地鐵盾構(gòu)穿越既有鐵路營業(yè)線的加固和監(jiān)測方法

駱培明

(杭州地方鐵路開發(fā)有限公司, 浙江杭州 310007)

在地鐵盾構(gòu)穿越既有鐵路施工前,對既有鐵路路基進行注漿加固是常見的地基處理方法。但是,在注漿加固和地鐵盾構(gòu)穿越既有鐵路施工時,必須及時掌握并嚴(yán)格控制既有鐵路的隆起、沉降和水平移位等變形情況。本文以杭州地鐵1號線穿越艮山門站鐵路加固工程為例,介紹注漿加固方案和施工注意事項,并采用實時監(jiān)測的方法指導(dǎo)施工,保證鐵路運營安全。

1 注漿加固

1.1 工程概況

杭州地鐵1號線艮山門站—閘弄口站線路呈東西走向,區(qū)間盾構(gòu)在里程約K18+171～K18+634處穿越鐵路艮山門輔助編組站,穿越長度為463 m左右,穿越股道包括艮山門正線(1～4股道)、動車組檢修庫(5～12股道)、到達場(13～18股道)及貨場(20～21股道)。地鐵穿越處鐵路正線里程為滬昆線K196+925,鐵路與地鐵隧道中心線的交角分別為52°～72°不等；覆土厚度為11～15 m不等,穿越土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?，F(xiàn)列車運行速度為客車200 km/h,貨車120 km/h,每天運行80對,遠期規(guī)劃為客車250 km/h；1、4道線路外側(cè)有電化桿，各線路之間路基埋設(shè)有鐵路的通訊、信號、電力電纜等管線。

本區(qū)段內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道管片外徑6.2 m,內(nèi)徑5.5 m,盾構(gòu)機外徑6.39 m,兩隧道水平中心間距為11.5 m。

1.2 注漿加固方案

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料,在盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具有高壓縮性、低強度、弱透水性、高靈敏度等特點,易產(chǎn)生流變和觸變現(xiàn)象,工程性質(zhì)很差。在這種地質(zhì)條件和列車振動荷載作用下進行盾構(gòu)掘進施工,處理不好很易造成地層大的下沉甚至塌陷。必須進行加固,才能保證盾構(gòu)掘進的安全和控制地表的沉降。

根據(jù)各種地基加固方法的優(yōu)缺點和工程實際情況,本工程采用注漿加固方式。地基加固采取分塊加固方案,即分為主加固區(qū)、旋噴樁加固區(qū)、次加固區(qū)。鐵路兩側(cè)采用二重管高壓旋噴樁加固,樁徑為1.5 m,搭接20 cm；旋噴樁之間為主加固區(qū),采用劈裂注漿加固,注漿加固后的靜力觸探指標(biāo)Ps≥1.0 MPa；正線西面旋噴樁外側(cè)5.2 m、東面旋噴樁外側(cè)3.2 m為次加固區(qū),采用壓密注漿加固,注漿加固后的靜力觸探指標(biāo)Ps≥0.8 MPa。加固區(qū)自地面至④2層頂面至⑥1層底部(如圖1、圖2所示)。

圖1 注漿加固區(qū)域平面(單位：cm)

圖2 注漿加固區(qū)域截面(單位：cm)

1.3 注漿加固施工注意事項

施工前應(yīng)對施工范圍內(nèi)的地下管線和電纜設(shè)備做一次詳細(xì)的調(diào)查,明確各類管線的位置,同時與各相關(guān)設(shè)備管理部門簽訂安全協(xié)議,加強設(shè)備和管線的監(jiān)管。施工前制定切實可行的應(yīng)急預(yù)案,預(yù)備充足的搶險材料,確保施工期間的線路安全暢通。做好施工組織,優(yōu)化施工方案,力求盡可能減少路基面沉降和隆起,降低對線路運營行車的影響。旋噴樁施工期間,防護人員加強監(jiān)護瞭望,防止施工機具侵入鐵路限界,并隨時檢查線路狀況,出現(xiàn)異常時立即采取相應(yīng)應(yīng)急措施。施工區(qū)段必須對列車進行限速,客車限速90 km/h,貨車限速50 km/h,減小行車對土質(zhì)的擾動,同時也確保行車安全。施工人員盡量避免上道作業(yè),確有需要需上道時,應(yīng)指派專門線路防護人員,確保施工期間的人員安全。

