天津地鐵盾構區(qū)間下穿鐵路情況及保護措施

馬 文

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

1 工程簡介

新開路站—紅星路站區(qū)間在左線DK13+840、右線DK13+842.6處(區(qū)間中部)下穿京山鐵路三線。據(jù)調查得知，此線路為單線，該線全部為貨車，白天一小時2趟，晚間一小時4趟。在華昌大街與京山三線的交叉口的東北和西南兩角分別有一座一層磚房，屬鐵路局所有。東北角一側的磚房與新紅區(qū)間左線結構凈距14 m左右，西南角一側的磚房與新紅區(qū)間右線結構凈距2 m左右。新紅區(qū)間盾構隧道穿越京山三線鐵路平面簡圖及下穿鐵路橫剖面圖分別見圖1，圖2。

圖1 地鐵平面簡圖（單位：m）

圖2 地鐵橫剖面圖（單位：m）

2 地質情況

2.1 工程地質

新開路站—紅星路站區(qū)間所處地段屬沖積平原，地形較平坦，地面高程1.5 m～4.02 m。各層具體分布詳見地質縱斷面圖，其巖性特征描述見表1。

表1 地質縱斷面分布表

區(qū)間上面有淤泥質粉質粘土，呈透鏡狀遍布，規(guī)律性較差。盾構掘進主要在④1粉質粘土、④2層粉土、⑤1層粉質粘土、⑥1層粉質粘土、⑥2層粉土、⑥3層粉砂之中。具有明顯上軟下硬特征，上部易塌，下部⑥2層粉土、⑥3層粉砂中地下水豐富，水壓較大。

2.2 水文地質

經現(xiàn)場抽水試驗和室內滲透試驗并參考地區(qū)經驗，經取水樣試驗分析，潛水對混凝土結構具硫酸鹽及侵蝕性CO2弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具中等腐蝕。

3 施工階段分析

3.1 理論計算分析

列車荷載按相應規(guī)范取值，并考慮列車荷載的動力系數(shù)及橫向搖擺力的影響。在不采取任何加固措施的情況下理論計算的結果如下:

隧道模擬計算模型采用平面應變模型，計算范圍上取至地面，下取至地面下30 m處，橫向各取至距兩洞邊線30 m，橫向共80.85 m。計算采用MIDS/GTS程序進行模擬計算分析。施工模擬計算先施工左線隧道，左線隧道襯砌環(huán)施工完以后再施工右線隧道。計算中，采用平面實體單元模擬地層，采用梁單元模擬襯砌環(huán)。結構計算模型和單元劃分分別如圖3所示。模型共2142個單元，2216個節(jié)點。

圖3 結構計算模型及單元劃分

計算結果:

地表沉降:左線隧道開挖后最大地表沉降為10.3 mm，管片施工完后最大地表沉降為7.76 mm，發(fā)生在左線拱頂上方地面。由于左線隧道的影響，右線隧道施工引起的位移場與左線隧道施工引起的位移場疊加，最大地表沉降位置發(fā)生在左、右線隧道之間，開挖后最大地表沉降為10.36 mm，管片施工完后最大地表沉降為7.83 mm。

沉陷槽寬度:左線隧道施工完沉降槽寬度為20 m，右線隧道施工完沉降槽寬度為38 m。由此可知，鐵路受影響的范圍:距區(qū)間右線中心線20 m和距區(qū)間左線中心線10 m范圍內，總長度約45 m。

在盾構區(qū)間方向，采取以上保護措施的范圍可取與國鐵交叉點前后各20 m。

3.2 施工時應注意事項

1)盾構穿越前需對該段地質進行詳細勘探，防止推進過程中意外情況發(fā)生，同時確保穿越過程中盾構設備無故障。

2)盾構施工要求:

a.根據(jù)前期盾構掘進參數(shù)控制與地層位移的關系，確定合理的土壓力設定值、排土率及掘進速度等。盾構機姿態(tài)控制:嚴格控制盾構的軸線和糾偏量，在鐵路下糾偏坡度控制在±1‰之內，平面偏差15 mm內，一次糾偏量不超過5 mm。根據(jù)查明的地質情況，針對土層的變化設定合理的土壓倉壓力，在盾構下穿鐵路前調整好。推進速度控制在1.0 cm/min～1.5 cm/min;螺旋輸送機的轉速保持在8 r/min～12 r/min范圍，排土量為理論值37.9的98%，即37.1 m3/環(huán);上下行線施工時，土壓力設定值為0.18 MPa。

