軌道交通隧道下穿火車站施工安全影響及控制

姚博

杭州市地鐵集團有限責任公司，中國·浙江 杭州 310004

1 引言

隧道開挖工程自身具有較高施工復雜性，且在環(huán)境影響下，施工時底層損失、擾動、固結(jié)沉降等相關問題無法避免，此類問題會導致施工區(qū)域底層變形，從而引發(fā)上方火車站房樁基與既有鐵路出現(xiàn)移動或變形現(xiàn)象。故而，在軌道交通隧洞下穿過程中，鐵路與站房樁基變形是其安全影響與控制的關鍵所在。

2 軌道交通隧道下穿施工影響的必要性

伴隨軌道交通發(fā)展，地下隧道也開始朝向規(guī)?；c網(wǎng)格化方向發(fā)展，但是部分城市在修建軌道交通過程中并未對其線路加以系統(tǒng)性規(guī)劃，再加之城市建筑密集程度所產(chǎn)生影響，若想將軌道交通地下工程在有限空間之內(nèi)修建，便無法避免線路之間的相互交叉，從而令節(jié)點車站穿越于隧道之內(nèi)，諸如北京、上海等一線城市已經(jīng)出現(xiàn)類似隧道工程。現(xiàn)階段，中國已有軌道交通隧道下穿既有高速公路、鐵路、隧道、立交橋等實際工程，但是對于隧道下穿火車站施工安全影響與控制的研究仍較為缺乏，再加之軌道交通發(fā)展速度教課，需針對軌道變形現(xiàn)象加以嚴格管控。雖然中國軌道交通發(fā)展已經(jīng)取得一定成績，但是尚未形成針對軌道交通隧道下穿變形、軌道位移等統(tǒng)一運用安全標準，導致軌道交通隧道淅川火車站施工安全影響與控制難以得到有效評價[1]。

3 工程概況

3.1 案例一

南明區(qū)一沙沖路站區(qū)間段為雙洞單股道，長925.411 m，左側(cè)隧道下穿站房（售票大廳與行包房）段長55 m，下穿站場段（客運站與股道）長127.779 m，右側(cè)隧道下穿站房（售票大廳和股道）段長55 m，下穿站場（客運站臺與股道）長128.811 m。從平面上來看，沙沖路站區(qū)間隧道和火車站的站臺和行李房的平面角度大約是72.5°，拱頂處的深度是16 m。在縱向上，車站的拱頂與車站地面高度相差22 m。該區(qū)間隧道位于GY 地區(qū)的北部溶蝕區(qū)，項目位于城區(qū)中部，周邊建筑和相關結(jié)構(gòu)十分復雜，施工難度大。根據(jù)有關的信息，ZDK26+143.2～300-ZDK26+300 地層為一種以紅黏土為主的塊石地層，下伏山系為二段白云巖型。本次調(diào)查中，該區(qū)間的地下工程沒有發(fā)現(xiàn)大范圍的地面積水。總之，該地區(qū)的水文、地質(zhì)環(huán)境十分復雜，在施工現(xiàn)場，地下水、土壤等因素的作用對混凝土和混凝土皆產(chǎn)生微量侵蝕作用。由于地層的不同，地層的含水量也有一定的差別，特別是在喀斯特地帶，這樣的地層分布就比較不規(guī)則了。為了有效地降低圍巖體的變形，減少圍巖的松弛，從工程的實際情況和剖面出發(fā)，對中火車站一沙沖路站區(qū)間洞下跨站房采用了全斷面掘進的施工方案，車站下穿站場采取了“一步一回”的上下臺階法[2]。

3.2 案例二

線路情況：為降低拆遷工作量，KM 地鐵一號線環(huán)城南路段至火車站區(qū)間段，在環(huán)城南路采用豎向重疊隧道，隨后線路順延前進方向逐步扁平化展開，在達到火車站時以左右兩線水平進展。雖然在施工過程中已對線路加以最大限度優(yōu)化，但是仍需要在KM 火車站地下出站廳、出站地道、無柱雨棚、站臺、十二條股道等處進行下穿施工，從而導致建設難度加大。水文地質(zhì)和工程地質(zhì)情況：該工程地質(zhì)條件較差，主要以雜填土、素填土、黏土、粉土、泥炭土、圓礫、粉土等類型土壤為主，盤龍江位于線路以西240 m 處，與該地區(qū)存在著水力學關系，其水位較高，在地面以下1.0～2.0 m 處可以看到地下水，經(jīng)過檢測，此地地下水不具備任何侵蝕性。

4 案例一施工安全控制措施與實施效果

4.1 安全控制措施

在開展地下近接施工過程中，極易引發(fā)周邊圍巖或土地盈利縫補，從而引發(fā)地層變形現(xiàn)象，而軌道交通軌道與樁基對于變形極為敏感，因此在下穿段施工過程中需將沉降與樁基變形作為重點關注對象，針對案例一工程情況，論文所采取措施如下：

