陳宏

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司科技和信息化部，湖北武漢 430071）

0 引言

近年來(lái)，武漢市大力發(fā)展軌道交通，極大緩解了城市交通擁堵狀況。在軌道交通線網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，地鐵下穿運(yùn)營(yíng)鐵路的情況不可避免。在盾構(gòu)下穿鐵路施工過(guò)程中產(chǎn)生的土體損失、地層位移以及土體應(yīng)力重分布，可能引起盾構(gòu)上方鐵路設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生不同程度的基床沉降、基礎(chǔ)變形、軌道不平順及周邊構(gòu)筑物變形移動(dòng)等情況［1］，嚴(yán)重影響鐵路安全運(yùn)營(yíng)。因此，有必要針對(duì)地鐵盾構(gòu)下穿鐵路工程進(jìn)行既有鐵路風(fēng)險(xiǎn)分析和對(duì)策研究，形成適用于武漢地區(qū)地質(zhì)情況的盾構(gòu)施工沉降監(jiān)測(cè)和控制標(biāo)準(zhǔn)及合理的既有鐵路加固保護(hù)措施。

1 盾構(gòu)施工地表沉降特點(diǎn)

武漢地鐵盾構(gòu)下穿鐵路工程始于地鐵2號(hào)線，該工程開挖直徑6.28 m，盾構(gòu)埋深16～47 m，主要在粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂層掘進(jìn)，施工區(qū)域全部低于地下水位。通過(guò)對(duì)施工期地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析［2］，總結(jié)盾構(gòu)施工地表沉降特點(diǎn)如下：

（1）盾構(gòu)施工順掘進(jìn)方向，盾構(gòu)切口前30 m 以內(nèi)和后50 m 以內(nèi)地表沉降值變化較大。其中，盾構(gòu)切口后50 m 地表沉降值變化顯著。盾構(gòu)施工順掘進(jìn)方向地表沉降影響分布示意見圖1。

（2）盾構(gòu)施工垂直掘進(jìn)方向，地表呈槽型沉降，沉降最大點(diǎn)位于盾構(gòu)中心上方，距盾構(gòu)中心軸線越遠(yuǎn)沉降越小，離盾構(gòu)中心軸線18 m（3倍盾構(gòu)直徑）以外區(qū)域地表沉降值較小，考慮到觀測(cè)誤差，可認(rèn)為不受盾構(gòu)掘進(jìn)影響［1］。盾構(gòu)施工垂直掘進(jìn)方向地表沉降影響分布示意見圖2。

圖1 盾構(gòu)施工順掘進(jìn)方向地表沉降影響分布示意圖

圖2 盾構(gòu)施工垂直掘進(jìn)方向地表沉降影響分布示意圖

（3）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)埋置越深，地表最大沉降量越小，地表最大沉降量與盾構(gòu)埋深關(guān)系示意見圖3。

圖3 地表最大沉降量與盾構(gòu)埋深關(guān)系示意圖

（4）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表最大沉降量大部分接近40 mm，且沉降量與注漿量成反比。實(shí)測(cè)各斷面最大沉降量示意見圖4，相應(yīng)各斷面盾構(gòu)施工注漿量示意見圖5。

（5）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)沉降量異常值，達(dá)到正常值的2～3 倍，經(jīng)查系因注漿不良等施工問(wèn)題引發(fā)，可能對(duì)地層造成更大影響，需要在盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)加以注意。

2 施工影響及風(fēng)險(xiǎn)分析

盾構(gòu)下穿鐵路施工中，可能產(chǎn)生隧道周圍土體應(yīng)力重分布、土體損失、地下水位變化、注漿土體變化、固結(jié)沉降土體蠕變等一系列變化，造成地層位移變形和應(yīng)力變化，可能對(duì)盾構(gòu)上方的鐵路設(shè)備設(shè)施產(chǎn)生如下影響和風(fēng)險(xiǎn)：

