地铁下穿既有铁路综合施工监测技术

2021-09-14徐向勇

建筑施工 2021年12期

徐向勇

上海三维工程建设咨询有限公司上海 200060

目前，针对盾构施工下穿铁路地面变形量控制的问题，许多专家做了相关研究。其中，何永洪等[1]针对成都轨道交通9号线三院站—太平寺站区间盾构隧道下穿成贵客运专线机场路隧道工程，采用严格控制掘进参数、强化注浆、加强监测与信息化施工等措施有效控制地面变形；赵星[2]针对南通轨道交通盾构隧道下穿宁启铁路，采用有限元软件Midas-GTS建立模型，计算得出地层具有较大沉降量；廖凌军等[3]提出采用“隔离桩＋袖阀管注浆”的施工方法，降低了苏州轨道交通下穿京沪高铁丹昆特大桥工程的施工风险。综上所述，盾构施工的过程中必然会导致地面与铁轨产生变形，这会对铁路的正常运营产生不利影响，降低地上铁路的运输安全。为确保隧道盾构施工过程中地面铁路的正常运行，需要采取有效措施减少地面与道床的变形。本文针对无锡地铁3号线一期工程盾构下穿京沪铁路及沪宁城际高铁段，通过实时监测并及时调整施工参数等措施，确保盾构安全通过既有铁路区段，对类似工程有一定的参考意义。

1 工程概况

1.1工程简介

三院站—无锡火车站区间隧道左、右线长度分别为788.901、785.985 m，左右线间距为13.0～17.0 m，隧道顶至地面距离为8.5～15.0 m。结合工程地质条件，采用土压平衡盾构机施工，盾构机由三院站出发施工左线段，到达无锡站后掉头施工右线段。隧道采用预制C50钢筋混凝土管片衬砌，管片外径为6 200 mm、内径为5 500 mm、厚度为350 mm、宽度为1 200 mm，每环由6块管片组成。

1.2盾构隧道下穿既有铁路概况

隧道以60°偏角斜穿京沪铁路的6股轨道，以40°偏角穿越沪宁城际高铁的7股轨道（图1）。其中，京沪铁路为碎石道床，沪宁城际高铁为整体混凝土道床，且沪宁城际高铁道床已在地铁下穿段做了加固处理。左线由382环开始进入京沪铁路，至495环出沪宁城际高铁；右线推进至117环开始进入沪宁城际高铁，推进至245环盾尾出京沪铁路。隧道下穿铁路段位于300 m小半径曲线上，竖向最大坡度为2.875 5%（图2）。

图1 盾构机与铁路线路平面位置关系

图2 盾构机与铁路线路竖向位置关系

1.3工程重难点分析

1）变形控制要求高。按照相关规定，京沪铁路单次测量轨道沉降速率预警值为2 mm，1 d（24 h）的报警值为4 mm；沪宁城际高铁单次测量轨道沉降预警值为1 mm，报警值为2 mm；地表沉降的控制标准为实时监测，沉降速率为0.5 mm/d，日沉降量不超过2 mm，最终累计沉降量不超过10 mm并以限值的80%作为报警值，工程精度要求高。

2）工程地质复杂。区间穿越京沪铁路段土层主要为黏土层，穿越沪宁城际高铁为黏土与砂质粉土层（图3），隧道上方土层分布情况复杂，土体强度低且砂质粉土层存在地下水，地下水主要形式是微承压水，这在隧道开挖过程中是一种安全隐患。

图3 隧道下穿铁路地质剖面示意

2 施工准备

2.1既有铁路道床的加固

沪宁城际高铁为整体混凝土道床，目前已在下穿段采用“钢筋混凝土板＋桩”对道床进行地基加固，桩基础采用的钻孔桩与右线隧道最小净距为0.077 m，与左线隧道最小净距为0.865 m。

京沪铁路为碎石道床，在盾构施工中不可避免地会造成道床的沉降[4]，若沉降过大，将会影响既有铁路的运营安全。在盾构施工区域内先做好地基加固措施，可以减少地层蠕动，避免颗粒黏结等情况的发生，使孔隙充分填充，提高地基的稳定性[5]。在盾构穿越范围内，对未加固土体采用斜向或垂直注浆加固，其加固剖面如图4所示。采用地面袖阀管注浆与钻杆后退式注浆工艺对地基进行加固，注浆孔纵横向间距为1.2 m×1.2 m，呈梅花形布置，注浆液扩散半径为0.8 m。最外2排注浆孔采用1∶1水泥水玻璃双液浆，其余注浆孔采用1∶1水泥浆，规格为42.5级普通硅酸盐水泥。

图4 京沪铁路及沪宁城际高铁注浆加固剖面示意

2.2施工参数拟定

该工程选取穿越前100 m和线性、埋深、地质等工程条件类似的两地段作为盾构的2个试推进段。盾构下穿前应根据试推进段制定合理的施工参数，其中包括推进速度、盾构姿态、土压力等施工参数[6]，该工程具体施工参数见表1。其中对于推进速度，根据以往施工经验，需将盾构掘进速度控制在35 mm/min以内[7]，再结合试推进段地层、隧道变化情况，制定盾构推进速度为：过京沪铁路推进速度控制在7环/d，过沪宁城际高铁施工推进速度控制在6环/d。在试推进过程中，将盾构姿态调整到最佳，减少不必要的停机，保证盾构的连续推进，这对地面沉降的控制起到重要作用[8]。另外，出土量对开挖面的稳定性产生巨大影响，所以控制排土量是控制地表变形的最重要因素[9]。在盾构法施工过程中，开挖隧道直径小于盾构机外径，这会形成建筑空隙，进而使得地面沉降，因此需要同步注浆填充空隙。

