軟土地區(qū)可拆解盾構(gòu)側(cè)穿鐵道施工影響研究

李廣倫， 黃偉， 廖韶軍， 丁智， 董毓慶

（1.杭州天恒投資建設(shè)管理有限公司，杭州 310000；2.杭州市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理中心，杭州 310000；3.中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000；4.浙大城市學(xué)院，杭州 310015；5.杭州巖通科技有限責(zé)任公司，杭州 310000）

0 引言

盾構(gòu)法施工作為城市地鐵隧道的主流施工方法已在我國城市軌道交通領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［1］。盾構(gòu)法相較于傳統(tǒng)開挖方式而言，具有施工進(jìn)度快，自動化程度高，受天氣影響小等優(yōu)點。但是隨著地下空間的高度開發(fā)和盾構(gòu)尺寸越來越大，傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)在過站過程中會面臨部分車站會因先期施工預(yù)留條件不夠，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)接收、轉(zhuǎn)場時面臨吊裝孔預(yù)留空間不足而無法順利吊出等問題，因此可拆解盾構(gòu)設(shè)備和施工方法應(yīng)運(yùn)而生。

目前，傳統(tǒng)的盾構(gòu)拆解方法-刀盤拆除法是破壞性拆除，刀盤被拆卸后無法再次利用，造成設(shè)備損壞和設(shè)備資產(chǎn)的損失［2］。姚燕明等［3］對狹窄空間內(nèi)可拆解式盾構(gòu)過站施工技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了分析與研究。李發(fā)勇［4］對可拆解盾構(gòu)下穿既有橋樁磨樁施工影響進(jìn)行研究。徐震［5］針對盾構(gòu)刀盤的可拆解形式進(jìn)行研究，得出了刀盤的拆解形式，解決了盾構(gòu)刀盤在隧道內(nèi)拆解受空間狹小、自身重量重和破壞性拆除難以再利用等問題。湯浩翔［6］利用有限元數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)拆解擴(kuò)大硐室加固技術(shù)及管片卸荷后的受力特性進(jìn)行了分析與研究。

通過對已有的文獻(xiàn)的總結(jié)，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)對可拆解盾構(gòu)的研究相對較匱乏，地下環(huán)境復(fù)雜多變，目前已公開發(fā)表的文獻(xiàn)中，還未見有針對軟土地區(qū)可拆解盾構(gòu)側(cè)穿鐵道對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響的研究，因此文中以寧波地鐵4 號線-柳西站-寧波火車站的施工進(jìn)行研究，實測分析可拆解盾構(gòu)側(cè)穿鐵道對地面沉降和路基沉降的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

寧波火車站為地鐵2 號線與4 號線的換乘中心，在修建2 號線時已全部完工，僅預(yù)留給4 號線端頭盾構(gòu)接收的空間，使得盾構(gòu)設(shè)備不能按照原設(shè)計進(jìn)行調(diào)頭施工。在此背景下，寧波軌道交通提出采用可拆解盾構(gòu)過站方式解決空間有限的問題。

1.2 穿越杭深線的概況

寧波地鐵4 號線柳西站-寧波火車站盾構(gòu)區(qū)間要穿越杭深線鐵路。沿蒼松路走行時，上、下行線分別以R=350、R=360m 曲線避開柳汀街立交橋樁基、并行鐵路祖關(guān)山立交橋后進(jìn)入鐵路寧波站。盾構(gòu)區(qū)間在寧波站西端北側(cè)祖關(guān)山立交橋附近并行穿越杭深線鐵路，長度約144.5m。并行段鐵路中盾構(gòu)隧道邊線與最外側(cè)鐵路隧道中心最小水平距離約22.3m，與祖關(guān)山鐵路立交橋結(jié)構(gòu)邊線最小水平距離約8.3m。

