盾构隧道下穿城铁地面线施工风险分析及对策研究

2013-01-17于鹤然

铁道标准设计 2013年6期

曲强,于鹤然

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

随着我国城市轨道交通的快速发展，各大城市逐步建立起了各自的地铁网络，起步比较早的城市正实现线路由疏到密的转变。地铁线路往往规划在城市中心繁华地带，选线自由度较低，地面、地下环境错综复杂，施工过程中经常遇到隧道工程近接各种建筑物、构筑物、铁路及管线等施工风险[1，2]，这些风险源是否采取了合理、有效的保护措施是整个工程成败的关键。本文依托于北京地铁8号线霍营站至育新站区间下穿城铁13号线既有线风险工程，对地铁盾构隧道下穿既有城铁地面线路施工风险及对策进行了分析和探讨。

1 工程概况

新建隧道起点位于霍营站南端，沿规划的黄平东路、西三旗东路向西南方向行进，其后向南偏转前行接入育新站，采用盾构法施工，起讫里程Y(Z)DK1+617.932～Y(Z)DK3+304.203，线间距10.0～15.0 m。区间由东北向西南下穿城铁13号线，该段城铁线路为地面线直线段，与盾构区间成37.69°交角，线间距5 m，路基与地面相平，为有砟道床，采用第三轨供电方式，城铁路基与隧道结构顶净距10.5 m。13号线黄平东路桥梁位于盾构下穿影响范围内，隧道外边缘距桥桩最小平面距离7.3 m。隧道与既有线线路位置关系见图1、图2。

图1 盾构隧道与既有城铁地面线平面位置关系

图2 盾构隧道与既有城铁位置关系立面(单位：mm)

根据勘察资料，在城铁影响深度范围内揭露了3层地下水，自上至下分别为台地潜水、层间潜水和层间潜水～承压水。城铁路基以下土层依次为人工填土、黏性土、粉土、砂类土层，地质条件较为软弱。

2 施工方案分析

鉴于城铁路基下方土层主要为粉质黏土、黏性土，注浆可灌性差，注浆加固地层难以取得理想的效果；另外，由于城铁采用第三轨供电方式，无法实施铁路上常用的扣轨加固措施。在以上2种提高既有线路基、轨道刚度的措施均无法实施的情况下，经周密论证，拟采用地面与洞内结合的加固措施，即在地面对城铁13号线线路设置防脱护轨，并利用天窗时间增减道砟来调整轨道变形，洞内采取控制土仓压力、掘进速度、出土量，并及时进行同步注浆等防护措施，同时加强监控量测，结合监测数据及时反馈并指导后续施工。

按照《北京地铁工务维修规则》[3]，碎石道床的轨道高低允许偏差控制值计划维修为4 mm，经常保养为7 mm。参照以上标准及相关经验[3]，对盾构施工阶段城铁13号线的道床沉降、轨道变形提出控制标准，控制值见表1。

表1 城铁13号线道床、轨道控制指标建议值

注：由于轨道变形可以由增减道砟进行调整，7 mm为调整前报警值，4 mm为最终控制目标。

基于以上方案分析及变形控制标准，为保证盾构下穿施工阶段城铁13号线运营及盾构隧道工程自身的安全，对盾构掘进施工及城铁13号线分别采取如下施工对策。

2.1 盾构施工方面

(1)在进入风险源范围前需进行试验段，根据实测监测数据评估变形趋势，调整与开挖地层相适应的掘进参数、同步注浆、二次注浆及外加剂的材料及压力，使盾构在下穿城铁13号线掘进时能够有效控制地面沉降及隆起。设定合理的掘进速度和相匹配的排渣土量以保证土仓内压力与作业面平衡稳定，并在盾尾空隙及时进行同步注浆是防止地面沉降的重要因素。此外，对下穿段进行二次补强注浆可以补充部分未填充的空腔，提高管片背后土体密实度，对盾构通过后产生的土体沉降有较好的控制作用。施工参数建议值如下：仓内土压控制在0.09～0.12 MPa；掘进速度控制在35 mm/min；出土量控制在理论值的95%左右；同步注浆压力为0.1～0.2 MPa，浆液总注入率不小于200%，二次注浆压力为0.2～0.3 MPa。

(2)施工前应对下穿区洞外土体密实度及空洞进行探测。

(3)加注发泡剂或水等润滑剂，减少刀盘所受扭矩，降低总推力。

(4)作好穿越前的准备工作，严禁在下穿城铁13号线时发生停机调试、开仓换刀等现象。

2.2 在城铁13号线的线路保护方面

(1)在盾构掘进前，对盾构掘进影响范围内的13号线线路进行检查及预调整，对穿越范围内城铁13号线设置防脱护轨。

(2)在盾构穿越期间对道岔进行临时锁闭，盾构穿越过后进行解除。

(3)下穿过程中应对13号线进行实时监测，严格控制道床及轨道的沉降变形在允许范围之内，当城铁13号线运营过程中变形趋势处于安全可控状态时，可利用天窗时间及时补填道砟并捣密。

