盾構(gòu)重疊地鐵隧道長(zhǎng)距離下穿鐵路軌道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)

朱亦墨,丁華光，楊光武

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031；2.深圳市政設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東深圳 518000；3.中國(guó)水利水電十四局有限公司軌道工程事業(yè)部,云南昆明 650000)

城市地鐵常下穿交通繁忙、建筑物密集、地下管線密集的城市繁華地段，對(duì)施工引起的地表沉降和變形要求非常嚴(yán)格[1-2]。當(dāng)?shù)罔F施工下穿既有鐵路時(shí)，隧道施工會(huì)引起地面既有鐵路軌道的變形，給列車運(yùn)營(yíng)安全造成非常嚴(yán)重的安全隱患。因此，隧道施工中必須進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)工作，以確保鐵路列車的安全、正常運(yùn)營(yíng)[3-4]。

深圳市城市軌道交通7號(hào)線的筍崗站～洪湖站區(qū)間隧道在寶崗路與洪湖西路之間以區(qū)間左右線路上下重疊方式下穿廣深鐵路深北車站站場(chǎng)的26股軌道，長(zhǎng)度約200 m(圖1)。地鐵隧道與鐵路交角約為80 °，左、右線隧道頂距鐵路軌底覆土分別約22.8 m和12.8 m，穿越地層主要為強(qiáng)風(fēng)化混合巖。為了保證廣深鐵路的運(yùn)營(yíng)及施工安全，施工期間對(duì)鐵路范圍內(nèi)主要設(shè)施進(jìn)行了全方位監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)施工參數(shù)，實(shí)行信息化施工。

圖1 深圳北站26股道與地鐵隧道平面位置關(guān)系

1 下穿廣深鐵路監(jiān)測(cè)方案

為了保證廣深鐵路的運(yùn)營(yíng)及施工安全，施工期間對(duì)鐵路范圍內(nèi)的主要設(shè)施進(jìn)行全方位甚至自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)(其中廣深正線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ采用自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其余采用人工監(jiān)測(cè))。

1.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：(1)軌面及路基沉降測(cè)量，26條軌道，每條軌道布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置130個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(2)信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)折機(jī)沉降監(jiān)測(cè)，布置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(3)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)，每個(gè)電氣化立柱布置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)和一個(gè)傾斜觀測(cè)點(diǎn)，該項(xiàng)布置24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)；(4)彩紅橋墩基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)，布置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；(5)軌道幾何尺寸(水平、高低、軌距)5條枕木測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，每條線路布置32個(gè)檢查點(diǎn)，26條股道布置464個(gè)檢查點(diǎn)。

1.2 監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況、關(guān)鍵施工階段的施工情況、監(jiān)測(cè)斷面距掘進(jìn)面的距離等綜合考慮，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值出現(xiàn)較大變化等異常情況時(shí)，及時(shí)增大監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)本工程的實(shí)際情況，其監(jiān)測(cè)頻率按表1執(zhí)行。

表1 各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率

1.3 監(jiān)測(cè)控制值與警戒值

在保證站場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)的情況下，結(jié)合相關(guān)規(guī)范提出了如表2所示的監(jiān)控控制值和預(yù)警值。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其控制值 mm

2 監(jiān)測(cè)方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)盾構(gòu)下穿廣深鐵路深圳北站的影響情況分為兩個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，其中J1～23股道為電氣化改造施工區(qū)域，該區(qū)域處于24 h開放狀態(tài)，由于施工人員及機(jī)具影響，采用人工監(jiān)測(cè)。21～16股道為封閉區(qū)域，采用全自動(dòng)化三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)測(cè)。

2.1 系統(tǒng)工作原理

全自動(dòng)化三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由高精度全站儀(徠卡TCA系列)自動(dòng)化觀測(cè)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的集成。該系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)基準(zhǔn)網(wǎng)控制測(cè)量(含控制網(wǎng)平差功能)和變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)。從數(shù)據(jù)采集到信息發(fā)布均為自動(dòng)化完成，可以在短時(shí)間內(nèi)迅速完成隧道監(jiān)測(cè)并提供數(shù)據(jù)，是一種真正的無人值守的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)精度

徠卡TCA系列全站儀的自動(dòng)對(duì)中、整平等功能解決了列車運(yùn)行時(shí)給儀器帶來的振動(dòng)等問題，且精度高(測(cè)角精度≤1″,測(cè)距精度≤1 mm+1 ppm)，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)網(wǎng)控制測(cè)量與變形點(diǎn)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，很好地解決了監(jiān)測(cè)線路長(zhǎng)、測(cè)站處于變形區(qū)域等問題，同時(shí)防止了誤差累計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫連接。該系統(tǒng)在控制平差計(jì)算中采用加尺度參數(shù)解算、在變形點(diǎn)坐標(biāo)解算中采用多重差分技術(shù)、最大限度地消除或減弱了多種誤差因素。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

通過對(duì)比分析監(jiān)測(cè)成果，發(fā)現(xiàn)在下穿區(qū)域J1～27股道沉降變化較大，以下針對(duì)該區(qū)域的股作重點(diǎn)分析。

