城市地鐵下穿鐵路施工安全及沉降控制方法分析

李紅福

摘 要：隨著如今城市建設(shè)的日益加速和交通需求的不斷擴(kuò)容，地鐵下穿鐵路工程已經(jīng)成為了城市緩解交通擁擠環(huán)境的新途徑。但是地鐵的施工同時(shí)也會(huì)帶來(lái)地表沉降的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能造成地上地下交通安全的雙重風(fēng)險(xiǎn)。所以文章希望采用盾構(gòu)法來(lái)為北京市某地下鐵路隧道外的地表沉降進(jìn)行技術(shù)監(jiān)測(cè)分析，并尋求優(yōu)化施工，控制沉降的方法。

關(guān)鍵詞：地鐵下穿鐵路；盾構(gòu)法；沉降控制；地表變形監(jiān)測(cè)；北京市

城市地鐵下穿鐵路施工的方法有很多，比如礦山法、明挖法、新奧法以及盾構(gòu)法，其中盾構(gòu)法是比較迎合于近年來(lái)高精密導(dǎo)向技術(shù)與地下掘進(jìn)技術(shù)的新施工方法，它既不受到地鐵地表周邊建筑物的影響，也不受限于氣候變化，而且由于采用了絕大部分自動(dòng)化操作，成洞效率高，沉降控制效果好，所以越來(lái)越被城市地下隧道施工項(xiàng)目所廣泛應(yīng)用。

1 基于北京市地鐵下穿鐵路施工項(xiàng)目的盾構(gòu)法及地表沉降監(jiān)測(cè)分析

1.1 概念

盾構(gòu)法是基于一根圓柱體組件對(duì)地下隧洞沿軸線所進(jìn)行的土壤深度挖掘。專業(yè)領(lǐng)域中將這一圓柱體組件的外保護(hù)殼體叫做護(hù)盾，它可以臨時(shí)支撐那些正在被挖掘卻還未能襯砌的隧洞段，幫助隧洞承受來(lái)自周圍土層的壓力，同時(shí)也承受來(lái)自于地下水的壓力，因此地下隧道的排土、挖掘和襯砌等作業(yè)都是在盾構(gòu)法的護(hù)盾掩護(hù)下所完成的。利用盾構(gòu)法施工的主要特點(diǎn)就是能夠快速穩(wěn)定開挖面，這對(duì)后期控制地表沉降是有很大幫助的。

1.2 北京市地鐵下穿鐵路施工項(xiàng)目基本概況

北京市地鐵此次工程最大揭露地層深度為50m，并根據(jù)地層沉積程度、年代及成因類型進(jìn)行了勘探范圍的分析，分析結(jié)果其地下底板應(yīng)該位于粉土層中。另外，此次項(xiàng)目所采用的混凝土結(jié)構(gòu)都是無(wú)腐蝕性的，尤其是針對(duì)鋼筋混凝土和所有地下鐵下穿鐵路的剛性結(jié)構(gòu)都是弱腐蝕性，而且此次工程不會(huì)涉及到地下水層。

1.3 基于盾構(gòu)法的地表沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

上文提到，地鐵下穿隧道的修建會(huì)引起地層移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致地表不同程度的沉降，它包括了隧道開挖、注漿、盾構(gòu)姿態(tài)定位、隧道自重、上覆荷載為地下隧道所帶來(lái)的壓力。所以在采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)要注意對(duì)地層的實(shí)時(shí)變化觀測(cè)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案，避免地表沉降超出控制范圍，確保地下隧道結(jié)構(gòu)的基本穩(wěn)定，所以文章基于此理論對(duì)北京市某地鐵下穿隧道進(jìn)行全面分析。