盾構(gòu)隧道與杭深線鐵路剖面位置關(guān)系如圖1 所示。并行段杭深線范圍內(nèi)路基采用旋噴樁加固，樁徑0.5m，樁長20m，樁間距2m，正方形布置，樁插入硬塑黏土層不小于1m，其中原既有線部分采用花管注漿加固。并行段祖關(guān)山鐵路立交橋范圍內(nèi)從市政框架橋梁下穿越，與祖關(guān)山鐵路立交橋呈并行關(guān)系，鐵路框架橋基礎(chǔ)采用60cm高壓旋噴樁加固，樁長16m。

圖1 盾構(gòu)隧道與杭深線鐵路剖面位置關(guān)系圖（單位：m）

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

隧道與杭深線并行段地質(zhì)情況如圖1 所示，基本位于⑤1b 粉質(zhì)黏土中。工程不良地質(zhì)作用主要為填土層厚、區(qū)域地面沉降以及軟土地基強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差，導(dǎo)致土體易產(chǎn)生不均勻沉降，變形大等不良工況。盾構(gòu)穿越厚層軟土易出現(xiàn)不均勻沉降、管片上浮、變形大等問題。

施工區(qū)域為軟土地區(qū)，地表水網(wǎng)密布，有潛水及承壓水之分?？紫稘撍话阗x存于黏土上層及淤泥質(zhì)黏土層中，富水性及透水性均較差，潛水水位變化受氣候環(huán)境和地表徑流影響顯著，其排泄方式主要為蒸發(fā)。地下水位埋深在1.40～1.70m 左右。隧道穿越段主要為深部孔隙承壓水，含水層厚0.6～3.9m，屬涌水量少的微透水層的咸水，滲透系數(shù)約1.5～1.58×10-4cm/s，但隧道掘進(jìn)過程中不受承壓水影響。

2 施工技術(shù)措施

在距離鐵道前120m作為可拆解盾構(gòu)穿越鐵道的施工試驗區(qū)，通過地質(zhì)條件及周圍環(huán)境確定施工參數(shù)。隧道開挖后，對地表沉降進(jìn)行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，保證鐵道正常使用。區(qū)間側(cè)穿杭深線要通過盾構(gòu)穿越前、盾構(gòu)穿越中及盾構(gòu)穿越后3 個階段的施工管控，來確保盾構(gòu)側(cè)穿杭深鐵路的安全。

2.1 試掘進(jìn)技術(shù)參數(shù)

盾構(gòu)施工試驗區(qū)段依據(jù)地層參數(shù)確定盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的大小，以通過鐵路之前的100環(huán)120m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗段，根據(jù)數(shù)據(jù)分析監(jiān)測地表變形的情況，及時對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，根據(jù)經(jīng)驗參數(shù)把地表變形量變化范圍控制在最小值內(nèi)。合理制定盾構(gòu)的各項掘進(jìn)參數(shù)，保證開挖面的穩(wěn)定與安全，為盾構(gòu)側(cè)穿鐵路時盾構(gòu)參數(shù)選擇提供參考。在試驗段施工過程中主要控制的施工參數(shù)如表1所示。

表1 主要施工參數(shù)

2.2 穿越階段控制措施

通過之前盾構(gòu)試驗段的施工，優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)減少地表變形，避免沉降對鐵路正常使用產(chǎn)生影響。根據(jù)工程具體要求，合理制定刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、出渣量、注漿壓力等施工參數(shù)，穿越杭深線蕭甬鐵路過程中采取的主要技術(shù)措施如表2所示。

表2 主要施工參數(shù)

根據(jù)試驗段的施工效果得出，側(cè)穿鐵路階段的土倉壓力應(yīng)保持在0.28MPa左右。在正式側(cè)穿鐵路段施工時，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度大小控制在20～25mm/min。每班推進(jìn)進(jìn)度為5環(huán)，推進(jìn)過程要保持勻速、有序推進(jìn)的狀態(tài)；要對土壓及地面沉降進(jìn)行實時監(jiān)測并及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)分析結(jié)果對出渣量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

