黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿隴海鐵路及金花隧道的施工安全控制技術(shù)

張 寧 任建喜

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安; 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者，工程師)

黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿隴海鐵路及金花隧道的施工安全控制技術(shù)

張 寧1任建喜2

(1.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安; 2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,710054,西安∥第一作者，工程師)

以西安地鐵3號(hào)線胡家站—石家街站區(qū)間盾構(gòu)下穿隴海鐵路及金花隧道工程為例，研究相關(guān)的盾構(gòu)施工安全措施。隴海鐵路路基采用注漿加固，線路鋼軌采用扣軌加固，盾構(gòu)下穿隴海鐵路施工時(shí)密切監(jiān)測(cè)沉降數(shù)量。工程施工實(shí)測(cè)結(jié)果表明,由于采取了合理的掘進(jìn)參數(shù)及地表加固措施,盾構(gòu)安全下穿了隴海鐵路及金花隧道。

地鐵; 黃土盾構(gòu); 盾構(gòu)下穿鐵路; 安全控制技術(shù)

有關(guān)黃土盾構(gòu)下穿既有建(構(gòu))筑物變形規(guī)律的研究一直是地鐵盾構(gòu)隧道施工安全技術(shù)問題之一。而如何降低黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿既有建(構(gòu))筑物施工帶來的地表沉降及地層位移是保證盾構(gòu)施工安全的關(guān)鍵技術(shù)問題。本文以西安地鐵3號(hào)線胡家廟—石家街區(qū)間盾構(gòu)下穿隴海線及金花隧道為工程背景,采用風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及地面沉降分析等方法研究黃土地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工安全控制技術(shù),目的是為盾構(gòu)隧道安全通過隴海線及金花隧道提供必要的技術(shù)支撐。

1 工程概況

西安地鐵3號(hào)線胡家廟站—石家街站區(qū)間(以下簡(jiǎn)為“胡石區(qū)間”)隧道盾構(gòu)自胡家廟站沿金花北路向北掘進(jìn)。胡石區(qū)間隧道在里程K32+600—K32+878.368處,其左右線分別以700 m和500 m為半徑的曲線下穿隴海鐵路及東二環(huán)金花隧道(如圖1示)。左右線盾構(gòu)隧道距二環(huán)金花隧道的最近距離分別為12.4 m和18.5 m。

圖1 盾構(gòu)與隴海鐵路線及金花隧道關(guān)系圖

胡石區(qū)間隧道下穿隴海鐵路處地層組成自上而下依次為:人工填土、新黃土(水上)、飽和軟黃土、古土壤、老黃土(水下)及粉質(zhì)黏土,局部可能存在砂層夾層。隧道穿越的地層主要為老黃土(水下)及古土壤地層,拱頂覆土厚約12.1～14.5 m。 下穿區(qū)域地下水類型主要為潛水,且主要賦存于中、上更新統(tǒng)黃土、古土壤、粉質(zhì)黏土層及砂土夾層中。場(chǎng)地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深為5.20～14.00 m(部分地段高差變化大)。含水層的厚度大于50 m,砂土夾層透水性良好。平水位期地下潛水穩(wěn)定水位埋深為10.9～12.00 m,年變幅2 m左右。地下水主要接受大氣降水、側(cè)向地下水徑流補(bǔ)給。

盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路線路過程中不可避免會(huì)造成開挖面周圍土體的擾動(dòng),進(jìn)而引起地表變形,使既有鐵路線路發(fā)生隆沉變形。確保鐵路及金花隧道運(yùn)行正常的同時(shí)使隧道順利穿越是本工程施工難點(diǎn)。由于過大的變形會(huì)影響鐵路的運(yùn)營安全,因此,在盾構(gòu)隧道下穿施工前應(yīng)對(duì)下穿隴海鐵路工程進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

胡石區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿既有鐵路工程的主要施工風(fēng)險(xiǎn)控制點(diǎn)為:鐵路正線、輔線(取送線及臨修線、整備線)、金花隧道及管線。

2 盾構(gòu)施工安全措施

2.1 隴海鐵路路基采取注漿加固

應(yīng)沿隴海線兩側(cè)對(duì)地層注漿加固，同時(shí)還應(yīng)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度與注漿壓力,以減小施工對(duì)鐵路的影響。注漿期間須對(duì)隴海鐵路進(jìn)行監(jiān)測(cè),并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整施工參數(shù),同時(shí)讓鐵路產(chǎn)權(quán)單位對(duì)既有線路及時(shí)養(yǎng)護(hù)。隴海鐵路路基下部注漿加固的工序?yàn)?

(1) 分層注漿加固的第一層采取斜孔注漿。地面與注漿孔的夾角控制在25°～30°。注漿采用水泥水玻璃的復(fù)合漿液,可縮短膠凝時(shí)間,控制擴(kuò)散范圍和注漿壓力,以降低注漿對(duì)路基基床的影響程度。

(2) 待第一層斜孔注漿施工完畢后,實(shí)施深層注漿加固。深層注漿的注漿壓力和注漿速度可根據(jù)鐵路變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整,其隆起量應(yīng)控制在2 mm以內(nèi)。應(yīng)根據(jù)地表建筑物情況，在鐵路外側(cè)的過渡區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)二次的注漿加固。

(3) 沿鐵路路基兩側(cè)15 m范圍內(nèi)的加固區(qū)域分為主、次加固區(qū)。主加固區(qū)為沿鐵路路基兩側(cè)10 m范圍內(nèi);次加固區(qū)為主加固區(qū)兩側(cè)5 m范圍內(nèi)。主、次加固區(qū)的加固深度均為飽和軟黃土層底至隧道底部以下1.5 m范圍。加固注漿范圍如圖2所示。

