长沙地铁富水软弱地层盾构下穿京广铁路风险分析与控制研究

2014-05-30朱双厅沈炜东刘锦成阳军生

铁道标准设计 2014年6期

朱双厅，沈炜东，刘锦成，王俊，3，阳军生

(1.中南大学土木工程学院，长沙 410075;2.中铁二十五局集团轨道交通工程有限公司，广州 511457;3.长沙市轨道交通建设集团有限公司，长沙 410014)

1 概述

长沙地铁1号线涂家冲站—铁道学院站区间在Y(Z)24+245～Y(Z)24+210下穿京广铁路，区间隧道与京广铁路斜交74°，区间右线为直线，左线为半径600 m的平曲线，左右线中心间距22.8 m。穿越京广铁路段区间位于14.103‰的纵坡上，最小覆土厚度约8.7 m［1］。

区间左右线均采用盾构法施工，从铁道学院站始发，采用内径为5.4 m，厚30 cm C50钢筋混凝土管片。左右线分别在京广铁路K1575+75和K1575+100里程处下穿，穿越段位于京广铁路单渡线道岔区。京广铁路为Ⅰ级铁路，线路正常运行速度为120 km/h，穿越段道岔型号为P60-1/12，上下行线间距5 m，铁路道床类型为碎石道床，道床厚度约为0.45 m。区间下穿京广铁路位置示意见图1。

图1 区间下穿京广铁路位置示意

区间所穿越地层为上层粉质黏土、下层砂卵石的富水软弱地层;地下水位变化主要受气候及湘江水域的控制，勘察时水位埋深7.3 m左右，高程约46.6 m;在京广铁路两侧是倾角为36°的边坡，北侧边坡植被茂盛，右侧边坡采用浆砌片石护坡，下穿京广铁路段地层纵断面如图2所示。

图2 区间穿越地层纵断面

在国内外众多盾构隧道施工文献［2-7］中，介绍了较多的盾构下穿铁路线的施工案例，思路一般都是先对既有铁路的进行保护，再下穿，目前提出的对既有铁路的保护方案主要包括:地基的加固，对铁路线的加固保护。王伟忠［2］结合上海市轨道交通11号线盾构下穿沪宁铁路，提出控制地面变形的地基加固方案;章龙管［3］针对成都地铁1号线盾构穿越火车南站铁路股道，提出扣轨加固为主的既有线保护方案;北京地铁大兴线盾构以300 m小曲线半径下穿京沪、京九等12股铁路［4］，同时采取两个方案对既有铁路进行保护。

本文结合具体地质与环境条件，对盾构下穿京广铁路进行风险分析与控制研究，系统分析盾构下穿铁路施工风险，阐述其风险因素及造成的危害，并提出有效的控制措施，可为类似工程实践提供有益的参考。

2 盾构下穿铁路施工风险因素分析

长沙地铁1号线涂家冲站—铁道学院站区间盾构下穿京广铁路施工中，需确保铁路的正常运行，但该段地质条件和环境条件复杂，风险源众多，路基沉降控制困难，施工风险极高;风险源主要包括复杂的环境条件和地质条件、盾构掘进参数控制、施工组织与管理等。

(1)复杂的环境条件

穿越段的京广铁路线上列车运行频繁，平均3～5 min就有1趟列车通过，盾构施工不可避免引起路基沉降，导致轨道的变形，直接威胁到列车运行安全。

该段复杂环境条件，对盾构下穿京广铁路产生的不利影响表现在:①通过的列车多样，有普通客运列车、动车组和重载货物列车;②下穿京广线段地质条件复杂且埋深很浅，仅8.7 m，盾构掘进与地面列车运行相互影响关系密切且复杂，且在浅覆土条件下盾构施工对地表影响较大;③左右线盾构下穿京广线后将近距离侧穿一桥墩，为减小对该桥墩的影响，对隧道施工引起的地表沉降控制提出了更高的要求。

(2)复杂的地质条件

隧道穿越地层为上层粉质黏土、下层砂卵石的富水软弱地层，对盾构下穿京广铁路施工产生的不利影响表现在:①由于上下土层差异明显，呈上软下硬的特点，如果盾构参数设置不当，极有可能导致盾构机出现抬头现象;②卵石地层的自稳能力差，掌子面容易产生涌水、涌砂，隧道施工对地层的扰动容易发生较大的地面沉降甚至塌陷［8，9］;③大粒径的卵石容易造成超挖和排砟困难，对盾构设备磨损严重，施工风险极高。