表1 盾构推进参数拟定

3 施工监测

3.1监测方案

在盾构下穿既有铁路施工过程中，常在地表面设置自动化监测设备[10-12]。盾构推进的过程中，地上铁路处于运营状态，采用人工监测不仅会增加工作人员的工作量，也难以保证人身安全，故采用自动化全天候实时监测。盾构下穿既有铁路时，采用全站仪24 h自动监测，若遇特殊情况，监测频率为1 h/次。为了确保监测数据的实时性和准确性，在盾构下穿期间测量人员24 h值班，每环监测2次，开始阶段监测1次，结束阶段监测1次。根据监测的实时数据，做出每时沉降变化图和每日沉降变化图，并在每时沉降变化图中点出盾尾脱开的变化。在盾构穿越后前7 d监测频率为4次/d，穿越结束后第2周监测频率为2次/d，穿越结束第3周以后为1次/2 d。

3.2监测点布置

京沪铁路共设置62个监测点，其中包含15个路肩点；沪宁城际高铁共设置78个监测点，其中包含21个路肩点。其监测点的平面布置如图5、图6所示。

图5 京沪铁路监测点布置示意

图6 沪宁城际高铁监测点布置示意

3.3监测数据

3.3.1 穿越京沪铁路监测数据

盾构通过地面轨道上的监测点的数据变化情况如图7、图8所示。盾构在穿越京沪铁路过程中累计最大沉降量为－2.1 mm，对应监测点号为JH3＋2；通过路肩点监测数据，京沪铁路地表监测累计最大沉降量为－2.5 mm，对应监测点号为JH4＋0A，其最大值均在规定范围内，施工参数选取合理。

图7 京沪铁路地面监测点变形

图8 京沪铁路路肩点累计变形

3.3.2 穿越沪宁城际高铁监测数据

盾构开始下穿沪宁城际高铁区域时，地表监测数据处于规定范围内。在盾构脱离监测点HN4＋1约18.2 m时，监测点HN2－3监测隆起值为2.4 mm，具体可见图9；监测点HN4－1监测隆起值为2.5 mm，监测点HN6－1监测隆起值为2.5 mm，地表监测数据反映沪宁城际高铁轨道隆起达到预警值，具体可见图10、图11。

图9 地表隆起预警监测点与盾构机位置关系示意

图10 沪宁城际高铁监测点累计变形

图11 沪宁城际高铁监测点变形速率

4 施工控制

在盾构穿越沪宁城际高铁的过程中，地面变形达到预警界限，需要通过采取措施来减少地面隆起变形，保证地面铁路的运营安全。

4.1沪宁城际高铁地面变形初步控制

在施工参数推进的过程中，根据沪宁城际高铁地面监测点HN2－3、HN4－1、HN6－1数据判断地面隆起已经达到预警值，隆起原因初步分析为：此时盾构处于上坡推进过程中，土压力未及时调整导致土压力值过大，致使铁路地面隆起；预警监测点位置位于盾构推进的后方，其位置注浆量可能处于饱和状态。因此，初步控制是通过调整施工参数来降低地面隆起变形。其中，将推进速度降低为15～25 mm/min，土压力降低为0.2 MPa，注浆量调整为3.6～3.8 m3。

调整施工参数后，通过地面监测点数据显示，按照此参数继续进行盾构掘进，地面隆起速率略有降低，但是累计隆起变形仍然较大。

4.2沪宁城际高铁地面变形最终控制

在盾构机盾尾与HN6－1监测点距离约为27.6 m时，监测点HN2－3、HN4－1、HN6－1仍具有隆起趋势。根据调整施工参数后的盾构监测结果分析，土压力及注浆量是影响铁路隆起的次要原因。综合分析隆起的主要原因为：盾构穿越沪宁城际高铁基础形式为整体混凝土板。在盾构施工前，混凝土板受力处于平衡状态。在盾构推进过程中，其处于2.725%的上坡段，存在1个30～35 t向上的作用力（图12），故打破了混凝土板原有的平衡状态；盾构机此时处在半径为300 m的右转小半径圆曲线上，左侧顶进推力约为右侧顶进推力的2倍，因此盾构机通过管片施加给左后方土体一个径向的应力，盾构穿越时后方管片径向应力如图13所示。

图12 盾构穿越时盾构垂直应力示意

图13 盾构穿越时后方管片径向应力示意

根据综合分析，在此后盾构推进过程中，将1环平均分为3次掘进完成，每掘进40 cm，停机30 min，每次掘进完成后回收千斤顶释放土体应力，同时回收千斤顶组数不得超过3组，目的在于释放盾构机盾尾后方管片与土体的压力，减小盾构掘进对土体的挤压；推进速度保持15～25 mm/min；土压力保持在0.2 MPa左右；注浆量保持在3.6～3.8 m3。

采取以上措施后，地面隆起速率逐步趋于平稳状态，最终沉降量也在规定范围内，具体沉降量变化如图14～图17所示。地面监测点显示，最大累计隆起值为3.0 mm；盾构通过混凝土板后，监测点监测变形值逐渐呈下降趋势，最大累计隆起值为2.2 mm，满足规定要求。