盾構(gòu)下穿對武九鐵路的變形實測分析
——以黃浦路站至徐家棚站區(qū)間為例

姜偉峰，趙艷峰，陳永建

(1.浙江聯(lián)建工程設(shè)計有限公司，杭州310012;2.浙江中民筑友科技有限公司，杭州311422;3.漢嘉設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，杭州310005;4.杭州青少年活動中心，杭州310007)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，施工工況的復(fù)雜性也日益增加。其中，隧道工程項目即面臨此類問題［1-3］，尤其是隧道工程中的下穿項目，往往由于周圍環(huán)境對地層變形的敏感性及場地條件的復(fù)雜性等因素造成了地鐵項目施工的困難，成為施工的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題［4-6］。同時，地鐵隧道下穿既有鐵路交通工程時，也應(yīng)盡量減少對鐵路的運(yùn)營帶來影響［7-9］。目前，盾構(gòu)施工對周鄰建筑物產(chǎn)生影響及其對地層沉降的影響等方面的研究已經(jīng)很多［10-13］，而針對隧道開挖對既有鐵路線路的影響研究較少［14-15］。本研究以武漢市軌道交通8號線一期工程黃浦路站至徐家棚站區(qū)間為例，采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，通過對工程現(xiàn)場測試結(jié)果進(jìn)行分析，明確盾構(gòu)施工中鐵路線路的沉降規(guī)律，以期實現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)估既有鐵路軌道的變形值，從而為工程施工提供一定的參考。

1 工程概況

黃浦路站至徐家棚站區(qū)間隧道全長3 185.545 m。該隧道采用一臺泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。左、右線線間距為5.3 m，平面最小曲線半徑R=700 m。隧道穿越長江段江底平順，北坡(左岸)平緩，南坡(右岸)較陡。受河床最不利沖刷線控制，越江隧道埋深較大(11～23 m)，土壓斷面最大水壓接近0.6 MPa。區(qū)間平面如圖1所示。本工程始發(fā)場地位于徐家棚站，盾構(gòu)設(shè)備在徐家棚西端頭井整體始發(fā)，向西北方向穿越長江到達(dá)漢口岸，沿盧溝橋路掘進(jìn)到達(dá)黃浦路站吊出。先后穿越徐家棚棚戶區(qū)，北岸長江大堤、長江主航道、南岸長江大堤、盧溝橋路到黃浦路站。始發(fā)井距離武昌側(cè)大堤782.55 m，穿越距離長55.65 m，該處隧道頂距大堤坡頂?shù)乇砑s36.51 m，距坡腳約32.28 m;隧道距離南岸大堤1 463.55 m，穿越距離長62.25 m，該處隧道頂距離大堤 31.92 m，距坡腳約 30.1 m。

越江區(qū)間在武昌側(cè)先后穿越武九鐵路及月亮灣貨場鐵路。越江隧道在平面里程右DK12+350～378位置處穿越武九鐵路，區(qū)間隧道從武昌北站棧橋處(武九鐵路運(yùn)營里程K7+110處)下方垂直穿越，穿越段長度約13 m。共穿越武九鐵路3股道及武昌北站站臺，其中正線1股道，站線2股道。穿越段為27‰的下坡，線路平面是半徑R=2 000 m的緩和曲線，隧道埋置較深，拱頂與軌面豎向深度較大，約30.86～32.17 m。

1.1 地形地貌

武漢位于江漢平原東部，屬平原邊緣隆起帶。區(qū)內(nèi)總體地形南高北低、東高西低，最高點(diǎn)為南部武昌境內(nèi)的頂冠峰，高程197.70 m。擬建隧道越江段地貌屬長江河床及長江一級階地，地勢是南高北低。兩岸為長江一級階地，地勢平坦開闊，相對高差一般小于1～3 m，地面高程23～26 m。

