復(fù)雜條件下盾構(gòu)穿越既有鐵路線隆沉控制

陳松潔

（無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

隨著城市軌道交通的進(jìn)一步規(guī)劃和發(fā)展，新建地鐵線路不可避免地與既有鐵路線出現(xiàn)交叉重疊，故在建設(shè)施工過程中需要使用盾構(gòu)機(jī)完成盾構(gòu)區(qū)間對(duì)既有鐵路線的穿越。由于鐵路運(yùn)行的特殊性和對(duì)安全性的要求，其對(duì)地面隆沉變化極為敏感，因此在盾構(gòu)穿越施工中需要對(duì)施工方法和施工參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。通過地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋，分析地面隆沉變化與盾構(gòu)施工的規(guī)律和關(guān)系，不斷優(yōu)化調(diào)整施工方法和參數(shù)，找到關(guān)鍵性的影響因素，分析造成影響的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面及鐵路隆沉變化的有效控制。

1 工程簡(jiǎn)介

江蘇省某城市地鐵項(xiàng)目，“三院站—火車站”盾構(gòu)區(qū)間使用直徑為6.4m的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工，始發(fā)后，先以半徑R=300m左轉(zhuǎn)，后以半徑R=300m右轉(zhuǎn)及28‰坡度上坡，途中依次斜穿京滬普速鐵路和滬寧城際高鐵，最終到達(dá)火車站完成盾構(gòu)接收。

該工程穿越的京滬普速鐵路和滬寧城際高鐵為正常運(yùn)營(yíng)中的既有鐵路線，具體情況如下：

（1）京滬普速鐵路共6股道（2股正線，4股到發(fā)線），含2副道岔，平面斜穿角度為60°，基礎(chǔ)為未經(jīng)加固處理的砕石道床。盾構(gòu)開挖面為全斷面⑥1黏土，其上層依次為④2砂質(zhì)粉土、③2粉質(zhì)黏土、①1雜填土，對(duì)施工有影響的地下水主要為賦存在④2砂質(zhì)粉土的微承壓水。此段隧頂埋深15.5～16.4m。

（2）滬寧城際高鐵共7股道（2股正線，5股到發(fā)線），含2副道岔，平面斜穿角度為40°，部分區(qū)域基礎(chǔ)使用混凝土板加固，除了#7股道及1副道岔，其余股道和道岔均位于混凝土板加固范圍內(nèi)。盾構(gòu)開挖面為⑥1黏土（占比20%）和④2砂質(zhì)粉土地層（占比80%），其上層依次為④2砂質(zhì)粉土、③2粉質(zhì)黏土、①1雜填土。此段隧頂埋深12.9～14.3m。

2 施工難點(diǎn)

在該工程盾構(gòu)穿越既有鐵路線施工中，條件復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛，施工難度高，具體分析如下：

（1）鐵路情況復(fù)雜。在該工程中，所穿越的既有鐵路線位于火車站進(jìn)出站區(qū)，線路多、車流量大，有4副道岔，施工過程中需連續(xù)穿越。鐵路基礎(chǔ)情況復(fù)雜，部分為未加固碎石基礎(chǔ)，部分為混凝土板基礎(chǔ)。

（2）盾構(gòu)線路特殊。在盾構(gòu)穿越段，線路正處于R=300m小半徑轉(zhuǎn)彎和28‰上坡，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制難度高，周圍土體擾動(dòng)較一般情況下增大，另外盾構(gòu)機(jī)受轉(zhuǎn)彎影響，一些設(shè)備會(huì)出現(xiàn)一定的不適。穿越段的地層處于變化段，從單一地層向多地層變化，兩種地層物理性能差別極大，施工參數(shù)需實(shí)時(shí)調(diào)整。

（3）隆沉變化控制標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛。根據(jù)相關(guān)規(guī)范及鐵路單位要求，京滬普鐵單次測(cè)量沉降速率預(yù)警值為2mm，累計(jì)變化預(yù)警值為10mm；滬寧城際高鐵單次測(cè)量沉降預(yù)警值為1mm，累計(jì)變化預(yù)警值為2mm。

3 隆沉變化控制

在盾構(gòu)施工中，地面隆沉變化主要來(lái)自盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)，而造成土體擾動(dòng)的因素很多，不同因素的影響程度也不盡相同，為了控制地面隆沉變化，就要分析造成土體擾動(dòng)的不同因素的影響機(jī)理和程度，制定合適的施工方法和施工參數(shù)。

