新建盾構(gòu)區(qū)間上跨既有鐵路直徑線防護(hù)

宮媛媛

摘要：盾構(gòu)隧道隨著技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)的提高，盾構(gòu)法施工已成為穿越復(fù)雜地段較為普遍的施工方法。隨著線網(wǎng)的增加，穿越的凈距逐漸縮短，難度及要求也隨之提高。文章對某擬建地鐵盾構(gòu)區(qū)間上跨既有鐵路直徑線的設(shè)計(jì)進(jìn)行剖析，分析了施工過程中可能出現(xiàn)的情況及難點(diǎn)并給予相應(yīng)的改進(jìn)措施及建議思路，旨在為相似工程提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)區(qū)間；上跨既有鐵路；直徑線保護(hù)；盾構(gòu)隧道；地鐵工程 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2017）08-0129-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.08.062

1 概述

隨著城市軌道交通建設(shè)的日益推進(jìn)，軌道交通敷設(shè)范圍逐漸由城市核心區(qū)域向外輻射，由此導(dǎo)致軌道交通建設(shè)與高速鐵路、城際鐵路、普通客運(yùn)、貨運(yùn)、客貨混運(yùn)鐵路線及其附屬設(shè)施的交叉（下穿、上跨）、鄰近（區(qū)間近距離并行、基坑鄰近鐵路開挖）不可避免。由于不同等級、不同道床型式鐵路的防護(hù)要求和標(biāo)準(zhǔn)不盡一致，不同空間位置關(guān)系，不同工程地質(zhì)、水文地、不同施工工法情況下，地鐵施工導(dǎo)致的對既有鐵路的影響形式和影響程度也不盡相同。

地鐵區(qū)間在上跨鐵路時會有以下重難點(diǎn)：

2 施工難點(diǎn)

2.1 位置條件困難

某新建雙線盾構(gòu)隧道A在繁華地段先上跨鐵路直徑線，并下穿既有地鐵車站。盾構(gòu)區(qū)間A最低點(diǎn)外輪廓與既有國鐵直徑線外輪廓最小處凈距4.98m（小于1倍洞徑）；與既有地鐵車站底板底間距3.6m左右。地鐵區(qū)間沿馬路下布設(shè)，根據(jù)勘察資料顯示和現(xiàn)場資料調(diào)查，道路兩側(cè)多為商鋪，道路下市政管線較多，道路車流量大。

2.2 掘進(jìn)過程中對盾構(gòu)機(jī)刀盤有一定的考驗(yàn)

盾構(gòu)隧道A上跨鐵路直徑線段落主要穿越粉細(xì)砂層和卵石層。粉細(xì)砂層呈稍濕的中密～密實(shí)狀態(tài)，主要礦物成分為云母、石英、長石，卵石層該層土呈密實(shí)狀態(tài)，一般粒徑為5～20mm，最大粒徑不小于130mm，粒徑大于20mm的含量大于50%，中粗砂充填。

盾構(gòu)區(qū)間在密實(shí)富水砂卵石地層推進(jìn)是目前盾構(gòu)施工的共性難題，對刀盤、刀具的磨損嚴(yán)重，對盾構(gòu)機(jī)自身性能要求極高，同時密實(shí)砂卵石地層大推力掘進(jìn)對管片也是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2.3 掘進(jìn)過程中地基產(chǎn)生變形

2.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中開挖面水土壓力與艙內(nèi)壓力不平衡，致使掌子面失去平衡狀態(tài)，掘進(jìn)量與排土量不等。

2.3.2 盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑大于管片直徑，掘進(jìn)過程中盾構(gòu)管片與開挖面之間存在一定空隙，壁后注漿材料的性質(zhì)、注入時間、位置、壓力、數(shù)量等偏差均會使地基產(chǎn)生變形；盾構(gòu)對開挖面土層施加的支護(hù)壓力過大或過小，都會引起開挖面失去平衡，從而發(fā)生地基變形。

2.3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對周圍圍巖產(chǎn)生擾動改變了土體的原始應(yīng)力狀態(tài)，使鐵路直徑線原結(jié)構(gòu)受力改變，結(jié)構(gòu)承載力下降，管片變形過大，從而侵界并發(fā)生地基變位。