進(jìn)行二次注漿之前，先要適當(dāng)提高上部注漿壓力的大小，對二次注漿的時間、漿液類型及注漿壓力要嚴(yán)格控制，注漿一般以壓力控制為主，達(dá)到設(shè)計注漿壓力即結(jié)束注漿。沉降變化較大區(qū)間，為減少沉降，可適當(dāng)進(jìn)行三次注漿，盾構(gòu)姿態(tài)變化不能過大、過頻。

每隔5 環(huán)檢查管片超前量，超前量要控制在設(shè)計值內(nèi)，隧道軸線和盾構(gòu)軸線折角變化要小于0.4%，推進(jìn)方向要做到不急糾、不猛糾。盾構(gòu)中司機(jī)掘進(jìn)過程中，密切關(guān)注掘進(jìn)姿態(tài)的變化，及時地進(jìn)行糾正，不可出現(xiàn)大幅度糾偏。施工段距離寧波火車站400m 左右，在施工期間建議列車行駛速度降到80km/h，以此保證列車安全行駛。限速計劃影響范圍為施工全段，限速時間為隧道施工期間。在穿越階段，安排人員對地面情況進(jìn)行24h監(jiān)測，并及時告知相關(guān)技術(shù)人員。

2.3 盾構(gòu)穿越后處理措施

在盾構(gòu)穿越鐵路并行段完成后，持續(xù)進(jìn)行鐵路路基、地表等監(jiān)測，是否補(bǔ)充漿液是根據(jù)鐵路路基、地表監(jiān)測成果綜合分析得出。注漿位置選擇在管片上部180°范圍，漿液水灰比為1：1，類型為水泥凈漿。工程的工后補(bǔ)充注漿量根據(jù)隨著地面監(jiān)測數(shù)據(jù)變化進(jìn)行調(diào)整，確保地層產(chǎn)生的變形量最小，保證隧道的安全。

3 位移監(jiān)測

盾構(gòu)側(cè)穿杭深線鐵路，監(jiān)測的主要內(nèi)容為鐵路保護(hù)區(qū)段的路基和祖關(guān)山立交橋及地表發(fā)生的沉降等。按國家二等水準(zhǔn)測量規(guī)范提出的要求進(jìn)行沉降的監(jiān)測，高程起算點為在施工影響區(qū)域以外100m 左右處（設(shè)置2～3個水準(zhǔn)基點）。每個監(jiān)測點與基準(zhǔn)點形成閉合或附合水準(zhǔn)路線，為了減少誤差，取兩次測定值的平均值為初始高程值。使用的測量儀器為S1 型精密水準(zhǔn)測量儀。

3.1 測點布設(shè)

地表沉降：測點范圍為盾構(gòu)施工影響區(qū)至鐵路圍擋間，用沖擊鉆進(jìn)行鉆孔，鋼筋埋入長度為400～500mm，直徑為20～30mm，四周用水泥砂漿進(jìn)行填充，測線布點如圖2所示。

圖2 側(cè)穿區(qū)域監(jiān)測點布置圖

3.2 監(jiān)測項目控制值

表3 各個監(jiān)測項目控制值 mm

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

把可拆解盾構(gòu)側(cè)穿蕭甬鐵路作為研究對象，隨機(jī)選取三條地面沉降測線及路基沉降征進(jìn)行相關(guān)分析，以此為例研究盾構(gòu)機(jī)在該工況條件下對環(huán)境產(chǎn)生的影響。監(jiān)測數(shù)據(jù)變化如圖3～圖5所示。