3.1 造成土體擾動(dòng)的因素

（1）刀盤切削土體。刀盤切削土體時(shí)，對(duì)土體主要有刀盤剪切擠壓、土倉(cāng)壓力傳遞等作用，主要體現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)前方，因而當(dāng)監(jiān)測(cè)顯示盾構(gòu)機(jī)前方出現(xiàn)變化時(shí)，可以認(rèn)為是刀盤造成的。刀盤剪切和擠壓土體與刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速與推進(jìn)速度相匹配或者略高當(dāng)前推進(jìn)速度所需的切削速度時(shí)，刀盤的切削擠壓所帶來(lái)的土體擾動(dòng)都很小，可以忽略此時(shí)對(duì)土體帶來(lái)不利影響。土倉(cāng)壓力主要受螺旋機(jī)出土速度和推進(jìn)速度之間的匹配程度以及添加劑（氣、水、泡沫劑和膨潤(rùn)土等）的影響，設(shè)定土倉(cāng)壓力時(shí)，既不能因太小而導(dǎo)致前方土體失穩(wěn)滑移坍塌，又不能因太高而導(dǎo)致土體受擠壓向四周隆起。

（2）同步注漿。同步漿液主要用于填充刀盤開挖形成的空間與管片之間的空隙，按照理論計(jì)算量乘以合適的充填系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)注漿量過大時(shí)，漿液擠壓周邊土體會(huì)造成地面隆起，反之則會(huì)造成地面沉降。由于漿液作用于盾尾，因此當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示盾尾出現(xiàn)變化時(shí)，可以認(rèn)為是同步注漿造成的。

（3）盾體擠壓土體。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)處于轉(zhuǎn)彎或者上下坡時(shí)，由于盾構(gòu)姿態(tài)不斷變化，盾體在土體中會(huì)出現(xiàn)橫向位移或滾動(dòng)，對(duì)土體產(chǎn)生擠壓作用，因此當(dāng)監(jiān)測(cè)顯示盾體上方變化時(shí)，可以認(rèn)為是盾體擠壓土體造成的。

（4）管片擠壓土體。盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)，推力來(lái)自管片所提供的反力，管片受力后會(huì)發(fā)生位移，對(duì)土體造成擠壓，在轉(zhuǎn)彎或者變坡段時(shí)尤為明顯。除了管片受盾構(gòu)機(jī)推力造成位移，自身上浮時(shí)也對(duì)上方土體有擠壓作用，因而當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示后部成型隧道上方變化時(shí)，可以認(rèn)為是管片擠壓土體造成的。刀盤與土體、管片與土體之間作用力如圖1所示。

圖1 刀盤與土體、管片與土體之間作用力示意圖

3.2 施工方法的制定

盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定時(shí)，雖然部分參數(shù)可以通過計(jì)算得出，但無(wú)法保證能夠完全適合當(dāng)前工況，故應(yīng)選取合適位置進(jìn)行試推進(jìn)，通過試推進(jìn)檢驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，提前進(jìn)行調(diào)整以得出最合適的一套參數(shù)。在選取試推進(jìn)位置時(shí)，應(yīng)考慮土層、埋深、線路情況等，力求與穿越鐵路段相類似，這樣才能更好地發(fā)揮預(yù)測(cè)作用。

在該工程施工時(shí)，選取此區(qū)間前半部某一段作為試推進(jìn)段，此段與實(shí)際穿越段相比：（1）土層分布相似，部分開挖斷面為全段面⑥1黏土，部分為⑥1黏土和④2砂質(zhì)粉土地層；（2）埋深類似，實(shí)際穿越段埋深12.9～16.4m，試驗(yàn)段埋深12～14m；（3）線路情況部分類似，實(shí)際穿越段為右轉(zhuǎn)彎和上坡，試驗(yàn)段為左轉(zhuǎn)彎和下坡。平面線形同為轉(zhuǎn)彎，可以較好地反映轉(zhuǎn)彎段掘進(jìn)情況，縱坡條件不同，不具有明顯參考意義。

