盾構隧道曲線下穿鐵路客站風險源的施工安全控制技術

龍 剛

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

隨著我國經濟社會的不斷發(fā)展，地鐵已經成為解決城市交通擁堵的一大有效工具。然而，在城市地鐵建設規(guī)模的不斷擴大中，地鐵隧道不可避免地需要下穿鄰近的建(構)筑物，其施工過程中引起的地表沉降會使得鄰近建(構)筑物傾斜、扭曲，從而造成結構的損壞，嚴重的地表變形還會導致房屋的倒塌[1-6]。如何確保重大建(構)筑物在地鐵隧道施工過程中的安全，已經成為地鐵參建各方關注的熱點問題之一。

黃雪梅等[7]對小半徑盾構隧道下穿鐵路軌道的控制措施進行了研究，結果表明：在盾構隧道施工過程中對鐵路軌道進行扣軌加固以及洞內徑向注漿加固，可以有效的減少盾構施工給鐵路軌道所造成的影響。李祥東等[8]對土壓平衡盾構下穿朝陽公園北湖段進行了施工參數(shù)試驗分析，結果表明：將土倉壓力控制在0.10～0.12 MPa，掘進速度控制在50～70 mm/min，可以確保盾構安全平穩(wěn)通過朝陽公園北湖。

本文結合呼和浩特市軌道交通2號線一期工程公主府站～呼和浩特站區(qū)間隧道施工，對盾構下穿呼和浩特火車站高架候車廳、鐵路軌道等重大風險源進行分析，并提出相應的技術措施，保障盾構隧道下穿重大風險源的施工安全。

1 工程概況

呼和浩特市軌道交通2號線一期工程公主府站～呼和浩特站盾構區(qū)間采用雙孔單線隧道設計，隧道全線敷設于地下。盾構機使用中鐵重工兩臺編號為269、270土壓式平衡盾構機進行施工。隧道主體結構為由管片錯縫拼裝而成的環(huán)形結構，盾構管片內徑為5.5 m，外徑為6.2 m，管片厚度為0.35 m，環(huán)寬1.5 m，環(huán)間通過螺栓連接。鋼筋混凝土管片設計強度為C50，抗?jié)B等級為P12。

盾構機自公主府站始發(fā)，于呼和浩特站接收井接收，區(qū)間隧道依次下穿道北三小區(qū)、道北二小區(qū)、火車站天橋、旅客地道、鐵路股道和火車站站房，盾構區(qū)間沿線風險源眾多，施工難度大。

該區(qū)間為山前沖洪積傾斜平原，地形較平緩，隧道所處地層主要為砂性地層。地層自上而下依次為：①1雜填土、③3粉土、③4粉砂、③9圓礫、③5細砂、③6中砂、④5細砂和④2粉質黏土。

區(qū)間地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深7.4～9.4 m，含水地層以圓礫、粉土、細砂、中砂為主，總體上以富水及中等富水為主。

2 下穿風險源基本情況

盾構隧道曲線下穿呼和浩特火車站主站房、高架候車廳、進站天橋、旅客地道和鐵路股道等，關系到列車行車安全和旅客運輸安全，均為一級風險源，施工時需要采取必要的應對措施。

2.1 火車站主站房和高架候車廳

火車站主站房為筏板基礎，管片外表面距筏板底最小凈距約12.793 m。站房與盾構隧道相對位置如圖1所示。

高架候車廳為樁基礎，樁長12.0 m，樁底標高

圖1 火車站站房與盾構隧道相對位置關系(單位：mm)

為-15.4 m(站臺面相當于±0.000)，管片外表面距樁基底最小凈距約3.646 m。隧道與高架候車廳的位置關系如圖2所示。

圖2 隧道與高架候車廳的位置關系(單位：mm)

2.2 進站天橋和旅客地道

盾構區(qū)間下穿呼和浩特火車站進站天橋和旅客地道段，左、右線均為上坡，旅客地道采用箱型框架結構，旅客進站天橋柱子生根于旅客地道側墻上，管片外表面距旅客地道基底最小凈距約9.217 m，管片外表面距旅客地道人工挖孔圍護樁底約8.546 m。區(qū)間隧道與天橋、旅客地道的相對位置關系如圖3所示。

2.3 鐵路股道

呼和浩特站為一等車站，每日接車100多列，主要線路為京包客專(2股正線+2股到發(fā)線)和唐呼線(2股正線+6股到發(fā)線)。下穿段區(qū)間左線長度為105.113 m，右線長度為105.124 m，管片外表面距軌道路基底最小凈距約16.321 m，如圖4所示。

圖3 盾構隧道與天橋、旅客地道相對位置(單位：mm)

圖4 盾構隧道與鐵路股道相對位置關系(單位：m)

