盾構(gòu)隧道下穿城鐵地面線施工風(fēng)險分析及對策研究

曲 強,于鶴然

(1.中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，各大城市逐步建立起了各自的地鐵網(wǎng)絡(luò)，起步比較早的城市正實現(xiàn)線路由疏到密的轉(zhuǎn)變。地鐵線路往往規(guī)劃在城市中心繁華地帶，選線自由度較低，地面、地下環(huán)境錯綜復(fù)雜，施工過程中經(jīng)常遇到隧道工程近接各種建筑物、構(gòu)筑物、鐵路及管線等施工風(fēng)險[1，2]，這些風(fēng)險源是否采取了合理、有效的保護(hù)措施是整個工程成敗的關(guān)鍵。本文依托于北京地鐵8號線霍營站至育新站區(qū)間下穿城鐵13號線既有線風(fēng)險工程，對地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有城鐵地面線路施工風(fēng)險及對策進(jìn)行了分析和探討。

1 工程概況

新建隧道起點位于霍營站南端，沿規(guī)劃的黃平東路、西三旗東路向西南方向行進(jìn)，其后向南偏轉(zhuǎn)前行接入育新站，采用盾構(gòu)法施工，起訖里程Y(Z)DK1+617.932～Y(Z)DK3+304.203，線間距10.0～15.0 m。區(qū)間由東北向西南下穿城鐵13號線，該段城鐵線路為地面線直線段，與盾構(gòu)區(qū)間成37.69°交角，線間距5 m，路基與地面相平，為有砟道床，采用第三軌供電方式，城鐵路基與隧道結(jié)構(gòu)頂凈距10.5 m。13號線黃平東路橋梁位于盾構(gòu)下穿影響范圍內(nèi)，隧道外邊緣距橋樁最小平面距離7.3 m。隧道與既有線線路位置關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 盾構(gòu)隧道與既有城鐵地面線平面位置關(guān)系

圖2 盾構(gòu)隧道與既有城鐵位置關(guān)系立面(單位：mm)

根據(jù)勘察資料，在城鐵影響深度范圍內(nèi)揭露了3層地下水，自上至下分別為臺地潛水、層間潛水和層間潛水～承壓水。城鐵路基以下土層依次為人工填土、黏性土、粉土、砂類土層，地質(zhì)條件較為軟弱。

2 施工方案分析

鑒于城鐵路基下方土層主要為粉質(zhì)黏土、黏性土，注漿可灌性差，注漿加固地層難以取得理想的效果；另外，由于城鐵采用第三軌供電方式，無法實施鐵路上常用的扣軌加固措施。在以上2種提高既有線路基、軌道剛度的措施均無法實施的情況下，經(jīng)周密論證，擬采用地面與洞內(nèi)結(jié)合的加固措施，即在地面對城鐵13號線線路設(shè)置防脫護(hù)軌，并利用天窗時間增減道砟來調(diào)整軌道變形，洞內(nèi)采取控制土倉壓力、掘進(jìn)速度、出土量，并及時進(jìn)行同步注漿等防護(hù)措施，同時加強監(jiān)控量測，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及時反饋并指導(dǎo)后續(xù)施工。

按照《北京地鐵工務(wù)維修規(guī)則》[3]，碎石道床的軌道高低允許偏差控制值計劃維修為4 mm，經(jīng)常保養(yǎng)為7 mm。參照以上標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)經(jīng)驗[3]，對盾構(gòu)施工階段城鐵13號線的道床沉降、軌道變形提出控制標(biāo)準(zhǔn)，控制值見表1。

表1 城鐵13號線道床、軌道控制指標(biāo)建議值

注：由于軌道變形可以由增減道砟進(jìn)行調(diào)整，7 mm為調(diào)整前報警值，4 mm為最終控制目標(biāo)。

基于以上方案分析及變形控制標(biāo)準(zhǔn)，為保證盾構(gòu)下穿施工階段城鐵13號線運營及盾構(gòu)隧道工程自身的安全，對盾構(gòu)掘進(jìn)施工及城鐵13號線分別采取如下施工對策。

2.1 盾構(gòu)施工方面

(1)在進(jìn)入風(fēng)險源范圍前需進(jìn)行試驗段，根據(jù)實測監(jiān)測數(shù)據(jù)評估變形趨勢，調(diào)整與開挖地層相適應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)、同步注漿、二次注漿及外加劑的材料及壓力，使盾構(gòu)在下穿城鐵13號線掘進(jìn)時能夠有效控制地面沉降及隆起。設(shè)定合理的掘進(jìn)速度和相匹配的排渣土量以保證土倉內(nèi)壓力與作業(yè)面平衡穩(wěn)定，并在盾尾空隙及時進(jìn)行同步注漿是防止地面沉降的重要因素。此外，對下穿段進(jìn)行二次補強注漿可以補充部分未填充的空腔，提高管片背后土體密實度，對盾構(gòu)通過后產(chǎn)生的土體沉降有較好的控制作用。施工參數(shù)建議值如下：倉內(nèi)土壓控制在0.09～0.12 MPa；掘進(jìn)速度控制在35 mm/min；出土量控制在理論值的95%左右；同步注漿壓力為0.1～0.2 MPa，漿液總注入率不小于200%，二次注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