注漿施工時遵循漿液先稀后稠、壓力先小后大的原則,并隨時監(jiān)測地表和線路的變形情況,必須將變形控制在允許范圍內(nèi),每次注漿隆起量不得超過2 mm,要特別加強對鐵路線路軌面幾何尺寸監(jiān)測工作,當(dāng)觀測數(shù)據(jù)超限時,立即停止施工,并進行線路養(yǎng)護作業(yè),確保行車安全。

2 監(jiān)測方案

2.1 監(jiān)測目的

根據(jù)上海地鐵下穿鐵路研究結(jié)論以及施工經(jīng)驗,針對兩種工況進行嚴(yán)格監(jiān)控測量,其一為注漿加固階段,其二為盾構(gòu)下穿推進階段。兩階段的施工必然會引起鐵路基床的變形,從而影響軌道的平順性,對鐵路的運營安全直接造成影響。施工過程對附近建筑物、構(gòu)筑物,鐵路兩側(cè)電力、通信等管線也會帶來一定影響。該處的管線在具體施工過程中比其他工況下的施工更需要嚴(yán)格控制其變形,否則管線毀壞的后果不僅僅是管線本身毀壞,其間接影響鐵路的運營甚至不得不停運后果更加嚴(yán)重。

為避免以上嚴(yán)重后果的發(fā)生,必須加強施工過程中的監(jiān)控測量,把施工引起的一系列動態(tài)變化信息及時反饋到施工單位,使之能夠在現(xiàn)場及時調(diào)整施工參數(shù),改進施工方法,以避免危及鐵路行車運營安全的事故發(fā)生。

2.2 普通部位的沉降和水平位移監(jiān)測

(1)沉降監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場條件,沉降監(jiān)測點按等級依次布置基準(zhǔn)點、工作基點、沉降監(jiān)測點。監(jiān)測點與基準(zhǔn)點形成閉合或附合水準(zhǔn)路線,取兩次測定值的平均值作為初始高程值。日常觀測水準(zhǔn)線路符合于工作基點或基準(zhǔn)點,觀測時各項限差宜嚴(yán)格控制。監(jiān)測儀器采用：電子水準(zhǔn)儀。

(2)水平位移監(jiān)測

采用小角度觀測法,如圖3所示,基點1、基點2穩(wěn)定性檢測合格后,用電子全站儀依次測量各點與基準(zhǔn)線的小角度及距離,計算各點與基準(zhǔn)線的偏差,偏差的變化量即為垂直線路方向的位移量。

圖3 水平位移測點布置方法與測量原理示意

2.3 重點部位沉降觀測

在該工程重點部位(正線股道)采用電水平尺法進行沉降觀測。

(1)監(jiān)測系統(tǒng)的組成

沉降自動監(jiān)測系統(tǒng)由設(shè)在道床上的電水平尺和隨電水平尺就近安裝的CR10數(shù)據(jù)自動采集器,以及設(shè)在附近的主控計算機組成(如圖4所示)。

圖4 CR10系統(tǒng)構(gòu)造原理

(2)電子水平尺性能與特點

電子水平尺安裝時緊貼被測對象(道床),不影響行車；又可以自動讀數(shù),因此特別適合在行車時封閉路段中進行連續(xù)的沉降監(jiān)測。

高分辨率：電水平尺能檢測到微小至1″的傾角變化,相當(dāng)于一根1 m梁兩端發(fā)生0.005 mm的高差(位移)變化。

可靠的測量數(shù)據(jù)：當(dāng)電水平尺的長度確定后,其傾角的變化量就可簡單且精確的換算成梁端的(10-2) mm級位移量,而與結(jié)構(gòu)物本身的剛度無關(guān)。將多個電水平尺首尾相連,則能計算出絕對位移并推斷出沉降斷面。

