天津地铁盾构区间下穿铁路情况及保护措施

2012-06-01马文

山西建筑 2012年27期

马文

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

1 工程简介

新开路站—红星路站区间在左线DK13+840、右线DK13+842.6处(区间中部)下穿京山铁路三线。据调查得知，此线路为单线，该线全部为货车，白天一小时2趟，晚间一小时4趟。在华昌大街与京山三线的交叉口的东北和西南两角分别有一座一层砖房，属铁路局所有。东北角一侧的砖房与新红区间左线结构净距14 m左右，西南角一侧的砖房与新红区间右线结构净距2 m左右。新红区间盾构隧道穿越京山三线铁路平面简图及下穿铁路横剖面图分别见图1，图2。

图1 地铁平面简图（单位：m）

图2 地铁横剖面图（单位：m）

2 地质情况

2.1 工程地质

新开路站—红星路站区间所处地段属冲积平原，地形较平坦，地面高程1.5 m～4.02 m。各层具体分布详见地质纵断面图，其岩性特征描述见表1。

表1 地质纵断面分布表

区间上面有淤泥质粉质粘土，呈透镜状遍布，规律性较差。盾构掘进主要在④1粉质粘土、④2层粉土、⑤1层粉质粘土、⑥1层粉质粘土、⑥2层粉土、⑥3层粉砂之中。具有明显上软下硬特征，上部易塌，下部⑥2层粉土、⑥3层粉砂中地下水丰富，水压较大。

2.2 水文地质

经现场抽水试验和室内渗透试验并参考地区经验，经取水样试验分析，潜水对混凝土结构具硫酸盐及侵蚀性CO2弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀。

3 施工阶段分析

3.1 理论计算分析

列车荷载按相应规范取值，并考虑列车荷载的动力系数及横向摇摆力的影响。在不采取任何加固措施的情况下理论计算的结果如下:

隧道模拟计算模型采用平面应变模型，计算范围上取至地面，下取至地面下30 m处，横向各取至距两洞边线30 m，横向共80.85 m。计算采用MIDS/GTS程序进行模拟计算分析。施工模拟计算先施工左线隧道，左线隧道衬砌环施工完以后再施工右线隧道。计算中，采用平面实体单元模拟地层，采用梁单元模拟衬砌环。结构计算模型和单元划分分别如图3所示。模型共2142个单元，2216个节点。

图3 结构计算模型及单元划分

计算结果:

地表沉降:左线隧道开挖后最大地表沉降为10.3 mm，管片施工完后最大地表沉降为7.76 mm，发生在左线拱顶上方地面。由于左线隧道的影响，右线隧道施工引起的位移场与左线隧道施工引起的位移场叠加，最大地表沉降位置发生在左、右线隧道之间，开挖后最大地表沉降为10.36 mm，管片施工完后最大地表沉降为7.83 mm。

沉陷槽宽度:左线隧道施工完沉降槽宽度为20 m，右线隧道施工完沉降槽宽度为38 m。由此可知，铁路受影响的范围:距区间右线中心线20 m和距区间左线中心线10 m范围内，总长度约45 m。

在盾构区间方向，采取以上保护措施的范围可取与国铁交叉点前后各20 m。

3.2 施工时应注意事项

1)盾构穿越前需对该段地质进行详细勘探，防止推进过程中意外情况发生，同时确保穿越过程中盾构设备无故障。

2)盾构施工要求:

a.根据前期盾构掘进参数控制与地层位移的关系，确定合理的土压力设定值、排土率及掘进速度等。盾构机姿态控制:严格控制盾构的轴线和纠偏量，在铁路下纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差15 mm内，一次纠偏量不超过5 mm。根据查明的地质情况，针对土层的变化设定合理的土压仓压力，在盾构下穿铁路前调整好。推进速度控制在1.0 cm/min～1.5 cm/min;螺旋输送机的转速保持在8 r/min～12 r/min范围，排土量为理论值37.9的98%，即37.1 m3/环;上下行线施工时，土压力设定值为0.18 MPa。

b.减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于路基的横向力。盾构掘进速度应与地表控制的隆陷值、进出土量、正面土压平衡调整值及同步注浆等相协调，如停歇时间较长时，必须及时封闭正面土体。

c.配合地面量测，及时进行壁后注浆和二次注浆。

同步注浆液采用惰性浆液，并根据盾构推进速度控制注浆量，实际注浆量采用理论值的200%～250%，即3.3 m3～4.1 m3。在确保压浆质量的前提下，方能进行下一环的推进施工。

二次压浆在管片出盾尾5环后进行，采用水泥浆掺粉煤灰，注浆压力和注浆量双控。施工中对压浆位置、压入量、压力值做详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整。

3.3 使用阶段分析

计算采用弹性地基圆环法，考虑列车荷载及管片接头对内力的影响。该方法假定衬砌环支撑在弹性地基上，作用在隧道顶部的垂直荷载为地面超载和水土压力。作用在隧道水平的荷载包括水平梯形土压力和三角形抗力。根据围岩所处地层的水文地质、渗透性、荷载确定采用水土分算法。

结构厚度350 mm，C50混凝土，覆土取15 m，取最不利水位地下3.1 m计算。

截面最大正弯矩在拱顶，M=178.000 ×1.2=213.6 kN·m，N=767.124 ×1.2=920.549 kN，管片内侧按 0.2 mm 裂缝控制时，每环内侧配筋8φ20+2φ25。

截面最大负弯矩在侧拱中部，M=146.920 ×1.2=176.304 kN·m，N=1053.584 ×1.2=1264.301 kN，管片外侧按0.15 mm 裂缝控制时，每环外侧配筋8φ20+2φ16(见图4)。

图4 弯矩、轴力图（单位：kN·m，kN）

4 监控量测分析

盾构施工期间需加强对国铁铁路沉降、隆起的监测，根据地表沉降及地层内部变形情况，加强监测，调整监测频率，调整盾构机施工参数，及时进行洞内同步注浆、补充注浆。盾构通过此段时做到匀速、小进尺、有步骤的推进，并用监控量测的数据指导施工(见表2)。

表2 国铁线路主要监测项目表

监控量测频率根据实际情况确定，必要时进行跟踪监测。监测结果及时反馈给施工人员。

盾构机穿越影响段隧道后，且观测值稳定一周后可逐渐减少监测频率至停止。

具体监测方案需与铁路部门配合，确认项目是否齐全，以及具体项目的实施如何操作进行。

根据铁路运营及地铁施工工程经验、铁道部《铁路线路维修规则》等相关标准，穿越国铁地段，施工引起的地面沉降要求控制在±10 mm以内，同时以此限值的70%作为监测报警值。

5 施工应急预案

1)监测信息化。

加强工程监测、监控，实行信息化施工。一旦监测数据出现预警值，立即报告应急处理领导小组，同时监测、监控小组按程序增加监测频率和监测点。

2)配备足够的抢险机动设备、材料。

a.加固施工期间，防护人员加强监护瞭望，防止施工机具侵入铁路限界，并随时检查线路状况，出现异常时立即采取相应措施;b.盾构隧道下穿线路时在线路两侧预先堆放道碴(按道床顶面宽3.4 m，碴肩堆高0.15 m，厚度 0.07 m，共需约 10 m3)，以备线路沉落后起、拨道所需;c.隧道外地层补偿注浆:深孔钻机、双液及单液注浆设备各一套，20 m3注浆材料。