3 區(qū)間盾構施工重難點分析

(1)盾構隧道小曲率連續(xù)下穿風險源。盾構隧道以400 m小曲率半徑連續(xù)“S”型下穿火車站、鐵路股道、居民樓等重大風險源在國內鮮見報道，在隧道掘進過程中勢必會造成一定的超挖，這對地面的沉降控制極為不利。

(2)區(qū)間地質復雜，對盾構機操作手水平要求高。本區(qū)間隧道主要穿越中砂、細砂、粉砂、粉質黏土地層，地層自穩(wěn)性較差，穿越地層類型較多，要求盾構機操作手能夠根據(jù)出土情況和地面沉降及時調整盾構機的參數(shù)。

(3)盾構區(qū)間全部位于地下水位線以下。隧道所在地層地下水豐富，在盾構施工過程中如果管片接縫防水不嚴產生滲水或者注漿材料被地下水過多稀釋導致填充加固效果不佳，這些都會使得隧道周圍產生較大的地層損失，從而導致地面沉降過大。

(4)動荷載影響。呼和浩特站主要提供京包線、唐呼線、呼哈線和呼鄂線上的鐵路客運服務，每天來往列車車次較多，客流量大，列車運行產生的動荷載對地表沉降影響較大。

(5)沉降控制要求嚴格。鐵路的安全運行對鐵路路基沉降值和軌道幾何尺寸容許偏差有著嚴格的控制標準，盾構施工造成的地表沉降會影響到既有鐵路的控制指標，從而使得列車在運行中存在一定的風險。為保證呼和浩特站的安全運行以及來往列車的安全，根據(jù)《鐵路軌道工程施工質量驗收標準》和《鐵路路基設計規(guī)范》的要求，將普通鐵路路基沉降控制在9 mm以內，高速鐵路沉降控制在7 mm以內，軌道軌距偏差控制在-2～4 mm內。

4 試驗段施工

本工程區(qū)間段施工過程中，為確保盾構隧道安全下穿客站主站房和高架候車廳、進站天橋和旅客地道以及鐵路股道等風險源，將穿越站場段前100 m定為盾構施工掘進試驗段。試驗段的施工主要達到以下目的：

(1)驗證施工參數(shù)。通過對掘進參數(shù)及地面沉降監(jiān)測進行系統(tǒng)分析，確定制定的掘進參數(shù)是否能夠滿足沉降控制要求，對不合適的參數(shù)及時進行調整，確保盾構機各項掘進參數(shù)在進入站場段前能夠達到最優(yōu)。

(2)總結地表沉降規(guī)律。盾構施工引起的地表沉降一般可分為3個階段：盾構到達前、盾構通過中和盾構通過后。在試驗段掘進過程中，需要詳細的分析每個階段沉降值與掘進參數(shù)的關系，通過有針對性的調整掘進參數(shù)，確保地表沉降得到有效的控制。

(3)控制好盾構姿態(tài)。盾構掘進中的糾偏會增大土體的擾動，盾構進入站場段前，即試驗段掘進中，必須將盾構姿態(tài)調整到最佳，確保盾構機下穿站場段期間不進行糾偏。

(4)總結注漿施工的注漿壓力對地面變形的影響，在避免地面下沉的前提下嚴防地面隆起。

(5)調整盾構機的性能，確保盾構機施工過程勻速、平穩(wěn)、不停機地快速通過各項風險源。

5 盾構掘進控制措施

在盾構掘進下穿風險源過程中，應嚴格控制盾構掘進參數(shù)，使盾構勻速、平穩(wěn)的下穿風險源。根據(jù)穿越站場段前100 m的試驗段施工，得到了盾構機的基本掘進參數(shù)。

(1)為了減少刀盤對前方土體的切削擾動，將刀盤轉速控制在0.80～1.64 r/min，推進速度控制在20～30 mm/min，總推力控制在8 000～12 000 kN。

(2)土倉壓力對掌子面的穩(wěn)定性有著重要的作用，在掘進過程中將土倉壓力控制在0.13～ 0.15 MPa。

(3)嚴格控制每環(huán)的出土量，避免出土量過大或過小所導致的地表沉降或隆起，將每環(huán)出土量控制在58 m3左右。

(4)嚴格控制同步注漿量、注漿壓力和漿液的質量，最低限度的減小地層的損失，施工過程中將同步注漿量控制在7～9 m3/環(huán)，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa。

(5)根據(jù)開挖面所處地層，合理選用不同的渣土改良劑。當開挖面所處地層為純砂或含砂量較大的地層時，采用膨潤土進行渣土改良，以保證開挖面的穩(wěn)定以及出土的順利；當開挖面為砂土混合地層時采用泡沫劑進行改良。