圖2 加固注漿的范圍示意圖

2.2 隴海鐵路的扣軌加固

當(dāng)盾構(gòu)下穿隴海鐵路時(shí),如軌面下沉量超出預(yù)警值,則應(yīng)對(duì)隴海鐵路的鋼軌進(jìn)行加固處理。在地鐵隧道與隴海鐵路交叉區(qū)域右線右側(cè)30 m及左線左側(cè)30 m范圍內(nèi)采取扣軌的方法對(duì)鋼軌進(jìn)行加固。加固的單線線路總長為750 m。加固具體方案如下:

(1) 采用3-7-3的方式扣軌,在掘進(jìn)施工前對(duì)線路進(jìn)行加固。3-7-3扣軌采用12.5 m標(biāo)準(zhǔn)軌。其中，正線采用P50軌，站線及牽出線采用P43軌。

(2) 在線路加固施工前,需先與鐵路產(chǎn)權(quán)部門簽訂施工安全協(xié)議。在正式施工前應(yīng)提前“請(qǐng)點(diǎn)”,并要求在施工期間上下行列車限速均控制在40 km/h以內(nèi)。

(3) 線路的加固、抽換枕木及倒料應(yīng)在列車間隙期間進(jìn)行,扣軌可在“天窗”期間進(jìn)行。線路鐵軌加固使用的3-7-3扣軌方式,選用∠63×63×6的角鋼與φ22 U型螺栓以50 cm的間距將軌束夾緊，并使用U形螺栓和扁鐵制成的扣板,將枕木和軌束連接起來。加固方案如圖3所示。

圖3 線路扣軌加固示意圖

2.3 盾構(gòu)隧道下穿隴海線過程監(jiān)測(cè)

在盾構(gòu)穿越隴海線前,需對(duì)地基和線路進(jìn)行預(yù)先的加固,并加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控量測(cè)。將既有鐵路線在施工期間發(fā)生的變形情況第一時(shí)間反饋給施工單位,以及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù),從而確保盾構(gòu)機(jī)穿越隴海鐵路施工及鐵路運(yùn)營的安全。

為保證，盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量、減少對(duì)環(huán)境的影響,地表沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)點(diǎn)根據(jù)影響因素和變形特點(diǎn)來合理設(shè)置。故不僅要沿盾構(gòu)軸線方向布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),而且還要在隧道中心軸線兩側(cè)的沉降槽范圍內(nèi)布設(shè)橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置，見圖4。

隴海線正線采用了根D型鋼梁加固,包括1根長24 m的主梁和2根長16 m的次梁。主梁橫跨隧道中心軸線,其梁體的最大變形也發(fā)生在主梁中部。本文選取左線隧道上方梁中部3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-1、1-2、1-3進(jìn)行沉降分析。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖4 地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖5 胡石區(qū)間左線隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量統(tǒng)計(jì)

3 施工效果

在整個(gè)盾構(gòu)穿越過程中,隴海鐵路路基采取的注漿加固及鐵路軌道的加固等一系列有效措施取得了較好的效果。從圖5可以看出,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均在警戒值以下, 最大沉降量為7.47 m,最小沉降量為1.94 m。沉降量在監(jiān)測(cè)期間較為穩(wěn)定,且各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化基本一致。在采取較為有效的安全保障措施后,地表沉降量及周邊建(構(gòu))筑物沉降均在設(shè)計(jì)要求控制范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

黃土地區(qū)盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路及隧道的施工安全與其工程地質(zhì)情況及施工風(fēng)險(xiǎn)密切相關(guān)。這主要包括了土體的物理力學(xué)性質(zhì)、隧道埋深、地下水,以及盾構(gòu)機(jī)選型、施工參數(shù)等因素。本文以西安地鐵3號(hào)線胡石區(qū)間盾構(gòu)下穿隴海鐵路及金花隧道為工程背景,闡述了黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿隴海鐵路及金花隧道時(shí)的施工安全控制技術(shù)。目前,該盾構(gòu)已成功下穿隴海鐵路及金花隧道。這表明盾構(gòu)施工采取的一系列措施安全有效。

[1] 任建喜,李龍,鄭贊贊,等.黃土地區(qū)地鐵盾構(gòu)下穿鐵路變形控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(5),57-62 .

[2] 曹振.西安地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及施工災(zāi)害防控技術(shù)[D].西安:西安科技大學(xué),2013.

[3] 曹振,雷斌,張豐功.黃土地區(qū)地鐵下穿既有鐵路的施工風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施[J].城市軌道交通研究,2013(4):49-53.

[4] 石舒.盾構(gòu)隧道下穿鐵路工程風(fēng)險(xiǎn)及對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2012(49):1

Deformation Control Technology for Metro Construction Crossing under Longhai Railway and Jinhua Tunnel in Loess Area

ZHANG Ning, REN Jianxi

Based on of Jinhua tunnel construction Xi 'an metro Line 3 that Crosses under Longhai Railway, the related shield security control technology are discussed from aspects of railway bed grouting reinforcement, rail fasterning technology and settlement mmonitoring during shield tunneling. Engineering practice shows that,by adopting reasonable tunneling parameters and surface reinforcement measures, the security control during shield costruction under Longhai Railway and Jinhua Tunnel proves very effective.

metro; loess shield; tunnel crossing under railway; security control technology

Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

U 458.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.027

2016-03-28)