地鐵盾構(gòu)法區(qū)間隧道調(diào)線修復(fù)工程方案研究

鄭 凱

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

盾構(gòu)法是地鐵區(qū)間隧道施工中常用的工法之一，盾構(gòu)法施工具有施工速度快、地面沉降小、施工安全，可以有效地保護(hù)周圍建筑物和地下管線、減少拆遷量，施工期間不需要降水等優(yōu)點(diǎn)，在北京、上海、廣州等城市地鐵建設(shè)實(shí)踐中得到了證實(shí)和推廣，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。然而盾構(gòu)法受到施工工藝限制，也存在一些缺點(diǎn)，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)中線控制難度較大。由于盾構(gòu)法施工隧道中線受到工程地質(zhì)(尤其是嚴(yán)重不均勻地層、砂卵石、卵礫石地層等)、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制、盾構(gòu)機(jī)操作技術(shù)人員技能、周邊環(huán)境、后期隧道位移等多種因素影響，容易發(fā)生位置偏差。(2)盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)侵限后處理難度大。由于盾構(gòu)法隧道襯砌采用預(yù)制管片，現(xiàn)場拼裝的單層結(jié)構(gòu)體系，一旦成環(huán)并脫出盾尾后，結(jié)構(gòu)上很難再進(jìn)行處理。(3)斷面形式單一，不能適應(yīng)多變的隧道結(jié)構(gòu)形式。(4)地層適應(yīng)性相對單一等。結(jié)合工程實(shí)例，針對地鐵盾構(gòu)法區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)中線偏差超過規(guī)范規(guī)定允許范圍，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)中線修復(fù)或線路調(diào)整的情況做一探討。

2 地鐵區(qū)間偏差段工程概況

本段區(qū)間主要采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置在R=350 m的小半徑曲線上。盾構(gòu)在小半徑始發(fā)后以21°小交角下穿鐵路，并與鐵路并行一段距離，然后下穿河流，并側(cè)穿鐵路跨河橋的樁基。穿越河流后下穿φ3 000 mm盾構(gòu)法施工的污水管。區(qū)間左、右線線間距12.0～15.0 m，結(jié)構(gòu)凈距6.0～9.0 m。如圖1、圖2所示。

圖1 偏移段工程概況

圖2 偏移段周邊環(huán)境

3 工程事故表現(xiàn)

(1)平面:左線盾構(gòu)始發(fā)后，盾構(gòu)機(jī)未能按設(shè)計(jì)隧道中線掘進(jìn)，在R=350 m曲線上向外側(cè)(即向右線)發(fā)生了很大的偏移，偏移段位于里程左K3+587.5至左K3+371.20段，共計(jì)216.3 m，最大偏平面偏移量2 129 mm。如圖3、圖4所示。

圖3 偏移段范圍平面

圖4 偏移量橫斷面示意(單位:mm)

(2)縱斷面:在平面上隧道中線偏移地段同時(shí)出現(xiàn)水平中線的高低起伏，最高處高于原設(shè)計(jì)高程145 mm，最低處低于設(shè)計(jì)高程334 mm，見圖5。

圖5 實(shí)測線路縱斷面偏移示意

(3)隧道中線出現(xiàn)偏移地段位于隧道下穿京山鐵路、涼水河、污水管道以及側(cè)穿鐵路橋梁段等，周邊環(huán)境建(構(gòu))物及地下管線非常復(fù)雜。

(4)在線路發(fā)生偏移段，原隧道結(jié)構(gòu)間凈距僅為6.0～9.0 m，發(fā)生偏移后，結(jié)構(gòu)間凈距僅為4.0～7.0 m，為以后的線路修復(fù)帶來制約因素。

4 原因剖析

盾構(gòu)法隧道中線在平面上和縱面上發(fā)生了很大的偏移，且未及時(shí)采取有效措施，存在著主觀和客觀上的原因。

客觀上:

(1)隧道中線偏移段位于盾構(gòu)始發(fā)區(qū)，盾構(gòu)機(jī)操作技術(shù)人員還沒有熟練掌握盾構(gòu)機(jī)的各種性能指標(biāo)，對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中的各種參數(shù)還沒有清楚的認(rèn)識，不利于盾構(gòu)機(jī)糾偏;

(2)隧道中線偏移段位于R=350 m的小半徑曲線上，給盾構(gòu)機(jī)的糾偏增加了困難;

(3)隧道中線偏移段位于穿越鐵路、河流、地下重大管線段，施工時(shí)要求盾構(gòu)機(jī)要快速通過該地段，影響到盾構(gòu)機(jī)糾偏;

(4)本段隧道所處工程地質(zhì)為砂卵石地層，卵石含量高，盾構(gòu)推行的阻力及扭矩都比較大，不利于盾構(gòu)機(jī)糾偏。

主觀上:

(1)施工時(shí)存在麻痹大意，沒有完全認(rèn)識到隧道中線偏移對隧道限界、線路服務(wù)功能、運(yùn)營速度、超高設(shè)置等相互之間關(guān)系產(chǎn)生重大影響;

