響，所以控制排土量是控制地表變形的最重要因素[9]。在盾構(gòu)法施工過程中，開挖隧道直徑小于盾構(gòu)機(jī)外徑，這會形成建筑空隙，進(jìn)而使得地面沉降，因此需要同步注漿填充空隙。

表1 盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)擬定

3 施工監(jiān)測

3.1監(jiān)測方案

在盾構(gòu)下穿既有鐵路施工過程中，常在地表面設(shè)置自動化監(jiān)測設(shè)備[10-12]。盾構(gòu)推進(jìn)的過程中，地上鐵路處于運(yùn)營狀態(tài)，采用人工監(jiān)測不僅會增加工作人員的工作量，也難以保證人身安全，故采用自動化全天候?qū)崟r監(jiān)測。盾構(gòu)下穿既有鐵路時，采用全站儀24 h自動監(jiān)測，若遇特殊情況，監(jiān)測頻率為1 h/次。為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，在盾構(gòu)下穿期間測量人員24 h值班，每環(huán)監(jiān)測2次，開始階段監(jiān)測1次，結(jié)束階段監(jiān)測1次。根據(jù)監(jiān)測的實(shí)時數(shù)據(jù)，做出每時沉降變化圖和每日沉降變化圖，并在每時沉降變化圖中點(diǎn)出盾尾脫開的變化。在盾構(gòu)穿越后前7 d監(jiān)測頻率為4次/d，穿越結(jié)束后第2周監(jiān)測頻率為2次/d，穿越結(jié)束第3周以后為1次/2 d。

3.2監(jiān)測點(diǎn)布置

京滬鐵路共設(shè)置62個監(jiān)測點(diǎn)，其中包含15個路肩點(diǎn)；滬寧城際高鐵共設(shè)置78個監(jiān)測點(diǎn)，其中包含21個路肩點(diǎn)。其監(jiān)測點(diǎn)的平面布置如圖5、圖6所示。

圖5 京滬鐵路監(jiān)測點(diǎn)布置示意

圖6 滬寧城際高鐵監(jiān)測點(diǎn)布置示意

3.3監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.3.1 穿越京滬鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)

盾構(gòu)通過地面軌道上的監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況如圖7、圖8所示。盾構(gòu)在穿越京滬鐵路過程中累計最大沉降量為－2.1 mm，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)號為JH3＋2；通過路肩點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，京滬鐵路地表監(jiān)測累計最大沉降量為－2.5 mm，對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)號為JH4＋0A，其最大值均在規(guī)定范圍內(nèi)，施工參數(shù)選取合理。

圖7 京滬鐵路地面監(jiān)測點(diǎn)變形

圖8 京滬鐵路路肩點(diǎn)累計變形

3.3.2 穿越滬寧城際高鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)

盾構(gòu)開始下穿滬寧城際高鐵區(qū)域時，地表監(jiān)測數(shù)據(jù)處于規(guī)定范圍內(nèi)。在盾構(gòu)脫離監(jiān)測點(diǎn)HN4＋1約18.2 m時，監(jiān)測點(diǎn)HN2－3監(jiān)測隆起值為2.4 mm，具體可見圖9；監(jiān)測點(diǎn)HN4－1監(jiān)測隆起值為2.5 mm，監(jiān)測點(diǎn)HN6－1監(jiān)測隆起值為2.5 mm，地表監(jiān)測數(shù)據(jù)反映滬寧城際高鐵軌道隆起達(dá)到預(yù)警值，具體可見圖10、圖11。

圖9 地表隆起預(yù)警監(jiān)測點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)位置關(guān)系示意

圖10 滬寧城際高鐵監(jiān)測點(diǎn)累計變形

圖11 滬寧城際高鐵監(jiān)測點(diǎn)變形速率

4 施工控制

在盾構(gòu)穿越滬寧城際高鐵的過程中，地面變形達(dá)到預(yù)警界限，需要通過采取措施來減少地面隆起變形，保證地面鐵路的運(yùn)營安全。

4.1滬寧城際高鐵地面變形初步控制

在施工參數(shù)推進(jìn)的過程中，根據(jù)滬寧城際高鐵地面監(jiān)測點(diǎn)HN2－3、HN4－1、HN6－1數(shù)據(jù)判斷地面隆起已經(jīng)達(dá)到預(yù)警值，隆起原因初步分析為：此時盾構(gòu)處于上坡推進(jìn)過程中，土壓力未及時調(diào)整導(dǎo)致土壓力值過大，致使鐵路地面隆起；預(yù)警監(jiān)測點(diǎn)位置位于盾構(gòu)推進(jìn)的后方，其位置注漿量可能處于飽和狀態(tài)。因此，初步控制是通過調(diào)整施工參數(shù)來降低地面隆起變形。其中，將推進(jìn)速度降低為15～25 mm/min，土壓力降低為0.2 MPa，注漿量調(diào)整為3.6～3.8 m3。