(3)盾构掘进参数的控制

①土舱压力。盾构土舱压力是控制掌子面稳定性的关键参数。土舱压力偏小时，不足以平衡开挖面水土压力，严重时将导致掌子面失稳，地层变形过大，进而危及上部结构安全;土舱压力过大时，对掌子面挤压过量，引起掌子面前方地表隆起，从而引起变形过大［10］;盾构在砂卵石地层中掘进，土舱压力控制困难，容易造成较大的地表沉降。

穿越京广线段地势变化很大，穿越边坡前覆土厚度为15.5 m，穿越边坡后覆土厚度瞬间降低到京广线上最小覆土厚度8.7 m。由于该穿越段上覆土变化大，取土体泊松比 u=0.4，则土舱压力理论值 σ=0.4/(1-0.4)×20 000 × (15.5 ～ 8.7)Pa≈0.21 ～0.12 MPa［11］，在实际施工中，土舱压力的设定比理论计算值高15～25 kPa。为保证京广铁路和边坡的安全，在短距离内对土舱压力进行及时调整较困难，同时由于穿越段下方为砂卵石层，在该地层下进行隧道盾构法施工，开挖面的稳定性难以控制，易造成较大的地表沉降。

②掘进速度。掘进速度太慢或盾构机停留时间过长，盾构机自重对隧道下卧层施压引起地层竖向位移，掘进速度应尽量提高，让盾构机快速通过，同时掘进速度要与盾尾同步注浆能力相匹配［12］，在保证盾构稳定掘进和同步注浆能及时跟上的前提下，适当提高掘进速度。

此外，保持掘进速度的稳定性也是避免盾构超挖、减小地层损失的重要保证。

③同步注浆和二次注浆。同步注浆和二次注浆是弥补盾构施工产生地层损失的重要措施，若注浆不及时或参数控制不当时，会使地表产生较大的沉降或隆起，影响既有铁路行车安全和边坡稳定。

④盾构姿态控制。由于左线处于半径600 m的平曲线上，该曲率半径掘进必然要盾构对姿态进行调整，当盾构姿态控制不好时，可能引起超挖及增加施工扰动次数，且不利于管片受力均匀，甚至局部受拉破损。

⑤机械故障。盾构下穿过程中发生机械故障时，掘进参数会急剧变化或控制困难，再次掘进时，盾构姿态较难控制，容易超挖引起地表沉降，给下穿京广铁路增加风险，应尽量避免。

(4)施工组织与管理

盾构施工过程中，机组人员的操作熟练程度以及施工经验，对隧道建设质量和施工安全也会产生显著影响，机组人员的业务不精、决策失误或者操作不当，都是土压盾构穿越京广铁路的风险源［13］。

3 风险控制措施

综上所述，需要采取有效的控制措施以规避下穿京广铁路风险。采取的控制措施主要有:(1)软弱地层旋喷桩加固;(2)线路架空加固，横抬纵挑，保证铁轨不受施工影响;(3)盾构掘进参数控制;(4)其他措施。

(1)软弱地层旋喷桩加固

在京广铁路两侧，排水明渠内各打设3排旋喷桩(φ800 mm，间距500 mm，采用三重管)，起到加固土体、止水、隔断及控制变形的作用，见图3、图4。

图3 长沙地铁1号线下穿京广铁路段加固平面(单位:m)

旋喷桩采用强度等级为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，为改善水泥浆液性能，根据水泥土特点通过室内配比试验或现场试验，可加入适量的外加剂和掺和料。水泥掺量不小于20%。

(2)线路架空加固——“横抬纵挑”法

采取将线路架空加固，即使路基沉降较大时铁路依然安全运营，线路加固后列车荷载传递路径为:列车荷载→钢轨→横梁→纵梁→人工挖孔桩。施作工艺如下:加固体系横梁(组)采用I36c型钢，每2根轨枕间穿1根工字钢横梁;横梁跨度约为5.7 m和5.125 m，从钢轨底穿过。加固体系纵梁采用I63c型钢梁，3片一组分别安装在京广铁路上下行线之间和线路外侧路肩位置的人工挖孔桩上，纵梁主跨度最大为13.5 m;纵梁采取在挖孔桩帽梁预埋钢轨固定，纵梁与横梁采用U形螺栓连接，为保证线路架空后基本轨固定，采用K型扣板固定横梁与基本轨，横梁与钢轨间必须可靠绝缘。

图4 长沙地铁1号线下穿京广铁路段加固纵断面(单位:mm)

在京广铁路上下行线间、上下行线路肩对应纵梁底设置 φ1.5 m、长 8 m 和 16.5 m，间距 8、10.2 m 和13.5 m的C30钢筋混凝土扩底人工挖孔桩，作为横纵梁支撑，三维效果图见图5。支点(撑)桩顶高程可根据实际情况确定，支点桩顶设桩帽，桩帽顶高程应稍低于路基面高程。