b.減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，降低地基土橫向變形施加于路基的橫向力。盾構掘進速度應與地表控制的隆陷值、進出土量、正面土壓平衡調整值及同步注漿等相協(xié)調，如停歇時間較長時，必須及時封閉正面土體。

c.配合地面量測，及時進行壁后注漿和二次注漿。

同步注漿液采用惰性漿液，并根據(jù)盾構推進速度控制注漿量，實際注漿量采用理論值的200%～250%，即3.3 m3～4.1 m3。在確保壓漿質量的前提下，方能進行下一環(huán)的推進施工。

二次壓漿在管片出盾尾5環(huán)后進行，采用水泥漿摻粉煤灰，注漿壓力和注漿量雙控。施工中對壓漿位置、壓入量、壓力值做詳細記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調整。

3.3 使用階段分析

計算采用彈性地基圓環(huán)法，考慮列車荷載及管片接頭對內力的影響。該方法假定襯砌環(huán)支撐在彈性地基上，作用在隧道頂部的垂直荷載為地面超載和水土壓力。作用在隧道水平的荷載包括水平梯形土壓力和三角形抗力。根據(jù)圍巖所處地層的水文地質、滲透性、荷載確定采用水土分算法。

結構厚度350 mm，C50混凝土，覆土取15 m，取最不利水位地下3.1 m計算。

截面最大正彎矩在拱頂，M=178.000 ×1.2=213.6 kN·m，N=767.124 ×1.2=920.549 kN，管片內側按 0.2 mm 裂縫控制時，每環(huán)內側配筋8φ20+2φ25。

截面最大負彎矩在側拱中部，M=146.920 ×1.2=176.304 kN·m，N=1053.584 ×1.2=1264.301 kN，管片外側按0.15 mm 裂縫控制時，每環(huán)外側配筋8φ20+2φ16(見圖4)。

圖4 彎矩、軸力圖（單位：kN·m，kN）

4 監(jiān)控量測分析

盾構施工期間需加強對國鐵鐵路沉降、隆起的監(jiān)測，根據(jù)地表沉降及地層內部變形情況，加強監(jiān)測，調整監(jiān)測頻率，調整盾構機施工參數(shù)，及時進行洞內同步注漿、補充注漿。盾構通過此段時做到勻速、小進尺、有步驟的推進，并用監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)指導施工(見表2)。

表2 國鐵線路主要監(jiān)測項目表

監(jiān)控量測頻率根據(jù)實際情況確定，必要時進行跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測結果及時反饋給施工人員。

盾構機穿越影響段隧道后，且觀測值穩(wěn)定一周后可逐漸減少監(jiān)測頻率至停止。

具體監(jiān)測方案需與鐵路部門配合，確認項目是否齊全，以及具體項目的實施如何操作進行。

根據(jù)鐵路運營及地鐵施工工程經驗、鐵道部《鐵路線路維修規(guī)則》等相關標準，穿越國鐵地段，施工引起的地面沉降要求控制在±10 mm以內，同時以此限值的70%作為監(jiān)測報警值。

5 施工應急預案

1)監(jiān)測信息化。

加強工程監(jiān)測、監(jiān)控，實行信息化施工。一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)預警值，立即報告應急處理領導小組，同時監(jiān)測、監(jiān)控小組按程序增加監(jiān)測頻率和監(jiān)測點。

2)配備足夠的搶險機動設備、材料。

a.加固施工期間，防護人員加強監(jiān)護瞭望，防止施工機具侵入鐵路限界，并隨時檢查線路狀況，出現(xiàn)異常時立即采取相應措施;b.盾構隧道下穿線路時在線路兩側預先堆放道碴(按道床頂面寬3.4 m，碴肩堆高0.15 m，厚度 0.07 m，共需約 10 m3)，以備線路沉落后起、撥道所需;c.隧道外地層補償注漿:深孔鉆機、雙液及單液注漿設備各一套，20 m3注漿材料。

6 結語

由上可知，在采取以上保護措施之后，地表沉降滿足線路的沉降要求將不成問題，也能滿足東北和西南兩角的磚房的沉降要求。

［1］GB 50157-2003，地鐵設計規(guī)范［S］.

［2］施仲衡.地下鐵道設計與施工［M］.西安：陜西科學技術出版社，2006.