1.3.1 選擇監(jiān)測(cè)斷面

根據(jù)北京市該段地鐵的實(shí)際情況，再基于盾構(gòu)法的鐵路隧道地表監(jiān)測(cè)斷面選擇要基于工程的實(shí)際需要、地質(zhì)條件與施工條件等等。而且，地表監(jiān)測(cè)斷面的選擇還需要考慮到時(shí)空關(guān)系，即所監(jiān)測(cè)重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)面、監(jiān)測(cè)網(wǎng)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)要形成一個(gè)整體的系統(tǒng)，通過(guò)以點(diǎn)帶面的方式來(lái)控制地鐵工程中的每一個(gè)關(guān)鍵部位。

在使用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行北京市地鐵隧道開挖與加固土體時(shí)一定會(huì)對(duì)地層有所擾動(dòng)，當(dāng)進(jìn)行盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，某些地表地段也會(huì)發(fā)生土體坍塌，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐纱竺娣e地表沉降，危及地面建筑以及地下管線的安全。所以考慮到盾構(gòu)推進(jìn)所造成的較大土層變形，就要為地表土層建立較為穩(wěn)定的土壓平衡結(jié)構(gòu)，在盾構(gòu)法實(shí)施起點(diǎn)到終點(diǎn)這一段要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并且確保對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距與測(cè)試頻率進(jìn)行加密。文章主要針對(duì)地鐵下穿隧道施工的橫向地表沉降進(jìn)行分析。

1.3.2 橫向地表的沉降分析

一般來(lái)說(shuō)，地表沉降的橫向分布是較為顯著的，所以在對(duì)利用了盾構(gòu)推進(jìn)的地鐵隧道施工路段進(jìn)行分析，就可以對(duì)它所產(chǎn)生的沉降進(jìn)行實(shí)測(cè)，并尋求合理預(yù)測(cè)橫向沉降的正確計(jì)算方法。文章所參考的是背景某中央大街路段的地鐵隧道施工，該路段屬于交通繁忙區(qū)域，地下管線也相對(duì)復(fù)雜密集，兩側(cè)建筑物眾多，在實(shí)際中截取一段利用盾構(gòu)推進(jìn)的路段區(qū)間進(jìn)行橫向地表的沉降分析。

采用Peck公式對(duì)該路段進(jìn)行盾構(gòu)隧道的地面最大沉降量計(jì)算，首先要考慮到地層損失的取值，如表1。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，選取了該施工所處的V1路段，其中V1取值1.0%，而R取值為3m，據(jù)測(cè)量該路段的隧道埋深為8～14m，所以就可以推算Vs：

Vs=V1πR2=0.28m3/m

再根據(jù)地質(zhì)條件與埋深，假設(shè)φ為20°，所以就有：

i==kz=0.64Z=4.77mm～8.23m

所以可推算；

Smax==15.25mm～27.5mm

上述即為北京市該地表路段地層損失的取值，基于盾構(gòu)之前地表沉降量的估算取值。而當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)到中央大街建筑較為密集的路段之后，就要通過(guò)實(shí)際地層損失監(jiān)測(cè)來(lái)控制地面沉降值。據(jù)考察，該路段隧道由于盾構(gòu)推進(jìn)所引起的地表橫向沉降槽寬度大約為20～40m，而且沉降值兩側(cè)距離軸線3m處具有低于標(biāo)準(zhǔn)地面高度50%左右的沉降量，這一沉降量在距離地表盾構(gòu)推進(jìn)軸線6m處則有30%。同時(shí)，在盾尾處出現(xiàn)了漏漿現(xiàn)象，需要在施工中采用一些沉降控制手段來(lái)對(duì)該路段地表沉降進(jìn)行控制。