(2)施工前應(yīng)對下穿區(qū)洞外土體密實度及空洞進(jìn)行探測。

(3)加注發(fā)泡劑或水等潤滑劑，減少刀盤所受扭矩，降低總推力。

(4)作好穿越前的準(zhǔn)備工作，嚴(yán)禁在下穿城鐵13號線時發(fā)生停機(jī)調(diào)試、開倉換刀等現(xiàn)象。

2.2 在城鐵13號線的線路保護(hù)方面

(1)在盾構(gòu)掘進(jìn)前，對盾構(gòu)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)的13號線線路進(jìn)行檢查及預(yù)調(diào)整，對穿越范圍內(nèi)城鐵13號線設(shè)置防脫護(hù)軌。

(2)在盾構(gòu)穿越期間對道岔進(jìn)行臨時鎖閉，盾構(gòu)穿越過后進(jìn)行解除。

(3)下穿過程中應(yīng)對13號線進(jìn)行實時監(jiān)測，嚴(yán)格控制道床及軌道的沉降變形在允許范圍之內(nèi)，當(dāng)城鐵13號線運營過程中變形趨勢處于安全可控狀態(tài)時，可利用天窗時間及時補填道砟并搗密。

(4)穿越后應(yīng)進(jìn)行工后評估，對13號線線路進(jìn)行應(yīng)力放散等調(diào)試工作，確保城鐵13號線的正常使用和營運安全。

3 施工及監(jiān)測

本區(qū)間隧道擬采用2臺德國海瑞克加泥式土壓平衡盾構(gòu)，均從霍營站向育新站掘進(jìn)。相關(guān)預(yù)案、方案及前期措施實施后，霍～西區(qū)間開始該項特級風(fēng)險工程施工。左線盾構(gòu)于2010年12月12日開始進(jìn)入城鐵影響區(qū)，12月16日盾尾完全通過影響范圍。至12月31日，左線盾構(gòu)已通過城鐵區(qū)域約283 m，右線盾構(gòu)開始進(jìn)入城鐵影響區(qū)，至2011年1月3日止，該風(fēng)險工程穿越完畢。在施工期間，采用常規(guī)沉降及城鐵路基沉降自動化監(jiān)測相結(jié)合的方式；盾構(gòu)穿越期間，采用常規(guī)沉降監(jiān)測方式；并應(yīng)用盾構(gòu)施工實時監(jiān)控系統(tǒng)，最大限度地實現(xiàn)利用監(jiān)控量測的反饋指導(dǎo)施工的目的。路基沉降監(jiān)測點布置見圖3。

圖3 城鐵13號線路基沉降監(jiān)測點布置平面(單位：m)

限于篇幅，本文僅對城鐵上行軌道路基沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

左線盾構(gòu)穿越城鐵上行軌道ZJ01～ZJ05 5個測點的實時變形情況如圖4所示。

圖4 左線盾構(gòu)穿越期間城鐵(上行)路基沉降時程曲線

2010年12月13日約14時盾構(gòu)推進(jìn)68環(huán)時，測點開始表現(xiàn)出明顯的下沉趨勢，即刀盤到達(dá)前約6 m范圍內(nèi)土體受擾。14日約凌晨1點時，盾構(gòu)推進(jìn)第73環(huán)，刀盤到達(dá)上行軌道邊緣位置即ZJ04處，測點ZJ04急劇下沉，隨后盾構(gòu)機(jī)身通過中及盾尾脫出過程中測點沉降值持續(xù)增大，直至18時(推進(jìn)84環(huán)，盾尾脫出該點約4 m)急劇變形階段結(jié)束，測點變形呈微量增長，漸趨穩(wěn)定。另外還可發(fā)現(xiàn)，城鐵路基沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)刀盤到達(dá)前6 m至盾尾脫出后4 m的施工過程中，左線盾構(gòu)隧道正上方測點ZJ04變形最為顯著，隨著距隧道中心距離的加大，測點變形逐漸減小。

