地鐵盾構(gòu)施工下穿淺覆區(qū)、既有鐵路的防護技術(shù)

聶凱良NIE Kai-liang

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030000）

0 引言

盾構(gòu)法掘進地鐵因?qū)χ苓厰_動少、機械化程度高、精度高、地質(zhì)適應(yīng)性強等多種優(yōu)勢，在地鐵施工中得到廣泛利用。但當(dāng)盾構(gòu)法遇到地質(zhì)條件復(fù)雜情況及周邊存在高風(fēng)險建筑物時，具有很大的安全風(fēng)險。盾構(gòu)機刀盤前土水壓力與密封艙內(nèi)壓力的動態(tài)平衡是盾構(gòu)機正常工作的前提，但對于穿越淺覆地層時，如果土水壓力過大，則造成盾構(gòu)上部土體隆起。土水壓力過低則導(dǎo)致土體坍塌，以上2種情況均可能造成較大的施工安全事故及鐵路行車安全事故。本文依托工程實例，詳細闡述了盾構(gòu)施工下穿淺覆區(qū)及既有鐵路所采取的技術(shù)措施，確保了盾構(gòu)安全、順利地通過該區(qū)段。

1 概述

某地鐵車輛段出入段線于里程Y（Z）NHDK0+200～Y（Z）NHDK0+370 下穿既有鐵路，隧道拱頂至鐵路道床頂面約6.47～9.94m，同時周邊為低洼淺覆區(qū)，隧道拱頂至原地面約為3.62～6.15m；盾構(gòu)影響范圍內(nèi)還有鐵路1-4.0m 蓋板涵1 座。

既有鐵路國家Ⅰ級鐵路，為貨運專線，設(shè)計時速160km/h，上下行線均采用60 無縫鋼軌，地鐵下穿段采用碎石道床，盾構(gòu)隧道與鐵路交角約為28°。鐵路線受盾構(gòu)隧道開挖影響里程范圍為：上行線：K804+157～K804+191；下行線：K804+059～K804+117。

因該區(qū)域為淺覆區(qū)，地鐵盾構(gòu)法施工擾動地層，造成地表隆起，或坍塌，或平移的安全風(fēng)險極高，確保盾構(gòu)通過淺覆區(qū)、鐵路的施工安全及鐵路安全成為了本項目急需解決的技術(shù)難題。

2 淺覆區(qū)、鐵路及涵洞加固方案

參考以往經(jīng)驗，咨詢專家意見，并進行技術(shù)創(chuàng)新，采取了如下的系列技術(shù)方案（如圖1 所示）：

圖1 總體防護方案示意圖

①對影響范圍內(nèi)鐵路全部采取D 型便梁托換，D 型便梁采用φ1200mm 人工挖孔樁為支墩（其中1 處支墩設(shè)在既有鐵路涵洞頂上，在涵洞內(nèi)設(shè)置型鋼支撐，以確保涵洞頂板的承載能力。）。上、下行線共設(shè)置19 根挖孔灌注樁，按端承樁設(shè)計，樁長進入隧道拱底下方3m?？v梁采用D16+D24+D24+D16 便梁。D 型便梁可完全承擔(dān)盾構(gòu)下穿鐵路期間列車荷載，即使發(fā)生極端的地面坍塌亦不致影響鐵路運營安全，可保證鐵路運營的絕對安全。

②低洼淺覆區(qū)設(shè)置抗浮板。盾構(gòu)隧道下穿淺覆土段盾構(gòu)采用C35 鋼筋砼保護壓板+抗浮樁作為抗浮措施，兼作運營階段的防護措施。C35 鋼筋砼保護壓板厚700mm，兩側(cè)伸出左右線隧道外側(cè)各1.5m，隧道兩側(cè)設(shè)置12 根φ600鉆孔灌注樁作輔助抗浮措施，壓板上方覆蓋2m 厚粘性土并壓實，壓實系數(shù)90%，設(shè)置里程為YNHDK0+194.4～YNHDK0+237.8。