(4)穿越后应进行工后评估，对13号线线路进行应力放散等调试工作，确保城铁13号线的正常使用和营运安全。

3 施工及监测

本区间隧道拟采用2台德国海瑞克加泥式土压平衡盾构，均从霍营站向育新站掘进。相关预案、方案及前期措施实施后，霍～西区间开始该项特级风险工程施工。左线盾构于2010年12月12日开始进入城铁影响区，12月16日盾尾完全通过影响范围。至12月31日，左线盾构已通过城铁区域约283 m，右线盾构开始进入城铁影响区，至2011年1月3日止，该风险工程穿越完毕。在施工期间，采用常规沉降及城铁路基沉降自动化监测相结合的方式；盾构穿越期间，采用常规沉降监测方式；并应用盾构施工实时监控系统，最大限度地实现利用监控量测的反馈指导施工的目的。路基沉降监测点布置见图3。

图3 城铁13号线路基沉降监测点布置平面(单位：m)

限于篇幅，本文仅对城铁上行轨道路基沉降数据进行分析。

左线盾构穿越城铁上行轨道ZJ01～ZJ05 5个测点的实时变形情况如图4所示。

图4 左线盾构穿越期间城铁(上行)路基沉降时程曲线

2010年12月13日约14时盾构推进68环时，测点开始表现出明显的下沉趋势，即刀盘到达前约6 m范围内土体受扰。14日约凌晨1点时，盾构推进第73环，刀盘到达上行轨道边缘位置即ZJ04处，测点ZJ04急剧下沉，随后盾构机身通过中及盾尾脱出过程中测点沉降值持续增大，直至18时(推进84环，盾尾脱出该点约4 m)急剧变形阶段结束，测点变形呈微量增长，渐趋稳定。另外还可发现，城铁路基沉降主要发生在盾构刀盘到达前6 m至盾尾脱出后4 m的施工过程中，左线盾构隧道正上方测点ZJ04变形最为显著，随着距隧道中心距离的加大，测点变形逐渐减小。

当盾构在土砂复合地层中施工时，为削弱粉砂层的摩阻力和粉质黏土的黏附作用，推进过程中添加了泡沫等材料进行土质改良，增加土体的塑流性，并起到减阻、降温、润滑的作用。泡沫压力容易建立，也容易消散，从盾构施工实时管理信息系统所记录的土压力监测结果可以看出，当盾构掘进至73环后，土压力波动频率增大，且数值曲线整体下移，多处均值已经低于设计要求的最小土压阈值0.09 MPa，如图5所示，此处土压力整体降低和剧烈波动是地表监测点剧烈下沉的直接原因。

图5 左线盾构下穿城轨上行轨道过程中土压力监测结果

基于左线盾构穿越引起的路基沉降已基本稳定，12月31日起，右线盾构开始进入影响范围。

本阶段主要造成线路中心测点ZJ02明显沉降；位于左右线叠加扰动区域的ZJ03测点受扰幅度较轻，盾构脱出后仍有小幅度变形；位于城铁桥一侧的测点ZJ01未出现明显变形，在左线下穿施工经验的指导下，右线下穿施工加大了对盾构土压的控制力度，如图6所示，土压略高于左线，整体处于0.06～0.14 MPa之间，把均值稳定在了设计值范围内，对地面路基的沉降控制效果明显优于左线。右线穿越阶段城铁上行路基沉降测点变形情况见图7。

图6 右线盾构下穿城轨上行轨道过程中土压力监测结果

图7 右线盾构穿越期间城铁(上行)路基沉降时程曲线

双线盾构推进后，测点进入缓慢的后续变形，该阶段变形幅度较小，测点变形基本稳定。

截至2011年4月，城铁路基沉降情况见表2。除ZJ04点外，其余各点均在控制标准以内。

表2 城铁13号线路基沉降情况

受路基沉降的直接影响，左线盾构通过后，位于影响区域内的个别轨道沉降测点累计沉降超过控制值而报警，其中位于城铁下行轨道与左线盾构隧道平面交点处的测点13TL-37-1表现为最大值，达到了8.10 mm。自左线盾构12月15～16日穿越下行轨道起，从刀盘到达前至盾尾离开该测点持续变形，测点沉降量、日沉降速率双控指标均已超限，且与随着盾构通过该区域，急剧变形终止。17日起进入后续变形阶段，盾构穿越后的变形幅度较小，稳定时间较短。

鉴于路基沉降个别测点沉降值超过控制值，为不影响城铁13号线的正常运行，施工单位及时对道床进行了捣固，并利用下一次天窗时间对轨道高程进行了调整。为准确计量右线盾构推进对轨道等的影响，待各项监测数据基本稳定后，对轨道沉降进行了归零处理。

与路基沉降规律一致，右线盾构通过对城铁轨道沉降的影响明显轻于左线，最大点沉降值3.48 mm，变形在可控范围内。两盾构隧道通过后，城铁轨道最终最大沉降值3.89 mm，小于轨道变形控制标准值。

城铁桥影响范围布设的8个桥墩沉降监测点在盾构穿越期间沉降变形均在可控范围内，监测结果如图8所示。