(2)認(rèn)為設(shè)計(jì)有裕量，待隧道貫通后想利用設(shè)計(jì)裕量進(jìn)行修復(fù)。

5 實(shí)測數(shù)據(jù)與限界余量對比分析及結(jié)論

5.1 隧道限界余量分析

(1)無超高地段、隧道結(jié)構(gòu)中線可以相對線路中線左、右偏移200 mm，見圖6。

(2)超高30～90 mm地段，隧道結(jié)構(gòu)中心線只能向線路內(nèi)側(cè)在原偏移的基礎(chǔ)上再偏移200 mm，不能向外偏移，見圖7。

圖6 隧道中線向左、右偏移示意(單位:mm)

圖7 隧道中線向內(nèi)側(cè)偏移示意(單位:mm)

5.2 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

平面上從K3+371.2至K3+587.5段216.3 m的范圍內(nèi)隧道中線最大向外側(cè)偏移2 129 mm，縱斷上在不同的里程上發(fā)生了334 mm的下沉和145 mm的上浮，見圖5。

5.3 實(shí)測數(shù)據(jù)與限界余量對比分析及結(jié)論

偏移段位于R=350 mm的曲線半徑上，原設(shè)計(jì)超高設(shè)置h=90 mm，因此只允許隧道中線向內(nèi)側(cè)偏移200 mm，經(jīng)對比分析現(xiàn)場實(shí)測隧道中線偏移量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本線限界技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且中線平面偏移與縱斷面偏移重疊，加劇限界的不足，因此隧道無法實(shí)現(xiàn)原設(shè)計(jì)功能，必須對線路進(jìn)行調(diào)整或隧道結(jié)構(gòu)中線進(jìn)行修復(fù)或兩者相結(jié)合，以滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

6 線路調(diào)整及隧道中心修復(fù)的原則

(1)安全性:線路修復(fù)過程中應(yīng)充分考慮對周邊環(huán)境、既有地鐵結(jié)構(gòu)等構(gòu)筑物的影響，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，避免發(fā)生次生事故;

(2)經(jīng)濟(jì)性:充分利用原有結(jié)構(gòu)，減少廢除工程量，盡量降低造價(jià);

(3)技術(shù)合理性:重新修復(fù)的線路應(yīng)滿足現(xiàn)行規(guī)范及本條線路總體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，不能降低原設(shè)計(jì)線路的服務(wù)功能;

(4)因地制宜:線路重新擬合方案及后續(xù)隧道中線修復(fù)工程工法等都要根據(jù)現(xiàn)場情況綜合研究制定。

7 線路調(diào)整及隧道中線修復(fù)應(yīng)考慮的控制性因素

(1)線路應(yīng)滿足規(guī)范及本線最低技術(shù)要求(如線形、限界、允許通過速率、超高設(shè)置等);

(2)周邊環(huán)境復(fù)雜，主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面:

①線路偏移段位于小半徑(R=350 m)曲線上;

②區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距近，修復(fù)施工時(shí)應(yīng)考慮對右線隧道的影響;

③區(qū)間與鐵路斜交，下穿鐵路段范圍大，且與鐵路平行很長一段距離;

④下穿45m寬的河流段，對隧道中線修復(fù)工法的選擇有大影響。

(2)工期緊。根據(jù)全線工籌安排，留給區(qū)間修復(fù)的時(shí)間非常短，約4個(gè)月時(shí)間。

(3)周邊場地緊張，交通運(yùn)輸受限制。

8 線路方案比選

8.1 線路擬合方案

根據(jù)既有結(jié)構(gòu)偏移量情況，結(jié)合線路、旅行速度、限界、軌道超高設(shè)置等各專業(yè)的分析，同時(shí)考慮全線工籌及周邊復(fù)雜環(huán)境的控制因素等影響，有3種方案可供比選。

方案A:擬合隧道新的線形，不拆除原有結(jié)構(gòu)，僅對出現(xiàn)的破損、錯(cuò)臺(tái)等結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行修復(fù);

方案B:修改局部線路設(shè)計(jì)，盡量減短拆除已建成結(jié)構(gòu)的長度;

方案C:按原設(shè)計(jì)線位進(jìn)行工程修復(fù)，須拆除超限隧道結(jié)構(gòu)，盡量利用設(shè)計(jì)還存在的部分余量。

8.2 各線路修復(fù)方案細(xì)則

8.2.1 方案A

(1)在結(jié)構(gòu)偏移地段調(diào)整為3段小半徑復(fù)合曲線，一段R=1 200 m的曲線，夾直線長度16.3 m，見圖8;

圖8 調(diào)線修復(fù)方案A示意

(2)曲線半徑為R=1 200右偏曲線，可以設(shè)置40～60 mm超高，加上欠超高，該曲線不限速;

(3)復(fù)曲線地段可以設(shè)置60 mm超高，加上欠超高60 mm，允許通過速度50 km/h;

(4)局部地段需調(diào)整三軌、通信信號電纜及消防水管的布置;

(5)原6.86‰，長810 m的坡段拆成4個(gè)坡段，最小的坡段長度只有120 m，僅達(dá)到規(guī)范最低要求;