③對既有鐵路涵洞進行接長及加固處理。接長目的是為了排出低洼處積水，避免地表水下滲影響地鐵正常運營；同時接長涵洞還可起到作為盾構(gòu)隧道抗浮壓頂結(jié)構(gòu)的作用，確保地鐵的正常運營。接長涵涵底設(shè)置4 根φ600鉆孔灌注樁作輔助抗浮措施。同時，輔以既有涵洞內(nèi)型鋼支架加強措施與洞內(nèi)注漿加固措施以確保鐵路運營的絕對安全。

3 防護工程施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工防護

嚴格執(zhí)行鐵路的相關(guān)規(guī)定，嚴密組織施工防護。請點施工時，在距工點800m 的前后兩端、工點處按規(guī)定設(shè)置各類信號標(biāo)志。車站設(shè)駐站聯(lián)絡(luò)員，孔樁等工程則采用隔離欄隔離施工區(qū)域，施工人員不進入既有線。

施工時提高線路觀察頻率（每2h 一次），發(fā)現(xiàn)線路幾何尺寸或是其它異常情況立即處理，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。

3.2 既有設(shè)備管線遷改工程施工

盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)接觸網(wǎng)支柱共有18 根，在支柱的周圍離基礎(chǔ)中心1.8m、2.8m 半徑范圍內(nèi)按照1m 間距布置16 個φ42 的注漿管，深度4m，對接觸網(wǎng)基礎(chǔ)進行預(yù)注漿加固。

3.3 無縫線路應(yīng)力放散

施工前與設(shè)備管理單位辦理相關(guān)手續(xù)，確定放散長度與鎖定軌溫。利用鐵路局施工天窗，計劃封鎖線路1h。封鎖前一趟列車慢行45km/h，執(zhí)行“機工聯(lián)控”。

3.4 吊軌梁施工

孔樁開挖前及橫抬梁頂推前利用天窗點采用12m 長3-3-3-3 吊軌梁縱挑橫抬法[1]（如圖2 所示）對既有線路進行加固。加固完成后列車限速45km/h，執(zhí)行“機工聯(lián)控”。

圖2 吊軌梁縱挑橫抬法加固線路立面圖

軌束采用3 根P50 鋼軌組成，單束長度12m。利用天窗時間預(yù)先將吊軌梁的鋼軌吊至線路兩側(cè)（注意不得侵入限界），修整并編排鋼軌擺放順序（要確?？圮壗宇^錯開超過1m），封鎖要點后實施扣軌施工，扣軌按先中心再兩端的順序進行，扣軌時需注意避免侵限及連電。

橫抬梁采用I30a 工字鋼，間距按1m。封鎖后，人工掏槽，采用單根人工配合機械頂推施工，就位后采用U 型螺栓與鋼扣板連接，按規(guī)定與I50a 工字鋼縱梁連接。

3.5 線路加固的孔樁施工

線路加固支墩孔樁共19 根。樁身直徑1.2m。樁凈長12～15m。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，鐵路加固區(qū)域場地有限，大型機械無法進場施工，孔樁采用人工開挖。

需辦理列車慢行45km/h，執(zhí)行“機工聯(lián)控”。慢行開始后方可進行挖孔作業(yè)。

3.6 架設(shè)D 型便梁

便梁安裝前進行換枕，按照縱梁間距及設(shè)計橫梁穿放點、紅油漆標(biāo)注鋼枕位置，錯開既有砼枕，盡可能地少抽換砼枕，當(dāng)砼枕位置與鋼枕位置重合時再抽枕更換。在天窗點內(nèi)實施換枕，換枕后立即搗固道床。

每跨便梁（共2 片縱梁）計劃每天封鎖停電要點2h 架設(shè)2 片縱梁。采用2 臺25t 軌汽吊同時吊裝單片縱梁至預(yù)定位置上并打撐加固好，再吊裝該跨另一側(cè)的單片縱梁至預(yù)定位置上并打撐加固好；鋼橫梁進場后，在其與鋼軌底面接觸地方包裹絕緣橡膠，包裹必須保證密實無縫隙，嚴禁使用老化、破裂的絕緣橡膠[2]?？v梁就位后，采用天窗點（不停電封鎖2h）的辦法，安裝橫梁，橫梁按相當(dāng)規(guī)程要求與鐵路基本軌聯(lián)結(jié)穩(wěn)固。D 型便梁設(shè)置如圖3 所示。