2.3.4 接頭螺栓緊固不足，管片環(huán)容易變形，盾尾間隙增大，盾尾脫出后內(nèi)外壓不均等使襯砌變形，從而增大地基沉降。

2.3.5 開挖面的涌水或管片產(chǎn)生漏水時，地下水位下降而使地基下沉。

2.3.6 掘進(jìn)過程中，水位下降。由于砂性土，水位下降后，土體擠壓，產(chǎn)生地基下沉。

2.3.7 盾構(gòu)隧道位于曲線段，掘進(jìn)過程中需頻繁進(jìn)行糾偏和線性擬合，管片結(jié)構(gòu)在糾偏過程中受力復(fù)雜，影響地層的變形控制。

根據(jù)相似地層盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)在施工過程中和施工后對地表的隆起、沉降變形反應(yīng)較為迅速。

2.4 鐵路路基變形、軌道變形、設(shè)備、管線影響

2.4.1 鐵路直徑線為電化鐵路，采用彈性支撐塊道床形式，運(yùn)行時速為100km/h。鐵路為單洞雙線，路基和道床剛度小抗變形能力差，對地層擾動的影響反應(yīng)靈敏，直接導(dǎo)致軌道形態(tài)發(fā)生變化，由于道床是連續(xù)的整體，一旦基底發(fā)生沉陷，修補(bǔ)極為困難。同時，大多數(shù)高速無碴軌道鐵路的鋼軌直接安裝在整體道床結(jié)構(gòu)上，基本不具備軌道防護(hù)的條件，軌道扣件的可調(diào)節(jié)高度十分有限，并且在正常鐵路運(yùn)營維修階段扣件調(diào)整量部分已被使用，加之高度鐵路對軌道變形控制要求嚴(yán)格，產(chǎn)生大變形后難以通過調(diào)節(jié)扣件高度恢復(fù)軌道原狀。鐵路直徑線隧道頂部設(shè)有接觸網(wǎng)，位于盾構(gòu)掘進(jìn)的強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)，都將影響鐵路的正常運(yùn)行。

2.4.2 地鐵區(qū)間上部道路交通量大、管線繁多。掘進(jìn)過程中地面和地鐵車站出現(xiàn)大的沉降變形、倒塌，市政管線開裂、滲漏水等險(xiǎn)情，將直接影響鐵路范圍內(nèi)地形的整體變形，必須充分考慮對地鐵車站和市政管線的保護(hù)方案。

2.5 穿越工程的社會影響巨大、變形控制標(biāo)準(zhǔn)高

上跨的鐵路直徑線是連接樞紐間的重要橋梁，客流量大。鐵路的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益決定了盾構(gòu)區(qū)間上跨施工時變形控制的極高標(biāo)準(zhǔn)，對區(qū)間本體設(shè)計(jì)和鐵路防護(hù)設(shè)計(jì)都提出了巨大的挑戰(zhàn)。

2.6 洞外加固及施工監(jiān)測難度大

既有鐵路直徑線非常繁忙，不具備為下穿施工而降速運(yùn)行或減少車次的條件，在鐵路正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)施洞外加固、軌道防護(hù)以及施工監(jiān)測均存在一定的限制和風(fēng)險(xiǎn)。

3 既有鐵路直徑線防護(hù)措施

3.1 防止地基變形的對策

3.1.1 開挖過程中水土壓力不均衡對策：土壓平衡盾構(gòu)可通過調(diào)整推進(jìn)速度和螺旋式排土器的旋速，使壓力艙壓力與開挖面的水土壓力相對應(yīng)；根據(jù)需要適當(dāng)加注發(fā)泡劑、膨潤土漿等潤滑劑，增加開挖土的流動性，使壓力艙內(nèi)不產(chǎn)生空隙，減少刀盤扭矩。泥水式盾構(gòu)可根據(jù)圍巖的透水性來調(diào)整泥水狀態(tài)，并進(jìn)行泥水管理，使泥水艙壓力與開挖面的泥水壓力相對應(yīng)，以保證周圍地層的穩(wěn)定。