通過試推進(jìn)段施工，得到一套施工參數(shù)：土倉(cāng)壓力0.20～0.21MPa，推進(jìn)速度20～30mm/mim，推力10000～11500kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.1r/min，刀盤扭矩2300～2600kN·m，出土量37.5～40m3，同步注漿量3.3～3.7m3。

3.3 施工參數(shù)設(shè)定及調(diào)整

在刀盤距離京滬普速鐵路20環(huán)時(shí)，考慮到試推進(jìn)段與當(dāng)前段埋深不同，土壓繼續(xù)按照當(dāng)前保持，其他參數(shù)按照試推進(jìn)段所取得的參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，同時(shí)關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整，在此選取其中一次調(diào)整過程進(jìn)行闡述：

（1）當(dāng)掘進(jìn)至472環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)位于滬寧城際高鐵下方，地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示3股道出現(xiàn)隆起，單次變化量已接近預(yù)警值，有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。

（2）對(duì)當(dāng)前施工參數(shù)收集：推力為11000～13000kN、掘進(jìn)速度為20～30mm/min、土壓為2.1～0.23MPa、注漿量為4.0～4.2m3、注漿壓力為0.3～0.32MPa。

（3）研判當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)隆起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)多數(shù)位于盾尾，初步推測(cè)同步注漿量過多。另有少部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于刀盤附近，由于當(dāng)前處于上坡階段，因此埋深不斷減小，推測(cè)土壓設(shè)定值偏高。

（4）根據(jù)初步推測(cè)，土壓減小至0.20～0.21MPa，同步注漿量調(diào)整為3.6～3.8m3，其他暫不調(diào)整。

（5）以此參數(shù)推進(jìn)1d后，發(fā)現(xiàn)隆起的監(jiān)測(cè)點(diǎn)增多，一部分仍為之前的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，隆起速率有所降低，另一部分為新出現(xiàn)的，距離盾尾較近。據(jù)此分析，在盾構(gòu)剛進(jìn)入高鐵時(shí)，僅有盾構(gòu)前方向上的分力間接作用于混凝土板，隨著盾尾進(jìn)入高鐵下方，盾構(gòu)機(jī)后方管片徑向應(yīng)力逐漸產(chǎn)生，在兩個(gè)應(yīng)力作用下，原有混凝土板結(jié)構(gòu)受力平衡被打破，后方監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化速率加大，采取措施后，逐漸降低，趨于平穩(wěn)，隨著脫離筏板下方，作用在筏板上的垂直分力和后方管片徑向應(yīng)力逐漸消失，最終平衡后穩(wěn)定。

（6）根據(jù)以上分析，需要減小盾構(gòu)機(jī)對(duì)后方管片的作用力，降低推進(jìn)速度，從而減小推力，同時(shí)將推進(jìn)過程分為3次完成，每推進(jìn)0.4m后停機(jī)10min，推進(jìn)完成后交替收回推進(jìn)油缸，借此釋放推進(jìn)油缸與管片之間、后部相鄰管片之間應(yīng)力，減小盾體和后方隧道對(duì)土體的擠壓。

（7）采取以上措施后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，后方監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化速率明顯減小，說明此次原因分析正確、調(diào)整措施合適。

4 結(jié)論

此次施工過程中單次和累計(jì)隆沉變化值均未達(dá)到預(yù)警，鐵路運(yùn)行正常，盾構(gòu)施工質(zhì)量和進(jìn)度滿足要求，總體施工成功，總結(jié)如下：（1）在進(jìn)行穿越既有鐵路線施工前，選取工況相似段進(jìn)行試推進(jìn)，獲得一套經(jīng)過驗(yàn)證的成熟的施工參數(shù)，用以指導(dǎo)后續(xù)施工；（2）密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)異常及時(shí)組織分析，根據(jù)分析結(jié)果做出第一次參數(shù)調(diào)整，隨后利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，視情況再次進(jìn)行調(diào)整，直至數(shù)據(jù)恢復(fù)正常；（3）關(guān)注影響地面變化的關(guān)鍵施工參數(shù)，如土壓、同步注漿量，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)土體作用較為直接，對(duì)地面隆沉變化影響較大；（4）結(jié)合具體工況，考慮盾體、管片對(duì)土體的作用力，對(duì)推進(jìn)和拼裝方法做出調(diào)整，以適應(yīng)當(dāng)前條件下施工。