6 下穿風險源加固措施

盾構隧道下穿風險源地段，除了控制盾構掘進參數(shù)，減少施工對地層的擾動以外，還需要采取必要的加固措施，確保盾構下穿過程中，鐵路站房和高架候車廳、進站天橋和旅客地道以及鐵路軌道的安全。

(1)本區(qū)間盾構隧道下穿呼和浩特火車站站場鐵路軌道段落，隧道覆土約為16 m，與線路斜交。為保證鐵路運營期間的安全、穩(wěn)定，對本段落鐵路采用洞內管片背后二次深孔加強注漿、地面預注漿和扣軌方式進行加固。

(2)區(qū)間盾構隧道下穿呼和浩特火車站進站天橋和旅客地道段，采取洞內管片背后二次深孔加強注漿措施，對隧道周邊3 m范圍內的土體進行加固，防止進站天橋和旅客地道的沉降，

(3)區(qū)間盾構隧道下穿呼和浩特火車站主站房(B區(qū))、接建門廳段，采取洞內管片背后二次深孔加強注漿保護措施，防止施工過程中主站房產生較大的沉降量。

(4)區(qū)間盾構隧道下穿高架候車廳時，采用預埋袖閥管跟蹤注漿加固措施，對候車廳樁基礎進行預加固，確保樁基沉降控制在允許范圍以內。

6.1 洞內管片背后二次深孔加強注漿

區(qū)間盾構穿越火車站主站房、進站天橋和旅客地道段以及站場鐵路軌道風險源過程中，對施工影響范圍內管片周圍土體施作二次深孔加強注漿(管片采用16孔特殊管片)，以提高管片周圍土體的強度和穩(wěn)定性，減少后期地表沉降的不利影響。洞內二次注漿注漿孔布置如圖5所示。

圖5 管片背后二次深孔加強注漿

注漿漿液采用水泥—水玻璃雙漿液，通過對特制管片的注漿孔進行鉆孔，安裝球閥裝置并植入注漿管，然后采用注漿設備對隧道周圍土體進行對稱加固。注漿管采用?42 mm袖閥管，注漿采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，每孔注漿量為3～5 m3，分2次注漿，注漿壓力不大于1.0 MPa。

6.2 軌道結構采用3-7-3扣軌加固

在鋼軌加固段對鋼筋混凝土枕間穿插長木枕，并在軌底增設絕緣膠墊和墊板，以加固軌面并減少對電氣信號的干擾。實施線路加固前、后，需對無縫線路進行應力放散和焊接，并監(jiān)測軌溫變化。吊軌梁采用50 kg/m鋼軌、43 kg/m鋼軌，組裝方式為3-7-3扣軌。吊軌與其下面的普通岔枕用型號22的U型螺栓和角鋼連在一起以增強其整體性，并設置軌距桿。U型螺栓用?22 mm圓鋼制成，兩端M22螺紋，螺紋長度80 mm，每件包括4個螺母及彈簧墊圈。

在線路混凝土枕間穿插木枕，枕木下道砟振搗密實。穿插木枕采用隔六穿一、隔一布一，確保線路穩(wěn)定。穿插后對線路進行全面檢查，使其符合軌道施工的有關要求。扣軌加固示意如圖6所示。

扣軌施工完成后以及拆除扣軌和恢復線路正常運營前，均應對道床進行搗固，以保證道床的穩(wěn)定。

6.3 高架候車廳樁基礎預埋注漿管

考慮到區(qū)間結構與高架候車廳樁基凈距較小，盾構掘進過程中可能會引起樁基整體沉降或差異沉降。為防止樁基沉降導致候車廳結構開裂破壞，在盾構通過前，采用?52 mm×5 mm的袖閥管對下穿影響范圍內的候車廳樁基承臺周圍土體進行預注漿加固，加固范圍為承臺下方2 m，樁基礎周圍1 m。

圖6 扣軌施工單股道(單位：mm)

注漿材料采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，水玻璃摻量為3%，注漿從外圍向中間依次進行。當注漿壓力保持在1.0～2.0 MPa，注入量<1～2 L/min，并穩(wěn)壓20 min，即可結束注漿。

加固后的地層應具有良好的均質性和自穩(wěn)性。注漿加固完成后應及時清洗注漿管，預留跟蹤注漿的條件。盾構通過后應根據(jù)監(jiān)控量測的結果，必要時進行地面二次注漿，具體加固措施詳見圖7和圖8。

圖7 承臺注漿管布置

7 結束語

在呼和浩特軌道交通2號線盾構隧道下穿呼和浩特火車站施工過程中，綜合使用上述加固措施，盾構機順利通過了鐵路站房和高架候車廳、進站天橋

圖8 高架候車廳地面注漿加固范圍(單位：mm)

和旅客地道以及鐵路軌道等一級風險源，監(jiān)測最大沉降量為2.2 mm，滿足了既有鐵路安全運營的要求。