地鐵盾構(gòu)區(qū)間下穿既有鐵路的安全評估

姜智平

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司城交院，北京 100055)

隨著我國城市建設(shè)的高速發(fā)展，地鐵以其速度快、運(yùn)載能力大、污染小、充分提高地下空間利用率等優(yōu)點(diǎn)在城市交通系統(tǒng)中占有越來越重要的地位。地鐵工程建設(shè)的理論和技術(shù)在工程實(shí)踐中不斷發(fā)展和完善。

地鐵施工將引起地層沉降，進(jìn)而影響周邊建筑物的穩(wěn)定和安全。本文以天津地鐵3號線天津站站至金獅橋站區(qū)間下穿京津城際、津山鐵路工程為例，開展盾構(gòu)工程對既有鐵路影響的安全評估及工程對策研究。

1 工程概況

1.1 天津地鐵3號線天津站站～金獅橋站區(qū)間概況

天津站站—金獅橋站區(qū)間為雙洞單線區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片外徑6.20 m，厚度0.35 m，管片內(nèi)徑為5.50 m，環(huán)寬1.2 m。區(qū)間設(shè)計起止里程為:右DK14+668.004 ～ 右 DK15+879.5m，長 度為1 211.496 m(左線長度為1 202.379 m)。

區(qū)間設(shè)置了半徑為R=400、R=450、R=1 500的平曲線，從金獅橋站出發(fā)后區(qū)間線路依次采用30‰、9.118‰、3‰的縱坡一路下坡直至天津站站。區(qū)間隧道頂部最大埋深22.5 m，最小埋深為7.1 m。區(qū)間穿越鐵路區(qū)段平面為直線段、縱坡坡度為9.118‰。

1.2 盾構(gòu)區(qū)間線路與鐵路線路位置關(guān)系

津山鐵路為雙線鐵路，地面線，與隧道基本正交，交角為89°。隧道下穿津山鐵路時的埋深約17.8 m，下穿鐵路段長約22 m。天津站站～金獅橋站區(qū)間下穿津山鐵路的平、縱斷面關(guān)系，如圖1、圖2所示。

京津城際為雙線鐵路，在地面以上有高約5 m的路基，路基頂寬13.4 m，底寬27.0 m，采用CFG樁對基底進(jìn)行了加固處理，CFG樁長14.5 m，樁底端距離隧道結(jié)構(gòu)頂約為2 m。樁上依次為15 cm厚碎石墊層、1.5～2.8 m厚填土、1.9 m厚AB組土和0.6 m厚級配碎石。鐵路與隧道基本正交，交角為86°。隧道下穿京津城際時的埋深約21.3 m，下穿鐵路段長約22 m。天津站站～金獅橋站區(qū)間下穿京津城際的平、縱斷面關(guān)系，如圖1、圖2所示。

1.3 施工步序

區(qū)間采用兩臺盾構(gòu)機(jī)一前一后從金獅橋站始發(fā)向天津站站方向掘進(jìn)施工，左線盾構(gòu)率先下穿既有鐵路完成后，右線盾構(gòu)始發(fā)，直至穿越風(fēng)險地段。

盾構(gòu)下穿既有鐵路段，線路處于直線上，掘進(jìn)前進(jìn)方向?yàn)?.118‰的下坡。推進(jìn)速度控制在30～40 mm/min，同步注漿量不小于5.5 m3，二次跟蹤注漿控制在脫出盾尾4～5環(huán)范圍，單次注入每環(huán)不少于1 m3，同時根據(jù)沉降變化情況及時進(jìn)行補(bǔ)充注漿。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間下穿京津城際、津山鐵路平面示意

圖2 盾構(gòu)區(qū)間下穿京津城際、津山鐵路縱斷面示意(單位:m)

2 工程地質(zhì)、水文概況

2.1 地質(zhì)巖性

區(qū)間范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層(人工堆積Qml)、新近沉積層(第四系全新統(tǒng)新近沉積層Q43Nal)、第Ⅰ陸相層(第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積Q43al)、第Ⅰ海相層(第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層Q41h、河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層(第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層(第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)、第Ⅳ陸相層(第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積Q3cal)、第Ⅲ海相層(第四系上更新統(tǒng)二組淺?！珵I海相沉積Q3bm)、第Ⅴ陸相層(第四系上更新統(tǒng)一組河床 ～河漫灘相沉積Q3aal)。

區(qū)間盾構(gòu)從金獅橋站向天津站站方向掘進(jìn)過程中穿越的地層主要為:⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2粉土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦2粉土、⑦4粉砂。津山鐵路和京津城際鐵路處所處地層主要為:⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2粉土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦4粉砂層。