（1）鐵路軌道平順性指標(biāo)劣化。盾構(gòu)下穿鐵路施工造成鐵路鋼軌垂直鐵路方向和順鐵路方向的地表不均勻沉降，造成鐵路軌道（道岔）高低、水平不良，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生軌道（道岔）變形超出幾何尺寸容許偏差管理值的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）橋梁墩臺(tái)不均勻沉降。墩臺(tái)不均勻沉降使墩臺(tái)位置產(chǎn)生變坡點(diǎn)，即出現(xiàn)明顯折角，影響梁上結(jié)構(gòu)應(yīng)力及軌道平順性指標(biāo)，影響行車安全與舒適，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生橋梁結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）影響橋梁樁基安全。盾構(gòu)下穿鐵路施工造成地下土層變化，對(duì)樁身軸力、樁身彎矩、樁端應(yīng)力造成影響，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生樁基失穩(wěn)直至失效的風(fēng)險(xiǎn)。

（4）影響路基加固。盾構(gòu)下穿鐵路路基加固段時(shí)，可能破壞路基加固結(jié)構(gòu)，影響加固效果。

（5）超出管理限值。盾構(gòu)下穿鐵路施工造成地表沉降，引起地上鐵塔、接觸網(wǎng)立柱、高柱信號(hào)機(jī)歪斜，房屋開裂等，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生超出管理限值的風(fēng)險(xiǎn)。

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及參考控制標(biāo)準(zhǔn)選擇

針對(duì)盾構(gòu)下穿施工對(duì)鐵路設(shè)備設(shè)施的影響和可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合其相應(yīng)的維修規(guī)則，提出盾構(gòu)下穿施工鐵路設(shè)備設(shè)施的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和參考控制標(biāo)準(zhǔn)建議如下：

（1）監(jiān)測(cè)軌道（道岔）幾何尺寸變化。按照鐵路線路修理規(guī)則要求［3-5］，經(jīng)常保養(yǎng)管理值為軌道應(yīng)保持的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)對(duì)軌道（道岔）幾何尺寸變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)水平和高低變化，并按經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)控制。結(jié)合武漢地區(qū)鐵路現(xiàn)狀，直線段軌道（道岔）水平和高低變化限值見表1，曲線段按照《鐵路線路修理規(guī)則》做相應(yīng)調(diào)整。

表1 直線段軌道（道岔）水平和高低變化限值

（2）監(jiān)測(cè)盾構(gòu)上方的鐵路橋梁墩臺(tái)沉降變化。按照鐵路橋梁相關(guān)規(guī)則［6-7］，普速鐵路橋梁墩臺(tái)沉降限值見表2，高鐵橋梁墩臺(tái)頂位移限值見表3。對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)，還需驗(yàn)算墩臺(tái)不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力，確保其不超出原設(shè)計(jì)范疇。

表2 普速鐵路橋梁墩臺(tái)沉降限值 mm

表3 高鐵橋梁墩臺(tái)頂位移限值 mm

（3）監(jiān)測(cè)盾構(gòu)上方的其他鐵路設(shè)備設(shè)施沉降變化。參考相應(yīng)的鐵路規(guī)則［8-11］，盾構(gòu)施工引起的鐵路信號(hào)設(shè)備沉降限值見表4，接觸網(wǎng)立柱歪斜限值見表5，鐵塔歪斜限值見表6。

表4 鐵路信號(hào)設(shè)備沉降限值 mm

表5 接觸網(wǎng)立柱歪斜限值

表6 鐵塔歪斜限值

（4）盾構(gòu)臨近樁基的控制。結(jié)合武漢地區(qū)鐵路現(xiàn)狀和盾構(gòu)臨近樁基的影響［12-13］，當(dāng)樁基的樁洞距＜3D（D為盾構(gòu)外徑）時(shí)，應(yīng)單獨(dú)驗(yàn)算樁身軸力、彎矩，樁端應(yīng)力及樁側(cè)摩阻力總量減少率，確保其不超出設(shè)計(jì)范疇。當(dāng)樁洞凈距＜1D時(shí)，增加驗(yàn)算下穿造成的樁身位移及相應(yīng)影響，并采取單獨(dú)的工程措施。特別注意，當(dāng)樁端與隧道處于同一水平面時(shí)，盾構(gòu)下穿對(duì)樁基影響很大，應(yīng)按盾構(gòu)近距離下穿的要求驗(yàn)算和控制。