(6)調(diào)整后結(jié)構(gòu)中心最大下沉量194 mm，上浮209 mm

8.2.2 方案B

(1)拆除原隧道長度約123 m，拆除點(diǎn)盡量避開北端鐵路。

(2)在原直線段上增加右偏曲線，曲線半徑2 200 m，設(shè)20 m緩和曲線，該曲線允許通過速度大于80 km/h，不限速，見圖9;

圖9 調(diào)線修復(fù)方案B示意

(3)重新擬合北端線路曲線半徑，調(diào)整為R=355 m，緩和曲線長度30 m;

(4)需要局部調(diào)整隧道內(nèi)管線布置:AP天線位置需要調(diào)整，三軌需要換邊或設(shè)斷口等;

(5)調(diào)整線路縱斷面;增設(shè)線路縱坡段，由原來的單一坡調(diào)整為4段坡，分別為6.99‰坡長450 m，3.01‰坡長120 m，10.3‰坡長120 m，6.81‰坡長120 m;最小坡段長度僅滿足現(xiàn)行規(guī)范的最低要求，且坡段較碎，不利于運(yùn)營;

(6)設(shè)備限界距隧道內(nèi)輪廓大于100 mm(符合現(xiàn)行規(guī)范困難條件的要求)，但不滿足現(xiàn)行規(guī)范一般情況下大于200 mm的規(guī)定。

8.2.3 方案C

維持原設(shè)計(jì)的線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，盡量利用原設(shè)計(jì)中還存在的部分裕量，直接破除偏移量超過1.2 m段的隧道，重新施做結(jié)構(gòu)，見圖10。

圖10 調(diào)線修復(fù)方案C示意

8.3 各線路修復(fù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)(表1)

表1 各方案優(yōu)缺點(diǎn)

8.4 各方案比選結(jié)果

(1)從未來長期運(yùn)營角度出發(fā)，恢復(fù)原設(shè)計(jì)方案，對出現(xiàn)工程缺陷的部位進(jìn)行徹底修復(fù)，即方案C是最佳方案。但受到現(xiàn)場客觀環(huán)境的限制，很難現(xiàn)場實(shí)施，且工期難易保證全線工籌的要求，不推薦采用。

(2)擬合線路方案(即方案A)服務(wù)水平較低，且存在與現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)部分不吻合之處，不建議采用。

(3)方案B拆除部位基本避開了鐵路及其市政配套工程的主要工作面，總體方案可行，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)雖有所降低，但符合現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范，且工程實(shí)施方案具有一定的可操作性，推薦采用。

9 結(jié)論

(1)由于受到工程地質(zhì)、周邊環(huán)境、現(xiàn)場盾構(gòu)機(jī)操作技術(shù)人員的熟練程度等復(fù)雜的主、客觀因素影響，盾構(gòu)隧道在施工過程中，不可避免的發(fā)生隧道中線的“左右蛇形、高低起伏”現(xiàn)象，對此，施工方應(yīng)有充分的認(rèn)識。

(2)施工技術(shù)人員應(yīng)能對線路(隧道中線)與限界、旅行速度、軌道超高設(shè)置等相互之間的關(guān)系以及線路偏差對全線服務(wù)功能的影響有充分的認(rèn)識。

(3)盾構(gòu)掘進(jìn)中應(yīng)嚴(yán)格控制隧道中線平面位置和高程，做到小糾偏、勤糾偏、早糾偏，將施工誤差控制在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

(4)盾構(gòu)始發(fā)位置選擇時(shí)，應(yīng)充分考慮盾構(gòu)在小半徑上始發(fā)的難度，盡量避免盾構(gòu)在小半徑曲線上始發(fā)。

(5)一旦發(fā)生隧道中線超過規(guī)范允許的誤差控制范圍，應(yīng)及早提出，以方便根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測情況，重新擬合、調(diào)整線路，以免后續(xù)發(fā)生重大方案變動(dòng)和經(jīng)濟(jì)損失。

(6)針對隧道中線發(fā)生大范圍的偏移，且無法通過重新擬合新的線路滿足規(guī)范、總體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及線路的服務(wù)功能時(shí)，應(yīng)對偏移段進(jìn)行修復(fù)。在修復(fù)過程中應(yīng)充分利用原設(shè)計(jì)裕量，并充分考慮周邊環(huán)境、工期、造價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)等因素對修復(fù)工程的影響，使修復(fù)工程安全可靠、風(fēng)險(xiǎn)可控、經(jīng)濟(jì)適用、技術(shù)先進(jìn)、并保證工期。

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國建設(shè)部.GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2003.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50446—2008 盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.北京地鐵四號線工程施工設(shè)計(jì)區(qū)間結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)要求(試行稿)、文件組成[Z].北京:北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，2005.

[4]梁濤.淺析盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制[J].天津市政工程，2010(1).

[5]邵翔宇.盾構(gòu)主要施工參數(shù)的控制與管理[J].市政技術(shù)，2004，22(4).

[6]董宇.淺析盾構(gòu)機(jī)過小半徑曲線段的操作與糾偏[J].科技資訊，2009(14).