(3)盾构掘进施工控制

针对掘进参数等风险源，提出如下的控制措施。

①土仓压力控制。因地势起伏较大，两侧土舱压力要求高，中间低，盾构穿越过程中要每环渐变降低土舱压力，掘进模式采用满仓全土压模式，防止掌子面拱顶围岩失稳，对地表沉降控制具有重要影响。

图5 线路架空加固—“横抬纵挑”施工

②渣土改良。盾构下穿掘进过程中开挖面土层性质差异较大对掘进不利，施工中通过向前方加膨润土和泡沫剂来改良土体，增加土体的流塑性，使盾构机前方土压计数值更加准确，保证螺旋机输送出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压，及时填充刀盘旋转之后形成的空隙。

③盾构机姿态纠偏。针对左线处于半径600 m的平曲线上，在盾构机进入京广铁路下穿段影响范围之前，将盾构机调整到良好的姿态，并且保持这种姿态穿越铁路。即使纠偏，也应坚持“多次少量”的原则，一次性盾构姿态变化不可过大、过频，纠偏量每环不大于5 mm，减少对地层扰动的影响。

④管片安装。在管片拼装过程中，安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装时间，缩短盾构停顿时间，拼装结束后，尽快恢复推进，有利于减小盾构机自重对隧道下卧层施压引起地层竖向位移。

⑤同步注浆。盾尾通过后管片外围和土体之间存在空隙，施工掘进中采用高倍率同步注浆来填充这部分空隙。要严格控制注浆量和浆液质量，注浆量控制在空隙的2.5～3.0倍，同步注浆尽可能保证均匀、连续。

(4)其他控制措施

①在盾构穿越京广铁路前，应对盾构机进行全面检修，并加强设备保养，最大限度地避免盾构下穿期间出现设备故障;

②盾构下穿施工期间，京广铁路上下行线减速慢行，从120 km/h降低到45 km/h，减小动力响应影响;

③加强现场沉降监测，加大监测频率，确保监测的精准并及时反馈，为盾构参数调整提供依据;

④因架空体系本身也是风险源，可能存在施工不到位或者其他因素引起的结构安全性不足，因此在京广铁路穿越段加固和盾构下穿期间，每过一趟列车对线路架空结构的连接件和线路需进行检查，保证线路高程、各构件连接可靠。

4 盾构下穿京广铁路控制效果

4.1 施工过程

长沙地铁1号线的左右线于2012年12月25日前完成下穿段人工挖孔桩的施工，2013年3月10日前完成线路架空加固工作。右线盾构于2013年3月15日开始下穿，3月20日完全通过下穿京广铁路段，左线盾构于2013年3月24日至27日下穿京广铁路段。盾构施工过程中京广铁路的安全运营得到了保证。

下穿京广铁路段盾构施工采用满仓全土压掘进模式，严格控制土舱压力，并对现场施工情况进行全方位监测与记录，全程跟踪下穿京广铁路段盾构掘进过程。

4.2 监测结果与分析

通过跟踪盾构下穿过程掘进参数变化及注浆情况，对下穿段关键掘进参数进行均值和标准差的统计，结果见表1。

表1 左右线掘进参数对比统计

右线先于左线盾构穿越京广线，由于缺乏工程经验，路基出现少量隆起;左线施工时结合右线的工程经验，掘进过程中降低了土舱压力，提高了掘进速度，并调整了其他掘进参数如总推力、刀盘扭矩、同步注浆量、出土量等，以适应京广铁路段复杂的地质、地形条件。

京广线段下穿过程中，对京广铁路两侧的路基隆沉变形值也进行了全程监测，测点布置见图6。

图6 京广铁路路基沉降测点平面布置

从图7可以发现，3月15日至3月18日右线盾构穿越北侧路基时，拱顶附近测点均处于隆起状态，沉降槽呈上凸状(图8)，最大隆起达到约5 mm，说明土舱压力较大，对掌子面挤压过量，引起掌子面前方地表隆起，盾尾通过后各测点逐渐趋于稳定状态。

图7 右线北侧路基沉降－时间曲线

从图9左线路基沉降-时间曲线可知，该线下穿施工引起各测点位移变化较小，左线施工时降低了土舱压力，从1.5 MPa降低到1.3 MPa，盾构施工未引起地表隆起，最大沉降为-1.23 mm，说明该土舱压力下掘进对地层扰动较小，地表位移控制效果较好;同时可发现左线附近两侧隆起较大，沉降槽呈上凹状(图8)，A112测点较大，达到约2 mm，此应与洞内二次注浆压力较大，注浆孔位于管片左右侧有关。