（1）對既有結(jié)構(gòu)狀況展開調(diào)查。在開展相關施工工作前，應針對既有結(jié)構(gòu)展開深入勘察，對GY軌道交通火車站售票廳與行包房設計與相關工程資料加以收集，對各個關鍵構(gòu)件與結(jié)構(gòu)形成明確認知，并對結(jié)構(gòu)所存有諸如開裂、漏水等病害詳細記錄。通過對已有與關鍵病害結(jié)構(gòu)重點觀察，在出現(xiàn)變形現(xiàn)象是，應在第一時間內(nèi)停止施工，并通過相關管控措施為結(jié)構(gòu)安全性提供保障，隨后可繼續(xù)開展施工工作[3]。

（2）強化現(xiàn)場監(jiān)控量測力度，禁止爆破開挖。根據(jù)相關研究結(jié)果證實，該案例此段隧道下穿暗挖工程對于既有樁基與鐵路會產(chǎn)生一定影響，為確保運用與樁基礎結(jié)構(gòu)安全性，在隧道鐵路交叉點前方與后方位置各40 m 范圍內(nèi)，對既有鐵路與轉(zhuǎn)變地表沉陷監(jiān)控測量加以強化。同時在建筑四角、大轉(zhuǎn)角、沿外墻等每間隔10～15 m 處位置或樁基之上進行監(jiān)控量測點的布置，從而加大針對既有建筑物沉降與傾斜觀測注重力度。此外，除機械開挖方式以外，在針對臨近下穿段且貨車通過時不能使用爆破方式進行開挖工作。

（3）注漿加固。兼有巖土體與實際圍巖之中極易存有離散型，故而需對洞內(nèi)超前支護質(zhì)量加以提升，在施工工作開展前，可使用洞內(nèi)預注漿方式低破碎巖體裂縫加以填充加固，從而促使加固區(qū)圍巖自身曾在能力得到有效提升，從而促使洞內(nèi)變形情況發(fā)生概率進一步降低。同時，若在現(xiàn)場施工時發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)變形較大情況使，應在第一時間內(nèi)針對站房樁基使用注漿加固措施，令其能夠與周邊圍巖緊密貼合，在切實減少應力集中的同時，避免樁基變形。

（4）加強管理與練習。GY 市軌道交通1 號線火車站-沙沖路展暗挖區(qū)域下穿GY 火車站站房段施工過程當中，相關施工單位需對內(nèi)部管理加以強化，確保與鐵路管護部門保持練習，相互協(xié)作開展隧道超前支護、施工管控、應急處理等工作。

4.2 案例一安全控制措施實施效果

4.2.1 地表或路基沉降

GY 市軌道交通1 號線火車站站臺地面沉降隨GY 地鐵1 號線一沙沖路站一段的施工而逐漸增加，當二次襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，其最大沉降值為1.61 mm、1.90 mm、2.27 mm、2.34 mm。同時，GY 市軌道交通1 號線火車站站一沙沖路站滬昆鐵路上下路基縱深沉降溝的最大沉降量為2.74 mm，可滿足GY 市軌道交通1 號線火車站一沙沖路地下隧道下穿GY車站站場段既有鐵路變形控制要求。

4.2.2 樁基豎向沉降

一般條件下，樁基礎及鄰近土壤具有大的軸向剛性，因此，在任何部位，樁基礎的垂直位移均不顯著，最大垂直下沉出現(xiàn)在D-22 樁基礎上，4.89 mm的相鄰樁基礎最大沉降差出現(xiàn)在D-22 和D-24 之間（中間間隔14.55 m），為4.316 mm，滿足GY 市軌道交通1 號線火車站站-沙沖路下穿GY 火車站站房部分已有樁基礎變形控制要求。

4.2.3 暗挖區(qū)間修建安全性

GY 市軌道交通1 號線火車站站-沙沖路站地下開挖段完成后，左側(cè)地下開挖段二次襯砌的最大安全系數(shù)為5.74，符合《鐵路隧道設計規(guī)范》TB10003-2018 《鐵路隧道設計規(guī)范》中的抗震安全指標；同時，在地下隧洞右側(cè)二次襯砌的最大安全系數(shù)為6.21，高于TB10003-2018《鐵路隧道設計規(guī)范》中要求的2.4[4]。

5 案例二施工安全措施與實施效果

5.1 案例二施工存有風險

由于KM 車站樁基的存在，使盾構(gòu)路徑被切斷，因此，線路只能在距離車站和車站不遠的狹長地帶通過，然后繼續(xù)向春城路行駛。在盡量降低施工危險、順利繞過車站主要站臺和鐵路線時，也要面對并解決下列風險：