圖3 D 型便梁安裝立面圖

3.7 鐵路涵洞接長、抗浮板施工方案

3.7.1 機械鉆孔灌注樁

新建接長涵洞和抗浮板處φ600 抗浮樁共16 根。抗浮板下12 根抗浮樁按深入泥巖下方1m 或隧道底部下方2m 控制，排水箱涵下4 根樁樁長10m。使用鉆機施工，鉆機擺放地點距線路中心距離最近的樁約10m，鉆機增設(shè)纜風(fēng)繩固定防傾倒措施，確保不傾倒、不侵鐵路限界。

3.7.2 既有鐵路涵洞內(nèi)鋼支架加強

為確保該蓋板涵不受盾構(gòu)施工影響，采取對線路加固完成后，輔以涵洞內(nèi)鋼支架加強措施與洞內(nèi)注漿加固措施以確保鐵路運營的絕對安全。鋼架底腳置于牢固的基礎(chǔ)上，鋼架之間按設(shè)計縱向連接。在涵洞與鋼架兩者間打入薄鋼楔切實頂緊，安裝過程中設(shè)置專人保證觀測儀器與測量工作的正常進行，加強對軌道的監(jiān)測。

3.7.3 抗浮板、涵洞補充注漿粘土回填等

抗浮砼板下方注漿，用φ32mm 鋼管制作注漿管，注漿管長度為4m，預(yù)埋在板內(nèi)，注漿管打花眼，花眼直徑6～8mm，按50cm 間距雙向開孔。

涵洞通過在澆筑混凝土蓋板、低板時預(yù)留的注漿孔，對涵洞底板下方空間土體進行注漿加固，選用純水泥漿灌注。

注漿加固時，應(yīng)對鄰近軌道、地下管線和鐵路軌道床的沉降、傾斜、位移進行監(jiān)測，并采取多孔間隔注漿和縮短漿液凝固時間等措施，減少既有鐵路因注漿而產(chǎn)生的附加沉降。

排水涵洞外粘土回填高度約1m，壓實度95%?？垢“迳戏礁采w2m 厚粘性土并壓實，壓實系數(shù)90%。施工時，嚴格控制粘土回填數(shù)量。

3.8 D 型便梁拆除施工、線路恢復(fù)

待盾構(gòu)隧道工程掘進穿越鐵路完成，且待工務(wù)部門確定同意后，方可進行拆除施工便梁的工作。完成線路加固的拆除后，立即上碴整道線路加固，拆除后的限速按相關(guān)的規(guī)程進行，最后恢復(fù)常速。

4 鐵路路基、線路監(jiān)控

盾構(gòu)機推進過程中會對周邊土體造成擾動，由于周邊土體變形會引起既有鐵路路基及樁基產(chǎn)生豎向、水平向位移，使既有鐵路曲線要素超出設(shè)計值，造成較大的運營安全風(fēng)險。擾動對路基地層形成不均勻沉降使軌面不平整，容易造成列車出軌等特重大事故。盾構(gòu)穿越既有鐵路時為保證既有鐵路的安全運營，對既有鐵路、周邊土體的沉降變形進行監(jiān)測。

4.1 監(jiān)測布設(shè)及要求、觀測周期

盾構(gòu)掘進通過鐵路時對區(qū)間3 倍深度影響范圍內(nèi)的既有鐵路軌面、路基、接觸網(wǎng)桿等主要設(shè)施進行監(jiān)測。進行區(qū)間左右各80m 范圍內(nèi)進行監(jiān)測。

既有鐵路為有砟軌道，只需監(jiān)測項目有軌道結(jié)構(gòu)沉降、樁基及路基沉降、接觸網(wǎng)立柱沉降；既有線路的路基沉降均布設(shè)于既有線路肩，監(jiān)測點間距為5m，采用Φ10 長20cm 的鋼筋砸入路肩作為監(jiān)測點，并在孔樁頂部粘貼沉降標(biāo)識作為沉降監(jiān)測點。