3.1.2 掘進(jìn)過程中減小圍巖擾動的對策：合理選用盾構(gòu)機(jī)和潤滑劑，減小掘進(jìn)過程中盾構(gòu)與地層土體之間的摩擦，減小盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)及橫向偏移，以防止“蛇形”發(fā)生。

3.1.3 防止盾尾間隙沉降和壁后注漿壓力過大使地基隆起的對策：根據(jù)地層狀況來選擇滲透性好、固結(jié)強(qiáng)度大的壁后注漿材料，并在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時進(jìn)行壁后注漿。

3.1.4 防止管片變形的對策：使用形狀保持裝置來確保管片的拼裝精度，同時充分緊固接頭螺栓。

3.1.5 防止地下水位下降的對策：為了防止從管片接頭、壁后注漿等處滲水，施工前應(yīng)檢查預(yù)制管片的完整性，避免管片的缺損；管片拼裝到位，控制盾構(gòu)掘進(jìn)壓力，避免過度擠壓已拼裝完成的管片，使防水條變形。

3.2 地基變形預(yù)測與測定

為了減小地基變形，掘進(jìn)前應(yīng)根據(jù)相鄰已建工程的經(jīng)驗(yàn)、本工程已建相鄰區(qū)間和有限元計(jì)算等方法進(jìn)行預(yù)測，以預(yù)測結(jié)果為依據(jù)，來設(shè)定管理基準(zhǔn)值。

3.3 盾構(gòu)施工需采取的措施

3.3.1 加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評估：施工前鐵路直徑線自身保護(hù)措施由鐵路防護(hù)設(shè)計(jì)單位根據(jù)評估結(jié)論開展專項(xiàng)防護(hù)設(shè)計(jì)；穿越前，采用地質(zhì)雷達(dá)對穿越地段地下做詳盡地下勘探，徹底摸清地下障礙物情況，排除意外因素。

3.3.2 加強(qiáng)盾構(gòu)施工工藝：科學(xué)合理地進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型、刀盤配置、渣土改良、掘進(jìn)參數(shù)控制、工礦管理、信息化施工，減小盾構(gòu)推進(jìn)過程中對周邊地層擾動，進(jìn)而控制地層變形。掘進(jìn)前，認(rèn)真對刀盤、注漿系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、推進(jìn)千斤頂及監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備檢查，調(diào)整并使盾構(gòu)機(jī)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，確保勻速、均衡、連續(xù)通過上跨鐵路直徑線，在穿越區(qū)范圍內(nèi)不停機(jī)。

3.3.3 姿態(tài)控制：在盾構(gòu)機(jī)上跨前，使盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整至最佳，嚴(yán)格控制盾構(gòu)的軸線和糾偏量。在鐵路下糾偏坡度控制在±1‰之內(nèi)，平面偏差15mm內(nèi)。一次糾偏量不超過5mm。

3.3.4 加強(qiáng)注漿措施：通過漿液配比和注漿試驗(yàn)，選擇合理的同步注漿、二次注漿材料及注漿參數(shù)，及時進(jìn)行同步注漿和二次注漿，填充管片與土體間的空隙；對同步注漿未能有效填充區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充回填；根據(jù)地層情況以及變形的發(fā)展情況，必要時在同步注漿及二次補(bǔ)漿基礎(chǔ)上，離盾尾5～10環(huán)，從洞內(nèi)對盾構(gòu)外緣外采用徑向注漿加固盾構(gòu)隧道與既有結(jié)構(gòu)間的土體，縱向加固范圍為盾構(gòu)開挖面距既有結(jié)構(gòu)前后各1.0D范圍內(nèi)。以達(dá)到進(jìn)一步增強(qiáng)地層的抗變形能力，有效限制地層變形的進(jìn)一步發(fā)展。

3.3.5 制定針對性應(yīng)急預(yù)案：盾構(gòu)上跨鐵路直徑線時，預(yù)先根據(jù)地質(zhì)情況，對可能出現(xiàn)的工程事故預(yù)先制定處理措施，配置必要的機(jī)械設(shè)備，一旦發(fā)生工作面土體坍塌等工程事故，立即實(shí)施預(yù)備方案。切實(shí)做好設(shè)備保障工作，配置足夠的維修保障配件和人員，及時處理可能發(fā)生的盾構(gòu)設(shè)備故障。