2.2 水文條件

區(qū)間內(nèi)表層地下水類型為第四系孔隙潛水;賦存于第Ⅱ陸相層中及其以下粉砂及粉土層中的地下水具有微承壓性，為微承壓水。

地下水的溫度，埋深在5 m范圍內(nèi)隨氣溫變化，5 m以下隨深度略有遞增，一般為14～16℃。

潛水主要賦存于人工填土層①1雜填土、第Ⅰ陸相層③層及第Ⅰ海相層④層中的黏性土及粉土中，該水層以⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土為相對隔水底板。人工填土層為①1雜填土和①2素填土，土體結(jié)構(gòu)松散，含水量豐富，土層滲透系數(shù)大。第Ⅰ陸相層局部缺失，以③2粉土為主，土體滲透性能較好，土層滲透系數(shù)較大。第Ⅰ海相層主要含水層為④2粉土。④1粉質(zhì)黏土中夾有大量粉土薄層，儲水量較大，但出水量較小，垂直、水平方向滲透系數(shù)差異較大。

潛水地下水位埋藏較淺，勘測期間水位埋深約為1.1～3.2 m(高程0.20～1.44 m)。潛水主要依靠大氣降水入滲和地表水體入滲補(bǔ)給，水位具有明顯的豐、枯水期變化，受季節(jié)影響明顯。地下水豐水期水位上升，枯水期水位下降。高水位期出現(xiàn)在雨季后期的9月份，低水位期出現(xiàn)在干旱少雨的4～5月份。潛水位年變化幅度的多年平均值約0.8 m。

微承壓水以第Ⅱ陸相層⑤1粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土為隔水頂板。⑥2粉土、⑥4粉砂、⑦2粉土、⑦4粉砂、⑦6粉土、⑦8粉砂、⑦9細(xì)砂、⑧4粉砂為主要含水地層，含水層厚度較大，分布相對穩(wěn)定。微承壓水水位受季節(jié)影響不大，水位變化幅度小。該層微承壓水接受上層潛水的越流補(bǔ)給，同時以滲流的方式補(bǔ)給深層地下水。該層微承壓水為非典型的承壓水，水位觀測初期，該層水上升很快，一般在30 min之內(nèi)既完成全部上升高度的80%左右，30 min之后，水位上升速度變緩慢，經(jīng)過24 h之后，穩(wěn)定水位一般穩(wěn)定于潛水位之下?？睖y期間對第Ⅲ陸相層及第Ⅳ陸相層的微承壓水進(jìn)行了穩(wěn)定水位觀測，水位埋深分別約為2.93 m(高程為-0.17 m)和5.30 m(高程為-2.54 m)。其承壓水頭為隔水頂板到穩(wěn)定水位距離。

潛水、微承壓水含水層含水介質(zhì)顆粒較細(xì)，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。

經(jīng)取水樣試驗(yàn)分析，潛水對混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具中等腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性;微承壓水對混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，對混凝土中鋼筋不具腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

3 盾構(gòu)下穿鐵路地表沉降計算

3.1 分析計算的思路及原則

采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型，模擬盾構(gòu)下穿既有鐵路工程的情況，分析盾構(gòu)通過后鐵路路基沉降的變化。

3.2 模型計算

3.2.1 模型范圍

根據(jù)地鐵3號線區(qū)間隧道與既有鐵路線間的位置關(guān)系，依據(jù)有關(guān)規(guī)范要求及以往經(jīng)驗(yàn)，考慮減少數(shù)值模型中邊界條件對計算結(jié)果產(chǎn)生的不利影響，確保計算結(jié)果的可信性，評估范圍在地鐵區(qū)間隧道水平方向?qū)挾热?4 m，在豎直方向上取41 m，線路縱向取102 m，隧道埋深取17 m(為簡化設(shè)計模型，結(jié)合地層地質(zhì)情況，保守選取下穿影響范圍內(nèi)的埋深較小值)，隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)各取22 m。具體計算模型參見圖3。

圖3 計算模型

3.2.2 計算參數(shù)

數(shù)值模型中的地層劃分及土體力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。

表1 計算參數(shù)取值

3.2.3 盾構(gòu)隧道施工模擬

(1)單元體及本構(gòu)模型的選用:本模型土層和CFG樁加固層采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，盾構(gòu)管片、管片后注漿層、盾殼采用彈性本構(gòu)模型。

(2)鐵路路基及列車荷載的模擬:根據(jù)規(guī)范要求，按照換算土柱高度產(chǎn)生的自重沿鐵路線加載到地表上。

(3)盾構(gòu)管片、管片后注漿層、盾殼的模擬:盾構(gòu)管片、管片后注漿層分別采用兩層厚度不同的環(huán)形實(shí)體單元模擬。其中管片厚350 mm，注漿層厚150 mm。此外，為了模擬盾構(gòu)機(jī)在隧道內(nèi)的推進(jìn)，借用開挖面與盾尾之間的注漿層單元來模擬盾構(gòu)機(jī)的盾殼。細(xì)部詳見圖4，圖中綠色環(huán)形單元為管片單元，橙色環(huán)形單元為注漿層和盾殼單元。