長江流經(jīng)場區(qū)，白沙洲和潛洲一順排列在場區(qū)的上游河道內(nèi)。場區(qū)江寬約1 400 m，河床開闊，江底平順，北坡(左岸)平緩，南坡(右岸)較陡，主槽位于長江南側(cè)，勘測期間江水位高程16.50～20.32 m，河床高程最低在－2.43 m，最低處在靠近武昌岸側(cè)。

圖1 工程位置及范圍示意圖Fig.1 Location and scope of the construction

1.2 地質(zhì)條件

本工程隧道穿越多種地層，主要包括:表部雜填土、素填土厚度0.9～4.1 m，成分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疏密不均，工程性能相差懸殊;淤泥工程性能差;上部軟塑狀粉質(zhì)黏土厚4.3～15.8 m，弱透水、承載力較低，中高壓縮性，易產(chǎn)生塑性變形;中下部粉細(xì)砂及中粗砂透水性中等，承載力一般，低壓縮性;基巖為礫巖，巖體破碎，強(qiáng)風(fēng)化層較厚，透水性微弱至不透水，承載力較高。

1.3 穿越武九鐵路的重點(diǎn)難點(diǎn)分析

在穿越鐵路施工過程中，工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下三方面:

一是武九鐵路是沿江通道的重要組成部分，對沿江客運(yùn)及貨運(yùn)有著重要作用。盾構(gòu)穿越武九鐵路時怎樣更好地控制地表沉降，保證其安全是盾構(gòu)施工的重點(diǎn)。

二是盾構(gòu)主要在粉細(xì)砂層穿過，掘進(jìn)參數(shù)及切口壓力如果控制不好，就可能產(chǎn)生較大的地層損失以及不均勻沉降，導(dǎo)致武九鐵路運(yùn)營產(chǎn)生安全風(fēng)險。

三是盾構(gòu)穿越武九鐵路時，地表監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、及時反饋是保護(hù)武九鐵路安全的重點(diǎn)措施。根據(jù)監(jiān)測信息的反饋，及時調(diào)整切口壓力和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，做到信息化施工。

綜上，在穿越鐵路施工過程中，關(guān)鍵是有效控制地面沉降值在鐵路列車運(yùn)營的允許范圍內(nèi)，從而確保鐵路安全。

2 鐵路監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 前期準(zhǔn)備

2.1.1 監(jiān)測目的

由于盾構(gòu)掘進(jìn)要穿越鐵路線路，可能會引起地鐵路基的沉降變化，因此對穿越鐵路斷面進(jìn)行沉降監(jiān)測，以便判斷路基的變化情況及盾構(gòu)施工對鐵路線路的影響。

2.1.2 監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)及技術(shù)要求

鐵路監(jiān)測沿盾構(gòu)穿越線路鐵路路基處布設(shè)斷面沉降監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)同地表點(diǎn)布設(shè)相似，監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)穩(wěn)固，做好清晰標(biāo)記，在其頂部加保護(hù)蓋，避免其受外力荷載，或被泥沙等掩埋，保證監(jiān)測點(diǎn)的成活率。武九鐵路現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)的布置Fig.2 Layout of monitoring points

2.1.3 監(jiān)測方法及數(shù)據(jù)采集

采用水準(zhǔn)測量法對鐵路沉降進(jìn)行監(jiān)測，本項目中使用的監(jiān)測儀器為索佳電子水準(zhǔn)儀。監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測應(yīng)滿足GB 50026—2007《工程測量規(guī)范》［16］中三等變形監(jiān)測水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求。當(dāng)采用閉合水準(zhǔn)路線時可只進(jìn)行單程監(jiān)測。

與鮑照詩謳歌的超塵脫俗、不食人間煙火的友情、愛情不同，李白拓寬了山水詩的主題寓意，常由寫景、抒情聯(lián)想到時政，指刺時弊，影射政治現(xiàn)實。[1]189憂國憂民的情感流溢在自然景物的描寫中。如：《古朗月行》和《春日行》：

