長沙地鐵富水軟弱地層盾構(gòu)下穿京廣鐵路風險分析與控制研究

朱雙廳，沈煒東，劉錦成，王 俊，3，陽軍生

(1.中南大學土木工程學院，長沙 410075;2.中鐵二十五局集團軌道交通工程有限公司，廣州 511457;3.長沙市軌道交通建設集團有限公司，長沙 410014)

1 概述

長沙地鐵1號線涂家沖站—鐵道學院站區(qū)間在Y(Z)24+245～Y(Z)24+210下穿京廣鐵路，區(qū)間隧道與京廣鐵路斜交74°，區(qū)間右線為直線，左線為半徑600 m的平曲線，左右線中心間距22.8 m。穿越京廣鐵路段區(qū)間位于14.103‰的縱坡上，最小覆土厚度約8.7 m［1］。

區(qū)間左右線均采用盾構(gòu)法施工，從鐵道學院站始發(fā)，采用內(nèi)徑為5.4 m，厚30 cm C50鋼筋混凝土管片。左右線分別在京廣鐵路K1575+75和K1575+100里程處下穿，穿越段位于京廣鐵路單渡線道岔區(qū)。京廣鐵路為Ⅰ級鐵路，線路正常運行速度為120 km/h，穿越段道岔型號為P60-1/12，上下行線間距5 m，鐵路道床類型為碎石道床，道床厚度約為0.45 m。區(qū)間下穿京廣鐵路位置示意見圖1。

圖1 區(qū)間下穿京廣鐵路位置示意

區(qū)間所穿越地層為上層粉質(zhì)黏土、下層砂卵石的富水軟弱地層;地下水位變化主要受氣候及湘江水域的控制，勘察時水位埋深7.3 m左右，高程約46.6 m;在京廣鐵路兩側(cè)是傾角為36°的邊坡，北側(cè)邊坡植被茂盛，右側(cè)邊坡采用漿砌片石護坡，下穿京廣鐵路段地層縱斷面如圖2所示。

圖2 區(qū)間穿越地層縱斷面

在國內(nèi)外眾多盾構(gòu)隧道施工文獻［2-7］中，介紹了較多的盾構(gòu)下穿鐵路線的施工案例，思路一般都是先對既有鐵路的進行保護，再下穿，目前提出的對既有鐵路的保護方案主要包括:地基的加固，對鐵路線的加固保護。王偉忠［2］結(jié)合上海市軌道交通11號線盾構(gòu)下穿滬寧鐵路，提出控制地面變形的地基加固方案;章龍管［3］針對成都地鐵1號線盾構(gòu)穿越火車南站鐵路股道，提出扣軌加固為主的既有線保護方案;北京地鐵大興線盾構(gòu)以300 m小曲線半徑下穿京滬、京九等12股鐵路［4］，同時采取兩個方案對既有鐵路進行保護。

本文結(jié)合具體地質(zhì)與環(huán)境條件，對盾構(gòu)下穿京廣鐵路進行風險分析與控制研究，系統(tǒng)分析盾構(gòu)下穿鐵路施工風險，闡述其風險因素及造成的危害，并提出有效的控制措施，可為類似工程實踐提供有益的參考。

2 盾構(gòu)下穿鐵路施工風險因素分析

長沙地鐵1號線涂家沖站—鐵道學院站區(qū)間盾構(gòu)下穿京廣鐵路施工中，需確保鐵路的正常運行，但該段地質(zhì)條件和環(huán)境條件復雜，風險源眾多，路基沉降控制困難，施工風險極高;風險源主要包括復雜的環(huán)境條件和地質(zhì)條件、盾構(gòu)掘進參數(shù)控制、施工組織與管理等。

(1)復雜的環(huán)境條件

穿越段的京廣鐵路線上列車運行頻繁，平均3～5 min就有1趟列車通過，盾構(gòu)施工不可避免引起路基沉降，導致軌道的變形，直接威脅到列車運行安全。

該段復雜環(huán)境條件，對盾構(gòu)下穿京廣鐵路產(chǎn)生的不利影響表現(xiàn)在:①通過的列車多樣，有普通客運列車、動車組和重載貨物列車;②下穿京廣線段地質(zhì)條件復雜且埋深很淺，僅8.7 m，盾構(gòu)掘進與地面列車運行相互影響關(guān)系密切且復雜，且在淺覆土條件下盾構(gòu)施工對地表影響較大;③左右線盾構(gòu)下穿京廣線后將近距離側(cè)穿一橋墩，為減小對該橋墩的影響，對隧道施工引起的地表沉降控制提出了更高的要求。