調(diào)整施工參數(shù)后，通過地面監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，按照此參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，地面隆起速率略有降低，但是累計隆起變形仍然較大。

4.2滬寧城際高鐵地面變形最終控制

在盾構(gòu)機(jī)盾尾與HN6－1監(jiān)測點(diǎn)距離約為27.6 m時，監(jiān)測點(diǎn)HN2－3、HN4－1、HN6－1仍具有隆起趨勢。根據(jù)調(diào)整施工參數(shù)后的盾構(gòu)監(jiān)測結(jié)果分析，土壓力及注漿量是影響鐵路隆起的次要原因。綜合分析隆起的主要原因為：盾構(gòu)穿越滬寧城際高鐵基礎(chǔ)形式為整體混凝土板。在盾構(gòu)施工前，混凝土板受力處于平衡狀態(tài)。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，其處于2.725%的上坡段，存在1個30～35 t向上的作用力（圖12），故打破了混凝土板原有的平衡狀態(tài)；盾構(gòu)機(jī)此時處在半徑為300 m的右轉(zhuǎn)小半徑圓曲線上，左側(cè)頂進(jìn)推力約為右側(cè)頂進(jìn)推力的2倍，因此盾構(gòu)機(jī)通過管片施加給左后方土體一個徑向的應(yīng)力，盾構(gòu)穿越時后方管片徑向應(yīng)力如圖13所示。

圖12 盾構(gòu)穿越時盾構(gòu)垂直應(yīng)力示意

圖13 盾構(gòu)穿越時后方管片徑向應(yīng)力示意

根據(jù)綜合分析，在此后盾構(gòu)推進(jìn)過程中，將1環(huán)平均分為3次掘進(jìn)完成，每掘進(jìn)40 cm，停機(jī)30 min，每次掘進(jìn)完成后回收千斤頂釋放土體應(yīng)力，同時回收千斤頂組數(shù)不得超過3組，目的在于釋放盾構(gòu)機(jī)盾尾后方管片與土體的壓力，減小盾構(gòu)掘進(jìn)對土體的擠壓；推進(jìn)速度保持15～25 mm/min；土壓力保持在0.2 MPa左右；注漿量保持在3.6～3.8 m3。

采取以上措施后，地面隆起速率逐步趨于平穩(wěn)狀態(tài)，最終沉降量也在規(guī)定范圍內(nèi)，具體沉降量變化如圖14～圖17所示。地面監(jiān)測點(diǎn)顯示，最大累計隆起值為3.0 mm；盾構(gòu)通過混凝土板后，監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測變形值逐漸呈下降趨勢，最大累計隆起值為2.2 mm，滿足規(guī)定要求。

圖14 HN2－3監(jiān)測點(diǎn)累計變形

圖15 HN4－1、HN6－1監(jiān)測點(diǎn)累計變形

圖16 HN2－3監(jiān)測點(diǎn)變形速率

圖17 HN4－1、HN6－1監(jiān)測點(diǎn)變形速率

5 結(jié)語

5.1工程現(xiàn)況總結(jié)

1）盾構(gòu)下穿京滬鐵路的過程中以及下穿過后，累計最大沉降值為2.5 mm，滿足規(guī)定要求，這說明最初擬定的掘進(jìn)參數(shù)及施工方法合理，能有效減少地面變形。

2）盾構(gòu)下穿滬寧城際高鐵的過程中，由于滬寧城際高鐵道床為混凝土筏板，且盾構(gòu)處于上坡掘進(jìn)過程中，筏板在豎直方向的力的平衡被打破，造成地面隆起。而后采取的措施可有效將累計變形以及變形速率降低在規(guī)定范圍內(nèi)，故施工方法選取合理。

5.2工程應(yīng)用總結(jié)

1）盾構(gòu)下穿鐵路的施工中，對于地面變形的要求嚴(yán)格，因此需要加強(qiáng)地面變形監(jiān)測，及時得到有效數(shù)據(jù)，才能選取合理的施工方法控制變形。

2）針對不同的鐵路道床，需要采取不同的施工參數(shù)。對于碎石道床的京滬鐵路，采用控制土壓力、注漿量等施工參數(shù)即可順利通過；而對于整體混凝土板道床的滬寧城際高鐵，需要從受力角度綜合考慮。

3）針對滬寧城際高鐵道床為整體混凝土筏板，且盾構(gòu)處于上坡推進(jìn)過程中的情況，由于豎向力平衡被打破，從而造成隆起變形較大。采用降低推進(jìn)速度、控制注漿量等施工參數(shù)以及回收千斤頂降低混凝土板豎向力，可有效降低鐵路隆起。