2.1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

本項目采用電子水準(zhǔn)儀自帶記錄程序?qū)ΡO(jiān)測記錄進(jìn)行采集，當(dāng)監(jiān)測完成后，形成原始電子監(jiān)測文件，而后通過數(shù)據(jù)傳輸軟件將監(jiān)測文件傳輸給計算機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)檢查合格后，對其進(jìn)行嚴(yán)密平差，最終得出各點(diǎn)的相對高程值。

沉降量按以下公式進(jìn)行計算:

式中:ΔH為監(jiān)測點(diǎn)沉降量，mm;H0為監(jiān)測點(diǎn)初始高程，mm;Hn為實測高程，mm。

采用變形監(jiān)測點(diǎn)的各時間間隔期獲得的高程值進(jìn)行計算，可獲得各間隔期的階段沉降量、階段變形速率和累計沉降量等數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測點(diǎn)的選取依據(jù)監(jiān)測點(diǎn)布置及盾構(gòu)掘進(jìn)方向，本項目選取5個監(jiān)測點(diǎn)為一組，分別為GGCJ 2-1～GGCJ 2-5，并對各監(jiān)測點(diǎn)的測試結(jié)果進(jìn)行整理分析。圖3所示為監(jiān)測點(diǎn)沉降量與監(jiān)測點(diǎn)距盾構(gòu)中線距離的關(guān)系曲線。

由圖3可知，隨著監(jiān)測時間的增加，沉降量有不斷增大的趨勢，監(jiān)測初期，出現(xiàn)了先隆起后沉降的過程，此后沉降量不斷增大，直至最后穩(wěn)定，且沉降量在整個監(jiān)測過程均未超過允許范圍。地表沉降量最大的點(diǎn)位于中線偏左約0.5 m處，隨著監(jiān)測點(diǎn)與中心線間距離的增加，沉降量逐漸降低，盾構(gòu)推進(jìn)對地表的影響范圍基本上在隧道中心線左右兩側(cè)7 m的范圍之內(nèi)。

3 盾構(gòu)下穿鐵路時的技術(shù)措施

圖3 各施工階段監(jiān)測點(diǎn)沉降-距離關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of settlement-distance at different monitoring points

為了進(jìn)一步確保施工安全，除進(jìn)行現(xiàn)場測試外，盾構(gòu)下穿既有鐵路的工程掘進(jìn)過程還應(yīng)采取如下一些技術(shù)措施。

3.1 掘進(jìn)速度的控制

當(dāng)盾構(gòu)施工進(jìn)入影響范圍內(nèi)后，應(yīng)控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度在2.0～2.5 cm/min內(nèi)，以減少對既有鐵路的擾動影響，并避免造成盾構(gòu)機(jī)的故障停機(jī)。

3.2 軸線偏差的嚴(yán)格控制

軸線偏差對盾構(gòu)機(jī)的精準(zhǔn)掘進(jìn)影響很大，因而拼接好盾構(gòu)機(jī)的管片后，應(yīng)及時測量盾構(gòu)、成環(huán)管片與設(shè)計軸心之間的偏差，進(jìn)而根據(jù)每環(huán)的測量結(jié)果和管片四周間隙情況對盾構(gòu)機(jī)下一環(huán)的推進(jìn)提供精確數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

通過采取優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)以及在現(xiàn)場監(jiān)測的指導(dǎo)下，監(jiān)測點(diǎn)的沉降量隨著掘進(jìn)時間的增加不斷增加，直至趨于穩(wěn)定，且監(jiān)測結(jié)果均未超過沉降允許范圍。斷面的沉降槽沿隧道中線呈對稱分布，監(jiān)測點(diǎn)距離隧道中心線越遠(yuǎn)則沉降量越小，盾構(gòu)推進(jìn)對地表的影響主要集中在隧道中心線兩側(cè)。

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