3.1 J1道沉降

355環(huán)(10月10日)掘進(jìn)時(shí)刀盤到達(dá)J1道，358環(huán)(10月11日)后開始出現(xiàn)沉降，364環(huán)同步注漿量增加到8 m3，365環(huán)開始到387環(huán)上部土壓逐步加大至230 kPa，J1道斷面最終沉降如圖2所示?？梢钥闯?，最大下沉為7.62 mm，小于控制值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 J1道斷面沉降示意

3.2 35道沉降情況

358環(huán)(10月11日)掘進(jìn)時(shí)35道即出現(xiàn)沉降，屆時(shí)該斷面位于刀盤前方12 m。為順利下穿火車站站場(chǎng)，364環(huán)掘進(jìn)后(10月15日，刀盤距35道3 m)開始停機(jī)檢修并帶壓進(jìn)倉(cāng)清理泥餅和更換刀具，10月25日恢復(fù)掘進(jìn)。366環(huán)(10月25日)掘進(jìn)時(shí)刀盤到達(dá)35道。35道斷面最終沉降如圖3所示?？梢钥闯?，最大下沉為18.11 mm，小于控制值，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 35道斷面沉降示意

3.3 33和31道沉降情況

33和31道沉降時(shí)段和沉降橫斷面與35道基本一致，其中最大沉降點(diǎn)為G33-2、G33-3號(hào)點(diǎn)，沉降量分別為-12.02 mm、-12.12 mm，小于控制值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 29和27道沉降情況

380環(huán)(10月28日)掘進(jìn)時(shí)刀盤到達(dá)29道，384環(huán)(10月29日)掘進(jìn)時(shí)刀盤到達(dá)27道，沉降曲線較為穩(wěn)定，盾構(gòu)到達(dá)前地表個(gè)別點(diǎn)以外均呈上抬趨勢(shì)，通過后出現(xiàn)沉降，但沉降值較小。其中，29道沉降過程如圖4所示?？梢钥闯?，最大下沉為7.7 mm，小于控制值，滿足設(shè)計(jì)要求。

從圖4可以看出，地表沉降變形主要分為三個(gè)階段：

(1)導(dǎo)變形。盾構(gòu)刀盤擠壓可形成對(duì)開挖臨空土體的支撐作用，采用土倉(cāng)加壓的方式可以獲得明顯的效果，表現(xiàn)為刀盤到達(dá)前的地表隆起，介于+5～+10 mm之間。

(2)開挖變形。刀盤后到盾尾止?jié){板區(qū)段，由于刀盤開挖直徑(6 280 mm)大于盾體直徑(6 250～6 230 mm)，開挖后得不到同步注漿漿液的有效填充，支護(hù)抗力由土體自身承擔(dān)，自穩(wěn)性差的地方出現(xiàn)局部失壓現(xiàn)象引起變形。29～27道間距7.5 m(5環(huán))，盾構(gòu)機(jī)12 h內(nèi)通過，隨后的16 h內(nèi)又完成4.5 m(3環(huán))的掘進(jìn)，該段時(shí)間內(nèi)施工進(jìn)度遠(yuǎn)高于J1～31道間的進(jìn)度；另外，出渣量平穩(wěn)，每環(huán)59.5 m3，松散系數(shù)僅為1.28左右，未形成超挖。故開挖變形的有效解決主要取決于出渣量和掘進(jìn)速度的控制，在有效保證出渣量的前提下，掘進(jìn)速度越快同步注漿補(bǔ)充就越及時(shí)、依靠漿液提供抗力的作用就愈顯著。

(3)工后沉降。一般而言，由同步注漿結(jié)石及漿體強(qiáng)度2個(gè)因素作用，重點(diǎn)是對(duì)滲水的控制，沉降是不可避免的，需要采取的積極措施就是采用雙液漿快速對(duì)盾構(gòu)隧道管片周邊的空隙進(jìn)行填充，必要時(shí)進(jìn)行地面加固。

圖4 29斷面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降過程

4 結(jié)論

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)全自動(dòng)化三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能滿足鐵路運(yùn)營(yíng)期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求；

(2)下穿廣深鐵路深圳北站期間為了提高測(cè)試精度，分別在鐵路兩側(cè)設(shè)立強(qiáng)制觀測(cè)墩，保證各測(cè)點(diǎn)測(cè)距小于150 m，測(cè)試結(jié)果表明精度完全滿足要求；

(3)為了使全站儀準(zhǔn)確鎖定變形觀測(cè)點(diǎn)，在測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)應(yīng)注意“L”型棱鏡與觀測(cè)墩之間保持一定的仰角，方便全站儀自動(dòng)鎖定“L”型棱鏡中心；

(4)采用自動(dòng)化測(cè)試為主，人工校核為輔，要求人工測(cè)點(diǎn)與自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)為同一斷面，能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)被其他外界觸碰引起的突變；

(5)在復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，采用滿倉(cāng)掘進(jìn)模式、嚴(yán)格控制出渣量減少地層損失、快速通過和有效填充是復(fù)合地層控制變形的最有效手段。