測線1的監(jiān)測點為：SD385-1～SD385-3；測線2的監(jiān)測點包括：SD140-1～SD410-3；測線3 的監(jiān)測點包括：SD435-1～SD435-3。由圖3、圖4 沉降槽可知，測線1、測線2瞬時沉降的變化整體來看是較均勻的，整體呈隆起狀態(tài)，在監(jiān)測時間中期，SD485-1～SD485-2區(qū)段、SD410-1～SD410-2 區(qū)段出現(xiàn)較大的隆起，已超過預(yù)警值，如圖6所示，但不是連續(xù)出現(xiàn)的，從監(jiān)測點布置圖可知，異常值出現(xiàn)的監(jiān)測點是距離施工區(qū)域較近的點。由圖5 可知，測線3 的瞬時沉降有明顯的沉降特征，隨著時間變化來看，前期和后期的沉降量較大，在SD435～SD435-3 出現(xiàn)最大沉降，從監(jiān)測點布置圖可知，最大沉降值出現(xiàn)在距離施工區(qū)域較遠(yuǎn)位置。針對沉降變化趨勢而言，測線1、2排除異常值外，呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài)；測線3最大累計沉降值為9mm，但仍處于可控范圍內(nèi)；整個監(jiān)測線路整體位移隨著時間變化呈現(xiàn)隆起-沉降的狀態(tài)。

圖3 測線1沉降槽隨時間變化規(guī)律

圖4 測線2沉降槽隨時間變化規(guī)律

圖5 測線3沉降槽隨時間變化規(guī)律

圖6 監(jiān)測點累計沉降量變化

由各線路監(jiān)測點的累計沉降量變化可以得出，在施工期間，沉降變化量的分布相對而言較為均勻（異常值除外），累計沉降值整體處于-10～+2mm 之間，施工實施階段地面產(chǎn)生的沉降處于可控范圍內(nèi)；如圖7所示，異常值并不是連續(xù)性出現(xiàn)，對整體施工和環(huán)境產(chǎn)生的影響相對較小。

圖7 監(jiān)測點沉降日變量變化

為進(jìn)一步分析盾構(gòu)側(cè)穿對鐵路的影響，分析路基沉降量的變化規(guī)律，如圖8 所示。監(jiān)測點由小到大沿著隧道掘進(jìn)方向布置；由圖可知由近到遠(yuǎn)來看，沉降整體分布趨勢為“V”形趨勢，近端表現(xiàn)沉降特征，而遠(yuǎn)端表現(xiàn)隆起特征，隨著時間推移，各個監(jiān)測點整體分布規(guī)律保持一致，但沉降量逐漸降低并趨于某個值，整體沉降量在-4～4mm之間，處于設(shè)計值內(nèi)；且與地面沉降不同，路基在保持整體穩(wěn)定性的同時并沒有出現(xiàn)異常值，表明側(cè)穿過程中可拆解盾構(gòu)對運(yùn)營鐵路的影響相對較小。

圖8 路基沉降隨時間變化規(guī)律

5 結(jié)語

（1） 可拆解盾構(gòu)側(cè)穿既有鐵道的施工中，臨近施工區(qū)域出現(xiàn)的隆起量超過15mm，超出了預(yù)警值的控制標(biāo)準(zhǔn)，但是異常值并不是連續(xù)出現(xiàn)的，對施工及隧道周圍環(huán)境的影響不大，針對出現(xiàn)沉降異常值區(qū)段，要進(jìn)行多次監(jiān)測，施工時可進(jìn)行必要的地層加固措施。

（2） 可拆解盾構(gòu)采用根據(jù)工程經(jīng)驗分析得出的參數(shù)是可靠的，盾構(gòu)側(cè)穿鐵道時對鐵道影響較小，發(fā)生的變形沉降均在可控范圍內(nèi)。通過工程應(yīng)用表明可拆解盾構(gòu)裝備具有較好的實用性與穩(wěn)定性。

（3） 可拆解盾構(gòu)適用性比較強(qiáng)，可以適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的工程中，能保證隧道掘進(jìn)施工過程中的穩(wěn)定性。隨著城市地下空間利用形式多樣化以及盾構(gòu)法應(yīng)用范圍擴(kuò)大，可拆解盾構(gòu)裝備憑借其具有的靈活性、可變性以及穩(wěn)定性，具有較好的應(yīng)用前景。