(4)施工前初始階段模擬:令模型在自重及列車荷載作用下平衡并產(chǎn)生初始應(yīng)力場，并把各節(jié)點(diǎn)位移清零。

(5)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程模擬:盾構(gòu)機(jī)長取9.4 m，每一步推進(jìn)為1個管片的寬度(1.2 m)，盾構(gòu)機(jī)對開挖面的土艙壓力取值約等于隧道開挖面中心處靜止土壓力。

(6)管片安裝時盾尾空隙的模擬:當(dāng)盾構(gòu)機(jī)全部進(jìn)入土體后，在盾構(gòu)機(jī)尾部滯后一個管片寬的長度位置實(shí)施管片安裝及管片背后注漿的模擬。

(7)監(jiān)測點(diǎn)布置在隧道下穿影響范圍內(nèi)的既有鐵路中線上，監(jiān)測總長度約為60 m。

3.2.4 計算結(jié)果分析

盾構(gòu)先掘進(jìn)左線，后掘進(jìn)右線，計算所得雙線開挖完成后沿既有鐵路方向地表的沉降槽云圖和沉降值曲線，如圖5、圖6所示。

如圖5、圖6所示，沿鐵路方向，地表最大沉降發(fā)生在兩隧道對稱面與鐵路路基交線位置處，京津城際鐵路和津山鐵路的最大沉降值分別為7.3 mm和6.91 mm。

圖6 沿津山鐵路方向地表沉降

4 結(jié)論和建議

4.1 施工過程對既有鐵路控制指標(biāo)

為確保既有京津城際、津山鐵路的正常運(yùn)營安全，正線軌道靜態(tài)平順度鋪設(shè)精度應(yīng)滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》、《新建時速300～350 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》及《鐵路軌道設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。在地鐵施工過程中，京津城際及津山鐵路的路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)為:地面沉降值8 mm，地表隆起值0 mm，地表沉降速率不大于1 mm/d。軌道的靜態(tài)變形控制標(biāo)準(zhǔn)按表2、表3執(zhí)行。

表2 施工過程中京津城際軌道靜態(tài)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

表3 施工過程中津山鐵路軌道靜態(tài)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

4.2 區(qū)間下穿鐵路沉降評估分析

(1)由理論模型所計算得出的既有線路沉降值，符合經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范要求。

(2)盾構(gòu)區(qū)間下穿津山鐵路的覆土深度達(dá)到17.8 m，下穿京津城際的覆土深度達(dá)到21.3 m，深度較大，地面沉降控制相對容易，沉降量相對較小。

(3)針對已超過差異沉降限值(表2、表3)的局部地段，需及時跟蹤，調(diào)整軌道的平順度，保證鐵路的正常運(yùn)營安全。

4.3 施工注意事項

(1)盾構(gòu)機(jī)下穿鐵路前，應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面檢查、維修和保養(yǎng)，使盾構(gòu)機(jī)及后配套系統(tǒng)的工作處于良好和受控狀態(tài)。

(2)下穿鐵路段地下水具微承壓性，在進(jìn)行該段盾構(gòu)的掘進(jìn)施工時，應(yīng)考慮向土倉內(nèi)注入泡沫劑、膨潤土等以提高渣土的流動性和止水性。同時在螺旋輸送機(jī)出口栓接保壓泵渣裝置建立土壓平衡狀態(tài)，并加強(qiáng)盾尾密封油脂注入，避免地下水壓力過大而在螺旋輸送機(jī)出口發(fā)生噴涌及盾尾密封、鉸接密封處發(fā)生涌水、突泥。

(3)確定合理的盾構(gòu)施工參數(shù)。在施工中，應(yīng)根據(jù)地面監(jiān)測情況，不斷優(yōu)化盾構(gòu)施工的各種技術(shù)參數(shù)，確定合理的推進(jìn)速度、土倉壓力、出土量等。保證盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中的定位走向與設(shè)計軸線盡可能一致，減小盾構(gòu)糾偏量。在管片拼裝時，要嚴(yán)防盾構(gòu)后退。

(4)地鐵盾構(gòu)施工應(yīng)采用同步注漿和二次注漿技術(shù)。要根據(jù)實(shí)際情況，嚴(yán)格控制同步注漿及二次注漿的注漿時間、注漿壓力和注漿量，及時填充盾尾孔隙并加固管片周圍地層。同步注漿和二次注漿是控制地表沉降的主要手段，對抑制施工變形效果良好。

(5)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，施工中必須建立“數(shù)據(jù)收集—信息處理—工程評價反饋系統(tǒng)”。對監(jiān)測數(shù)據(jù)必須及時整理分析，具備實(shí)時分析數(shù)據(jù)、綜合利用數(shù)據(jù)的能力。并依據(jù)信息的使用效果提供工程評價，并及時調(diào)整施工參數(shù)和施工工藝。

(6)施工期間繼續(xù)對既有結(jié)構(gòu)、鐵路線路、軌道進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)發(fā)現(xiàn)危險征兆且難于控制時，應(yīng)立即啟動應(yīng)急預(yù)案。

(7)預(yù)備石砟，當(dāng)沉降量超過限值，應(yīng)立即鋪砟調(diào)整軌道高度。

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