當(dāng)盾構(gòu)在土砂復(fù)合地層中施工時，為削弱粉砂層的摩阻力和粉質(zhì)黏土的黏附作用，推進(jìn)過程中添加了泡沫等材料進(jìn)行土質(zhì)改良，增加土體的塑流性，并起到減阻、降溫、潤滑的作用。泡沫壓力容易建立，也容易消散，從盾構(gòu)施工實時管理信息系統(tǒng)所記錄的土壓力監(jiān)測結(jié)果可以看出，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至73環(huán)后，土壓力波動頻率增大，且數(shù)值曲線整體下移，多處均值已經(jīng)低于設(shè)計要求的最小土壓閾值0.09 MPa，如圖5所示，此處土壓力整體降低和劇烈波動是地表監(jiān)測點劇烈下沉的直接原因。

圖5 左線盾構(gòu)下穿城軌上行軌道過程中土壓力監(jiān)測結(jié)果

基于左線盾構(gòu)穿越引起的路基沉降已基本穩(wěn)定，12月31日起，右線盾構(gòu)開始進(jìn)入影響范圍。

本階段主要造成線路中心測點ZJ02明顯沉降；位于左右線疊加擾動區(qū)域的ZJ03測點受擾幅度較輕，盾構(gòu)脫出后仍有小幅度變形；位于城鐵橋一側(cè)的測點ZJ01未出現(xiàn)明顯變形，在左線下穿施工經(jīng)驗的指導(dǎo)下，右線下穿施工加大了對盾構(gòu)土壓的控制力度，如圖6所示，土壓略高于左線，整體處于0.06～0.14 MPa之間，把均值穩(wěn)定在了設(shè)計值范圍內(nèi)，對地面路基的沉降控制效果明顯優(yōu)于左線。右線穿越階段城鐵上行路基沉降測點變形情況見圖7。

圖6 右線盾構(gòu)下穿城軌上行軌道過程中土壓力監(jiān)測結(jié)果

圖7 右線盾構(gòu)穿越期間城鐵(上行)路基沉降時程曲線

雙線盾構(gòu)推進(jìn)后，測點進(jìn)入緩慢的后續(xù)變形，該階段變形幅度較小，測點變形基本穩(wěn)定。

截至2011年4月，城鐵路基沉降情況見表2。除ZJ04點外，其余各點均在控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

表2 城鐵13號線路基沉降情況

受路基沉降的直接影響，左線盾構(gòu)通過后，位于影響區(qū)域內(nèi)的個別軌道沉降測點累計沉降超過控制值而報警，其中位于城鐵下行軌道與左線盾構(gòu)隧道平面交點處的測點13TL-37-1表現(xiàn)為最大值，達(dá)到了8.10 mm。自左線盾構(gòu)12月15～16日穿越下行軌道起，從刀盤到達(dá)前至盾尾離開該測點持續(xù)變形，測點沉降量、日沉降速率雙控指標(biāo)均已超限，且與隨著盾構(gòu)通過該區(qū)域，急劇變形終止。17日起進(jìn)入后續(xù)變形階段，盾構(gòu)穿越后的變形幅度較小，穩(wěn)定時間較短。

鑒于路基沉降個別測點沉降值超過控制值，為不影響城鐵13號線的正常運行，施工單位及時對道床進(jìn)行了搗固，并利用下一次天窗時間對軌道高程進(jìn)行了調(diào)整。為準(zhǔn)確計量右線盾構(gòu)推進(jìn)對軌道等的影響，待各項監(jiān)測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，對軌道沉降進(jìn)行了歸零處理。

與路基沉降規(guī)律一致，右線盾構(gòu)通過對城鐵軌道沉降的影響明顯輕于左線，最大點沉降值3.48 mm，變形在可控范圍內(nèi)。兩盾構(gòu)隧道通過后，城鐵軌道最終最大沉降值3.89 mm，小于軌道變形控制標(biāo)準(zhǔn)值。

城鐵橋影響范圍布設(shè)的8個橋墩沉降監(jiān)測點在盾構(gòu)穿越期間沉降變形均在可控范圍內(nèi)，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 城鐵橋沉降情況

4 結(jié)論

(1)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，粉質(zhì)黏土地層條件下，淺埋地鐵盾構(gòu)隧道施工對地表沉降的主要影響范圍約從刀盤前6 m處左右開始，至盾尾脫出后4 m結(jié)束。

(2)盾構(gòu)施工中為土質(zhì)改良所加泡沫等材料，壓力容易建立，也容易消散，所造成的土壓劇烈波動和均值降低是地表的沉降變形的主要原因之一。

(3)粉質(zhì)黏土地層盾構(gòu)施工中，在無法進(jìn)行地表注漿及扣軌操作的情況下，通過調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)、設(shè)置防脫護(hù)軌及通過增減道砟控制軌道變形，可以實現(xiàn)既有線路運營不受干擾，通車安全性得到了保障。

(4)盾構(gòu)施工的實時監(jiān)控量測是指導(dǎo)施工的重要措施，對工程建設(shè)信息化管理具有重要的研究及實踐意義，也是及時進(jìn)行維修搗固、保證城鐵正常運行的主要依據(jù)。

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