2 北京市地鐵盾構(gòu)掘進(jìn)路段地表沉降的控制方法研究

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)土壓力的選擇分析

在該工程的盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，開挖面的水平支護(hù)應(yīng)力可能小于地層的原始側(cè)向應(yīng)力，尤其是文章中的監(jiān)測(cè)路段由于受到開挖面土體的擾動(dòng)而出現(xiàn)了負(fù)地層損失，導(dǎo)致該路段的盾構(gòu)上方土體隆起。這是由于盾構(gòu)掘進(jìn)所形成的土壓力大于被動(dòng)土壓力，因此要對(duì)土壓力進(jìn)行管控。本工程基于盾構(gòu)施工原理和朗金理論，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)所產(chǎn)生的土壓力進(jìn)行了計(jì)算，這里給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算公式：

σ=k×vh

由于此工程所在路段屬于砂土地質(zhì)，所以k值一般取值在0.8～1.2范圍內(nèi)。然后按照朗金理論對(duì)開挖面的土壓力進(jìn)行計(jì)算，確定其基于開挖面所產(chǎn)生的地層移動(dòng)及變形。

另外，如果在該地鐵工程中施工中出現(xiàn)了被動(dòng)土壓力小于土壓力的狀況，很可能由于隧道埋深不大而造成土體向下滑移，出現(xiàn)地表沉陷狀況。這時(shí)應(yīng)該考慮加大施工時(shí)的盾構(gòu)推進(jìn)力，保證它大于靜土壓力，讓其產(chǎn)生向前方向的滑移和變形，這樣做也能一定程度的降低地表沉降。但是盾構(gòu)推進(jìn)力的加大必然會(huì)增加掘進(jìn)扭矩，提高盾構(gòu)機(jī)的功率增加，造成工程成本的提升，所以應(yīng)該為盾構(gòu)掘進(jìn)尋找一個(gè)穩(wěn)定適中的平衡控制點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)路段地表沉降的力度并加大信息反饋力度，更重要的是加快出渣速度而適當(dāng)降低盾構(gòu)推進(jìn)力，從而降低地表隆起，減小出渣量，提升正面掘進(jìn)壓力。如此一來(lái)開挖面也會(huì)相對(duì)穩(wěn)定下來(lái)，從而使地表沉降被控制住。

2.2 壁后注漿分析

壁后注漿可以防止因?yàn)槎芪菜鶎?dǎo)致的地下隧道周圍圍巖及地表土層的移動(dòng)變位，從而控制地表沉降。此次工程選擇了這種方法來(lái)對(duì)提升隧道的止水性，確保注漿后能達(dá)到地層的快速穩(wěn)定。

考慮到盾構(gòu)掘進(jìn)的幅度，此次工程防沉降主要采用二次注漿。二次注漿可以提升壁厚注漿層的防水性與密實(shí)均勻性。注漿的另一個(gè)目的也是希望隧道管片能夠與周圍土體形成較為完整的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以在盾構(gòu)掘進(jìn)移動(dòng)過(guò)程中不斷對(duì)隧道管片進(jìn)行注漿。當(dāng)一次注漿完畢后，待到漿液凝固并形成較高強(qiáng)度時(shí)開始二次注漿。二次注漿主要是為了彌補(bǔ)一次注漿可能出現(xiàn)的同步缺陷，起到填充和補(bǔ)充的作用。隨后要進(jìn)行同步注漿，其壓力設(shè)定在1.2～1.4倍靜止土壓力，保證注漿壓力在0.2～0.5MPa，而注漿量在設(shè)置在理論注漿量的2倍左右，同時(shí)邊注漿邊觀測(cè)地表沉降變化，隨時(shí)做出調(diào)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，地鐵下穿隧道施工對(duì)地層所造成的損失和擾動(dòng)是很大的，所以盾構(gòu)法也應(yīng)該是現(xiàn)階段軟弱地層中修建地鐵隧道最好的防沉降方法之一。隨著城市交通建設(shè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)法也有機(jī)會(huì)被應(yīng)用于更多的施工環(huán)境之下，而盾構(gòu)法施工條件的多變性、它為地下隧道修建所帶來(lái)的安全穩(wěn)定性問(wèn)題，也會(huì)一直成為業(yè)界議論研究的焦點(diǎn)。

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