4.2 監(jiān)測周期及頻率

盾構(gòu)機機頭前＜20m，3 次/1 天；盾構(gòu)機機頭后＜20m，3次/1 天；盾構(gòu)機到達前后＜50m，1 次/2 天；盾構(gòu)機到達前后＞50m，1 次/周，監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測頻率為1 次（15d～30d）當(dāng)盾構(gòu)機穿越后仍然持續(xù)監(jiān)測一個月待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可停測。

4.3 監(jiān)測管理和信息反饋

對盾構(gòu)施工的風(fēng)險源的影響預(yù)測應(yīng)貫穿盾構(gòu)施工的全過程，采用反分析或其他有效方法進行數(shù)據(jù)分析及評估，并按規(guī)定的程序，通報參建各方，及時會商或調(diào)整施工措施。

5 確保盾構(gòu)掘進安全通過的技術(shù)措施

①當(dāng)盾構(gòu)施工至距淺覆層及鐵路為50m 時，對地面及鐵路沉降進行監(jiān)測及統(tǒng)計分析，以確定盾構(gòu)土壓力設(shè)定值、排土率和推進速度等掘進參數(shù)。在盾構(gòu)距淺覆層及鐵路為20m 時，加強對盾構(gòu)機實施刀盤、注漿、密封、推進和監(jiān)控等系統(tǒng)的檢修，避免穿越期間設(shè)備出故障。

②采取如下優(yōu)化盾構(gòu)機施工參數(shù)以降低盾構(gòu)施工對周邊土層的影響程度：

1）采取加氣保壓措施，盡量將土倉內(nèi)的壓力值控制在恒定范圍內(nèi)；嚴控出土量，以避免出土過多，或過少，出土量根據(jù)經(jīng)驗及地質(zhì)情況而定，確保地層損失率小于5‰。

2）依據(jù)推進行情況，適時提高泡沫劑及水的加入量，提高碴土改良效果。

3）下穿時確保推進速度均勻，減少推進速度的波動幅度，盡量降低對地層的擾動。

③盾構(gòu)掘進時，隧洞圍巖塑性變形的發(fā)展存在滯后性，故通過適當(dāng)加快推進速度、減少各工序操作時間，在塑性變形的發(fā)展高峰前快速通過，并及時實施管片后空隙充分注漿，達到有效控制覆土沉降的目的，即以時間換空間。

④盾構(gòu)推進時嚴格控制線形、姿態(tài)，避免過頻及大幅度調(diào)整姿態(tài)，降低糾偏次數(shù)，并避免較大糾編。為避免對土體造成擾動及超挖，控制姿態(tài)調(diào)整不超過5mm[3]。

⑤確保同步及二次注漿的注漿數(shù)量和壓力，要求同步注漿量≥150%。及時充填密實管片與土體間空隙，以提高土體的抗?jié)B性及結(jié)構(gòu)承載能力，避免地層出現(xiàn)較大沉降變形。

⑥為避免在淺覆層及鐵路范圍內(nèi)清洗土倉，加強工況管理，嚴防土倉堵塞和產(chǎn)生泥餅現(xiàn)象。

⑦因盾構(gòu)過淺覆層、鐵路為曲線穿越，需加強盾尾艙的監(jiān)管和盾尾刷的保護，嚴控盾尾油脂的壓注，保證盾構(gòu)鉸接部位的密封性。

⑧下穿鐵路段使用加強型襯砌管片，確保鐵路運營行車的安全。

6 結(jié)束語

本項目盾構(gòu)施工下穿淺覆區(qū)、鐵路時，采取D 型便梁加固鐵路、低洼處設(shè)置抗浮板+抗浮樁、既有涵洞內(nèi)型加固等系列技術(shù)措施。盾構(gòu)下穿期間的監(jiān)控量測表明，施工對鐵路的安全運營沒有造任何影響，地表沉降及位移值均處于安全范圍內(nèi)。說明本項目采取的技術(shù)措施科學(xué)合理，確保了盾構(gòu)施工的順利進行和既有鐵路的安全正常運營。