3.3.6 鐵路軌道防護(hù)分析：在穿越過工程實(shí)施過程中主要通過加強(qiáng)本體工程的保護(hù)措施以及隔離樁等方面進(jìn)行綜合防護(hù)設(shè)計(jì)。

3.3.7 鐵路設(shè)備、管線的保護(hù)分析：在工程實(shí)施范圍內(nèi)的用于鐵路生產(chǎn)、生活及運(yùn)營的電力、通信、信號、接觸網(wǎng)、排水溝等（不包含市政管線綜合）原則上優(yōu)先考慮采取措施就地保護(hù)，當(dāng)鐵路設(shè)備、管線與實(shí)施工程存在臨時或永久的空間沖突時，考慮過渡性或永久改移路由、作法等。就地保護(hù)以滿足鐵路正常使用為基本前提，保護(hù)措施經(jīng)濟(jì)合理，具備可操作性；對于必須遷改的設(shè)備、管線，按照同標(biāo)準(zhǔn)、同容量的原則進(jìn)行處理。

3.3.8 專項(xiàng)監(jiān)測：開展針對鐵路范圍內(nèi)地面、結(jié)構(gòu)、道床、軌道、接觸網(wǎng)等系統(tǒng)的專項(xiàng)監(jiān)測，掌握盾構(gòu)到達(dá)前、施工過程中、工后各個階段的地層變化和影響規(guī)律。結(jié)合影響因素和變形特點(diǎn)來綜合考慮盾構(gòu)周邊地表沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，一方面應(yīng)沿盾構(gòu)軸線方向布置沉降監(jiān)測點(diǎn)；另一方面在隧道中心軸線兩側(cè)的沉降槽范圍內(nèi)設(shè)置橫向監(jiān)測點(diǎn)，以測得完整的沉降值。加密監(jiān)測布點(diǎn)，加大監(jiān)測頻率，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并及時反饋鐵路局、施工、設(shè)計(jì)、建設(shè)、監(jiān)理等各方，提高下穿風(fēng)險(xiǎn)過程中的應(yīng)變能力和速度，如有需要則能及時調(diào)整軌頂高度及軌距尺寸。條件允許前提下，原則上開展實(shí)時在線監(jiān)測。

3.3.9 在區(qū)間一般地段設(shè)置試驗(yàn)段，試驗(yàn)段長度為15m，根據(jù)試驗(yàn)段施工情況施做下穿鐵路路基段。

4 優(yōu)化

試驗(yàn)段距離設(shè)置15m過短，不能有效收集注漿配比、盾構(gòu)法穿越砂卵石地層施工控制地表沉降最有效的措施、合理的盾構(gòu)頂推壓力、掘進(jìn)速度等參數(shù)，建議加長試驗(yàn)段距離。將下穿鐵路直徑線的范圍劃分為試驗(yàn)段、穿越段、保護(hù)段3個區(qū)段，對每個區(qū)段進(jìn)行有針對性的施工組織、資源配置、技術(shù)措施，確保盾構(gòu)安全通過風(fēng)險(xiǎn)范圍。

5 結(jié)語

通過綜上論述，筆者認(rèn)為隨著地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，盾構(gòu)區(qū)間下穿或上跨鐵路已成為標(biāo)準(zhǔn)化，但不同情況仍需針對性地給予專項(xiàng)措施。需認(rèn)真分析到達(dá)前、掘進(jìn)過程中、通過后的沉降原因，優(yōu)化材料及措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊毅秋，張繼清.大直徑盾構(gòu)下穿既有地鐵車站的施

工模擬[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011，（2）.

[2] 駱建軍，張頂立，王夢恕，等.地鐵施工對管線的影

響[J].中國鐵道科學(xué)，2006，27（6）.

[3] 張成平.暗挖地鐵車站下穿既有地鐵隧道施工控制

[J].中國鐵道科學(xué)，2006，（30）.

[4] 張頂立.城市地鐵施工的環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)管理[J].土木

工程學(xué)報(bào)，2005，（38）.

（責(zé)任編輯：小 燕）