(2)復雜的地質(zhì)條件

隧道穿越地層為上層粉質(zhì)黏土、下層砂卵石的富水軟弱地層，對盾構(gòu)下穿京廣鐵路施工產(chǎn)生的不利影響表現(xiàn)在:①由于上下土層差異明顯，呈上軟下硬的特點，如果盾構(gòu)參數(shù)設置不當，極有可能導致盾構(gòu)機出現(xiàn)抬頭現(xiàn)象;②卵石地層的自穩(wěn)能力差，掌子面容易產(chǎn)生涌水、涌砂，隧道施工對地層的擾動容易發(fā)生較大的地面沉降甚至塌陷［8，9］;③大粒徑的卵石容易造成超挖和排砟困難，對盾構(gòu)設備磨損嚴重，施工風險極高。

(3)盾構(gòu)掘進參數(shù)的控制

①土艙壓力。盾構(gòu)土艙壓力是控制掌子面穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。土艙壓力偏小時，不足以平衡開挖面水土壓力，嚴重時將導致掌子面失穩(wěn)，地層變形過大，進而危及上部結(jié)構(gòu)安全;土艙壓力過大時，對掌子面擠壓過量，引起掌子面前方地表隆起，從而引起變形過大［10］;盾構(gòu)在砂卵石地層中掘進，土艙壓力控制困難，容易造成較大的地表沉降。

穿越京廣線段地勢變化很大，穿越邊坡前覆土厚度為15.5 m，穿越邊坡后覆土厚度瞬間降低到京廣線上最小覆土厚度8.7 m。由于該穿越段上覆土變化大，取土體泊松比 u=0.4，則土艙壓力理論值 σ=0.4/(1-0.4)×20 000 × (15.5 ～ 8.7)Pa≈0.21 ～0.12 MPa［11］，在實際施工中，土艙壓力的設定比理論計算值高15～25 kPa。為保證京廣鐵路和邊坡的安全，在短距離內(nèi)對土艙壓力進行及時調(diào)整較困難，同時由于穿越段下方為砂卵石層，在該地層下進行隧道盾構(gòu)法施工，開挖面的穩(wěn)定性難以控制，易造成較大的地表沉降。

②掘進速度。掘進速度太慢或盾構(gòu)機停留時間過長，盾構(gòu)機自重對隧道下臥層施壓引起地層豎向位移，掘進速度應盡量提高，讓盾構(gòu)機快速通過，同時掘進速度要與盾尾同步注漿能力相匹配［12］，在保證盾構(gòu)穩(wěn)定掘進和同步注漿能及時跟上的前提下，適當提高掘進速度。

此外，保持掘進速度的穩(wěn)定性也是避免盾構(gòu)超挖、減小地層損失的重要保證。

③同步注漿和二次注漿。同步注漿和二次注漿是彌補盾構(gòu)施工產(chǎn)生地層損失的重要措施，若注漿不及時或參數(shù)控制不當時，會使地表產(chǎn)生較大的沉降或隆起，影響既有鐵路行車安全和邊坡穩(wěn)定。

④盾構(gòu)姿態(tài)控制。由于左線處于半徑600 m的平曲線上，該曲率半徑掘進必然要盾構(gòu)對姿態(tài)進行調(diào)整，當盾構(gòu)姿態(tài)控制不好時，可能引起超挖及增加施工擾動次數(shù)，且不利于管片受力均勻，甚至局部受拉破損。

⑤機械故障。盾構(gòu)下穿過程中發(fā)生機械故障時，掘進參數(shù)會急劇變化或控制困難，再次掘進時，盾構(gòu)姿態(tài)較難控制，容易超挖引起地表沉降，給下穿京廣鐵路增加風險，應盡量避免。

(4)施工組織與管理

盾構(gòu)施工過程中，機組人員的操作熟練程度以及施工經(jīng)驗，對隧道建設質(zhì)量和施工安全也會產(chǎn)生顯著影響，機組人員的業(yè)務不精、決策失誤或者操作不當，都是土壓盾構(gòu)穿越京廣鐵路的風險源［13］。

3 風險控制措施

綜上所述，需要采取有效的控制措施以規(guī)避下穿京廣鐵路風險。采取的控制措施主要有:(1)軟弱地層旋噴樁加固;(2)線路架空加固，橫抬縱挑，保證鐵軌不受施工影響;(3)盾構(gòu)掘進參數(shù)控制;(4)其他措施。

(1)軟弱地層旋噴樁加固

在京廣鐵路兩側(cè)，排水明渠內(nèi)各打設3排旋噴樁(φ800 mm，間距500 mm，采用三重管)，起到加固土體、止水、隔斷及控制變形的作用，見圖3、圖4。