安裝簡單：電水平尺因其外形設(shè)計簡單,使得它在很多地方都可以進行安裝使用。尺的長度可根據(jù)結(jié)構(gòu)物不同而改變。

簡單且牢固：電水平尺內(nèi)部的電解質(zhì)傾角傳感器無活動部件,其絕緣的外殼能保證熱量分布均勻,以避免溫度升高和輻射熱量產(chǎn)生的影響。

遙控測讀：一般情況下,電水平尺可連接到數(shù)據(jù)采集器上測讀,能持續(xù)監(jiān)測沉降變化；若檢測到過大的沉降量則會發(fā)出報警信號(如圖5所示)。

圖5 電水平尺外形及構(gòu)造

(3)數(shù)據(jù)自動采集

將“尺鏈”上各個電解質(zhì)傾斜傳感器輸出的信號均接到一臺CR10型數(shù)據(jù)自動采集器上,并可通過電纜直接從采集器輸送到一臺計算機中,用監(jiān)測軟件完成數(shù)據(jù)的傳輸、整理計算和實時顯示監(jiān)測圖形,一旦采集到的數(shù)據(jù)達到或超過預(yù)先設(shè)定的“報警值”,計算機就會以色彩和音響發(fā)出報警信息。

2.4 報警指標(biāo)

為了確保盾構(gòu)推進的安全性,同時存在不確定性因素的影響,必須進行同步跟進實時監(jiān)測。本工點為非道岔地段,監(jiān)測報警值如表1所示。

表1 施工監(jiān)測報警值

注：線路沉降及方向偏移報警數(shù)據(jù)根據(jù)《鐵路線路維修規(guī)則》中“線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值”的規(guī)定,按“正線,時速200≥v>120,臨時補修”標(biāo)準(zhǔn)編制。

線路加固期間：對于線路加固期間每次注漿后均須進行線路沉降觀測,注漿隆起量按3 mm控制,超過3 mm則立即報警。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

3.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

本工程加固施工期間各項目監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計成果如表2所示。

表2 最大日變化量和累計最大變化量

注：方向偏移負(fù)值為向西方向偏移,正值為向東方向偏移。

3.2 重點部位監(jiān)測數(shù)據(jù)

運營正線Ⅱ、Ⅲ道通過電子水平尺觀測的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6～圖9所示。

圖6 杭州地鐵1號線穿越艮山門站國鐵加固期間線路代表點沉降時程(一)

圖7 杭州地鐵1號線穿越艮山門站國鐵加固期間線路代表點沉降時程(二)

圖8 杭州地鐵1號線穿越艮山門站國鐵加固期間線路代表點沉降時程(三)

圖9 杭州地鐵1號線穿越艮山門站國鐵加固期間線路代表點沉降時程(四)

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

本次鐵路加固工程(包括高壓旋噴樁和注漿施工)對股道及周邊環(huán)境造成了一定影響。但是采用實時監(jiān)控、即時提供的監(jiān)測數(shù)據(jù),施工單位及時地調(diào)整控制施工進程和施工參數(shù),影響的區(qū)域和程度都能得到有效的控制,在列車減速慢行的情況下,沒有對鐵路的運營安全造成影響。

4 結(jié)束語

注漿加固后,大大提高了路基土體的承載力,滿足了地鐵盾構(gòu)穿越的要求,在注漿加固施工過程中雖對加固區(qū)域鐵路路基和周邊環(huán)境造成了一定影響,但沒有影響到列車的正常運行。通過對鐵路路基、軌面和周圍建筑物的實施監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)為施工提供了有效的服務(wù)和指導(dǎo)作用,保證了鐵路營業(yè)線的安全。

[1] 鐵道部第一勘察設(shè)計院.鐵路工程地質(zhì)手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1998

[2] 邱衛(wèi)寧，等.測量數(shù)據(jù)處理理論與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008