（1）風險一：鐵路招待所5-6 樓層框架結(jié)構(gòu)，路線從建筑東北角方向穿過，由于地下樁群過于密集，導致盾構(gòu)施工中斷，加之車站周邊地勢較高，屬于老式建筑，如不做拆除處理，勢必會引發(fā)更大風險。站在技術和經(jīng)濟效益角度上來看，拆除代價相對較小，故而采取對建筑進行拆除，并在盾構(gòu)路線上的預埋件進行施工，可以將風險降到最小。

（2）風險二：鐵路大廈結(jié)構(gòu)為6-9 層，主要以鋼筋混凝土預制樁為基礎，其樁寬為350 mm×350 mm，樁長為12000 mm，

（3）風險三：右線隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)距站前高架樁基礎為1.724 m，與地下停車場出口處為0.424 m。為了加強巖層的穩(wěn)定性和避免結(jié)構(gòu)的變化，在盾構(gòu)工程實施前，采用旋噴技術對圍巖進行了圍巖的圍護。旋噴樁型為φ600@400 的旋噴樁，裝內(nèi)水泥摻和量為22%，在2 批次6 組28 天鉆芯試件當中，周期中，其力學性能達到了1.0 MP 以上。

（4）風險四：在東北方向出站廳當中，其墻下樁基采用PCA400 預應力管樁，其樁徑規(guī)格為400 mm，且樁長大于20 m，柱下樁基為鉆孔灌漿樁，其直徑為600 mm，且樁長大于24 m，在盾構(gòu)前對地下出站廳進行臨時拆除，對已經(jīng)侵入盾構(gòu)積垢的樁基加以拔除，在盾構(gòu)竣工且穩(wěn)定后，對地下出站廳實施重建。

（5）風險五：在盾構(gòu)穿越火車站股道過程中，有4 個鄰近無柱式雨棚樁基樁，而無柱樁基礎為600 mm 的鉆孔灌注樁，其樁身長度超過30 m，在無柱式雨棚樁基礎上，護坡外側(cè)與雨棚樁基之間的距離為：A 段左側(cè)線0.70 m，右線0.87 m，B 段為0.95 m，右線為2.23 m，C 段為2.32 m，右線為3.13 m，D段為8.78 m，右側(cè)線路已被截斷。ABC 三個無柱式雨棚式地基，對盾構(gòu)機進行精確的控制，D 是位于右線的盾構(gòu)隧道，股道被截斷，無法拆卸，采取托換樁方法，按以下步驟進行：1250 mm 鉆孔孔樁-托梁制造-灌水棚柱-旋噴土體-挖破樁-破雨棚柱樁基礎-C10 水泥回填-再壓漿灌裝[5]。

5.2 案例二安全控制措施實施效果

（1）地面變形控制指標的確定。通過運用變形累計值與變形速率雙控指標開展控制工作，將變形值控制于-10 mm，＋5 mm 范疇之內(nèi)，隨后將變形速率控制于±2 mm/d 范疇之內(nèi)，這也是KM 軌道交通建設當中需嚴格遵守的控制指標。在施工過程中，通過建設完善施工方與第三方監(jiān)控量測系統(tǒng)，采用盾構(gòu)法變形、出土量和注漿量、推進速率等進行性格線性相關分析，并對其加以糾正，將施工期間最大沉降值控制在-8.7 mm。工程建設中需針對六個進行洞內(nèi)與洞外巡查，包括洞內(nèi)外巡視、地面塌陷和凸出、管段襯砌的變形、建筑物的塌陷和傾角、地下水檢測。

（2）推進參數(shù)的試驗確定。在基坑開挖過程中，應防止欠壓和過壓推進，必須對出土與掘進的關系進行嚴格調(diào)控，從而在有效避免過量出土或出土不足現(xiàn)象。在進入股道之前，按推進段的推力、刀盤扭矩和推進速度進行計算，根據(jù)出土量、注漿壓力和變形量之間的線性關系，得出盾構(gòu)機推力在10000～12200 KN、刀盤扭矩1900～2300 KN/m、12～28 mm/min、出土量39 m3、注漿壓力0.15～0.3 MP、同時注漿4.47 m3。通過隧道時，盾構(gòu)機頂板的上端土壓分別為93.6-106.4 kPa，左邊為71.3-90.3 kPa；各回路的開挖總量為39.21 m3。二次注漿時，用水泥-水玻璃雙液漿，最大灌漿壓強0.3 Mpa，以克服同時灌漿的缺陷。在最短時間內(nèi)將盾構(gòu)脫出并在后側(cè)充填漿液材料，同時與現(xiàn)場實際監(jiān)測情況相結(jié)合，決定是否需要進行再次補漿注漿[6]。

6 結(jié)語

綜上所述，在針對城市軌道交通隧道下穿火車站施工過程中，應針對相關安全影響與措施加以深層次研究，確保城市軌道交通隧道能夠順利完工。但是，由于受到相關因素影響，導致施工過程中產(chǎn)生復雜的相互作用，故而也需加以進一步完善。