圖3 長沙地鐵1號線下穿京廣鐵路段加固平面(單位:m)

旋噴樁采用強度等級為42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥，為改善水泥漿液性能，根據(jù)水泥土特點通過室內(nèi)配比試驗或現(xiàn)場試驗，可加入適量的外加劑和摻和料。水泥摻量不小于20%。

(2)線路架空加固——“橫抬縱挑”法

采取將線路架空加固，即使路基沉降較大時鐵路依然安全運營，線路加固后列車荷載傳遞路徑為:列車荷載→鋼軌→橫梁→縱梁→人工挖孔樁。施作工藝如下:加固體系橫梁(組)采用I36c型鋼，每2根軌枕間穿1根工字鋼橫梁;橫梁跨度約為5.7 m和5.125 m，從鋼軌底穿過。加固體系縱梁采用I63c型鋼梁，3片一組分別安裝在京廣鐵路上下行線之間和線路外側(cè)路肩位置的人工挖孔樁上，縱梁主跨度最大為13.5 m;縱梁采取在挖孔樁帽梁預埋鋼軌固定，縱梁與橫梁采用U形螺栓連接，為保證線路架空后基本軌固定，采用K型扣板固定橫梁與基本軌，橫梁與鋼軌間必須可靠絕緣。

圖4 長沙地鐵1號線下穿京廣鐵路段加固縱斷面(單位:mm)

在京廣鐵路上下行線間、上下行線路肩對應縱梁底設置 φ1.5 m、長 8 m 和 16.5 m，間距 8、10.2 m 和13.5 m的C30鋼筋混凝土擴底人工挖孔樁，作為橫縱梁支撐，三維效果圖見圖5。支點(撐)樁頂高程可根據(jù)實際情況確定，支點樁頂設樁帽，樁帽頂高程應稍低于路基面高程。

(3)盾構(gòu)掘進施工控制

針對掘進參數(shù)等風險源，提出如下的控制措施。

①土倉壓力控制。因地勢起伏較大，兩側(cè)土艙壓力要求高，中間低，盾構(gòu)穿越過程中要每環(huán)漸變降低土艙壓力，掘進模式采用滿倉全土壓模式，防止掌子面拱頂圍巖失穩(wěn)，對地表沉降控制具有重要影響。

圖5 線路架空加固—“橫抬縱挑”施工

②渣土改良。盾構(gòu)下穿掘進過程中開挖面土層性質(zhì)差異較大對掘進不利，施工中通過向前方加膨潤土和泡沫劑來改良土體，增加土體的流塑性，使盾構(gòu)機前方土壓計數(shù)值更加準確，保證螺旋機輸送出土順暢，減少盾構(gòu)對前方土體的擠壓，及時填充刀盤旋轉(zhuǎn)之后形成的空隙。

③盾構(gòu)機姿態(tài)糾偏。針對左線處于半徑600 m的平曲線上，在盾構(gòu)機進入京廣鐵路下穿段影響范圍之前，將盾構(gòu)機調(diào)整到良好的姿態(tài)，并且保持這種姿態(tài)穿越鐵路。即使糾偏，也應堅持“多次少量”的原則，一次性盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過大、過頻，糾偏量每環(huán)不大于5 mm，減少對地層擾動的影響。

④管片安裝。在管片拼裝過程中，安排最熟練的拼裝工進行拼裝，減少拼裝時間，縮短盾構(gòu)停頓時間，拼裝結(jié)束后，盡快恢復推進，有利于減小盾構(gòu)機自重對隧道下臥層施壓引起地層豎向位移。

⑤同步注漿。盾尾通過后管片外圍和土體之間存在空隙，施工掘進中采用高倍率同步注漿來填充這部分空隙。要嚴格控制注漿量和漿液質(zhì)量，注漿量控制在空隙的2.5～3.0倍，同步注漿盡可能保證均勻、連續(xù)。

(4)其他控制措施

①在盾構(gòu)穿越京廣鐵路前，應對盾構(gòu)機進行全面檢修，并加強設備保養(yǎng)，最大限度地避免盾構(gòu)下穿期間出現(xiàn)設備故障;

②盾構(gòu)下穿施工期間，京廣鐵路上下行線減速慢行，從120 km/h降低到45 km/h，減小動力響應影響;

③加強現(xiàn)場沉降監(jiān)測，加大監(jiān)測頻率，確保監(jiān)測的精準并及時反饋，為盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù);

④因架空體系本身也是風險源，可能存在施工不到位或者其他因素引起的結(jié)構(gòu)安全性不足，因此在京廣鐵路穿越段加固和盾構(gòu)下穿期間，每過一趟列車對線路架空結(jié)構(gòu)的連接件和線路需進行檢查，保證線路高程、各構(gòu)件連接可靠。

4 盾構(gòu)下穿京廣鐵路控制效果

4.1 施工過程

長沙地鐵1號線的左右線于2012年12月25日前完成下穿段人工挖孔樁的施工，2013年3月10日前完成線路架空加固工作。右線盾構(gòu)于2013年3月15日開始下穿，3月20日完全通過下穿京廣鐵路段，左線盾構(gòu)于2013年3月24日至27日下穿京廣鐵路段。盾構(gòu)施工過程中京廣鐵路的安全運營得到了保證。

下穿京廣鐵路段盾構(gòu)施工采用滿倉全土壓掘進模式，嚴格控制土艙壓力，并對現(xiàn)場施工情況進行全方位監(jiān)測與記錄，全程跟蹤下穿京廣鐵路段盾構(gòu)掘進過程。

4.2 監(jiān)測結(jié)果與分析

通過跟蹤盾構(gòu)下穿過程掘進參數(shù)變化及注漿情況，對下穿段關(guān)鍵掘進參數(shù)進行均值和標準差的統(tǒng)計，結(jié)果見表1。

表1 左右線掘進參數(shù)對比統(tǒng)計

右線先于左線盾構(gòu)穿越京廣線，由于缺乏工程經(jīng)驗，路基出現(xiàn)少量隆起;左線施工時結(jié)合右線的工程經(jīng)驗，掘進過程中降低了土艙壓力，提高了掘進速度，并調(diào)整了其他掘進參數(shù)如總推力、刀盤扭矩、同步注漿量、出土量等，以適應京廣鐵路段復雜的地質(zhì)、地形條件。

京廣線段下穿過程中，對京廣鐵路兩側(cè)的路基隆沉變形值也進行了全程監(jiān)測，測點布置見圖6。

圖6 京廣鐵路路基沉降測點平面布置

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，3月15日至3月18日右線盾構(gòu)穿越北側(cè)路基時，拱頂附近測點均處于隆起狀態(tài)，沉降槽呈上凸狀(圖8)，最大隆起達到約5 mm，說明土艙壓力較大，對掌子面擠壓過量，引起掌子面前方地表隆起，盾尾通過后各測點逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 右線北側(cè)路基沉降－時間曲線

從圖9左線路基沉降-時間曲線可知，該線下穿施工引起各測點位移變化較小，左線施工時降低了土艙壓力，從1.5 MPa降低到1.3 MPa，盾構(gòu)施工未引起地表隆起，最大沉降為-1.23 mm，說明該土艙壓力下掘進對地層擾動較小，地表位移控制效果較好;同時可發(fā)現(xiàn)左線附近兩側(cè)隆起較大，沉降槽呈上凹狀(圖8)，A112測點較大，達到約2 mm，此應與洞內(nèi)二次注漿壓力較大，注漿孔位于管片左右側(cè)有關(guān)。

圖8 北側(cè)路基沉降槽曲線

圖9 左線北側(cè)路基沉降－時間曲線

監(jiān)測結(jié)果表明，路基隆沉量較小，隆沉量在6 mm以內(nèi)。右線通過時各測點的隆起值最大值約5.9 mm;左線通過時各測點累計沉降量在2 mm以內(nèi)，說明掘進參數(shù)合理，通過降低土艙壓力、提高掘進速度等掘進參數(shù)的調(diào)整降低了對地層的擾動，路基沉降情況控制良好。

5 結(jié)論

(1)從地質(zhì)條件、環(huán)境條件、掘進參數(shù)控制和施工組織與管理等方面詳細分析了長沙地鐵富水軟弱地層盾構(gòu)下穿京廣鐵路施工風險，提出了對下穿鐵路段采用旋噴樁加固+“橫抬縱挑”法的保護和加固措施，并在現(xiàn)場實施，在橫抬縱跳加固下盾構(gòu)下穿京廣鐵路，通過轉(zhuǎn)移列車荷載影響，保證了盾構(gòu)下穿既有鐵路安全正常運營。

(2)通過掘進全過程現(xiàn)場的跟蹤監(jiān)測，結(jié)果表明路基沉降情況控制良好，隆沉量能有效控制在6 mm范圍內(nèi)，對地層擾動小，盾構(gòu)掘進參數(shù)合理。現(xiàn)場施工情況證明風險控制措施切實可行。

(3)通過本工程實例表明，盾構(gòu)穿越復雜環(huán)境地段時，為保證順利穿越，應進行系統(tǒng)的風險因素分析，提出相應的控制措施，以達到風險控制效果。

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