（5）盾構(gòu)下穿路基加固區(qū)的控制?？紤]到盾構(gòu)下穿對(duì)路基加固區(qū)的影響計(jì)算復(fù)雜，且盾構(gòu)下穿會(huì)破壞原路基加固區(qū)加固效果，通常不采用盾構(gòu)穿過(guò)路基加固區(qū)的方式。

4 保護(hù)措施

為保證地鐵盾構(gòu)下穿施工期間的鐵路安全運(yùn)營(yíng)，一方面采取合理的下穿區(qū)域土體隔離樁約束、注漿加固、既有線架空、限速運(yùn)行等保護(hù)措施，另一方面要求施工單位嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的施工參數(shù)，同時(shí)做好監(jiān)測(cè)和應(yīng)急準(zhǔn)備工作，確保既有線運(yùn)營(yíng)安全。

4.1 隔離樁約束、注漿加固

隔離樁具有加固、隔斷及控制變形的作用，而注漿加固具有控制變形的作用。結(jié)合武漢地區(qū)的地質(zhì)情況，當(dāng)盾構(gòu)下穿普速線路且埋深＜20 m 時(shí)，采用“旋噴咬合隔離樁約束+軌下注漿至盾構(gòu)底板以下3 m”的土體加固方案，注漿加固長(zhǎng)度在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外兩側(cè)各取2倍洞徑，寬度加固至距鋼軌外側(cè)1倍洞徑（見圖6（a））。

當(dāng)盾構(gòu)下穿普速線路但埋深＞20 m 或下穿高鐵橋梁段（原則上不允許盾構(gòu)下穿高速鐵路路基段）時(shí)，考慮深層注漿效果難以控制且施工時(shí)的高壓會(huì)對(duì)土體造成破壞，采用“旋噴樁（下穿高鐵橋梁段選用鉆孔樁）+橫撐+注漿加固至地表以下12 m（或加固至老黏土層頂部位置）”，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的土體加固方案（見圖6（b））。

圖6 土體加固方案

隔離樁選用旋噴樁時(shí)，采用2 排直徑1.2 m 旋噴樁相互咬合，咬合量0.2 m；隔離樁選用鉆孔樁時(shí)，采用2 排直徑0.6～1.0 m 鉆孔樁，實(shí)施條件困難時(shí)可選用多根微型鉆孔樁組合。

土體采用分層注漿加固，分別為表層斜孔注漿和下部深層注漿，加固后土體彈性模量應(yīng)達(dá)到150 MPa。當(dāng)軌下土體彈性模量均大于180 MPa 時(shí)，可計(jì)算后確定是否需要加固。注漿時(shí)應(yīng)用復(fù)合漿液，縮短膠凝時(shí)間，控制靜力觸探比貫入阻力Ps≥1.0 MPa，施工溫度不超過(guò)（或低于）無(wú)縫線路的鎖定軌溫±10 ℃，注漿引起的隆起量控制在2 mm 以內(nèi)。實(shí)施第1 層斜孔注漿時(shí)，注漿孔與地面的夾角為30°，控制注漿壓力和擴(kuò)散范圍，減小注漿對(duì)基床的影響。第1 層斜孔注漿完成后，進(jìn)行下部深層注漿加固，注漿壓力和注漿速度應(yīng)根據(jù)線路變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。線路外側(cè)的過(guò)渡區(qū)，應(yīng)根據(jù)地形和地表建筑物情況，進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖{加固。

4.2 既有線架空、限速

由于盾構(gòu)下穿鐵路均在武漢鐵路樞紐既有線范圍內(nèi)，在盾構(gòu)埋深較淺或穿越段地質(zhì)情況較差的普速鐵路路基段，應(yīng)盡可能采用架空方式保護(hù)既有線，宜采用D 型便梁和工字鋼架空，對(duì)站場(chǎng)等股道密集架空困難的情況，可采用扣軌加固。

當(dāng)設(shè)計(jì)驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)下穿引起的鐵路設(shè)備設(shè)施變化超出限值時(shí)，或當(dāng)盾構(gòu)下穿道岔區(qū)域時(shí)，采用既有線限速保護(hù)措施。

4.3 施工參數(shù)控制

將盾構(gòu)下穿鐵路范圍分為穿越區(qū)和影響區(qū)，下穿點(diǎn)前30 m 以內(nèi)、后50 m 以內(nèi)為影響區(qū)；其中，距鋼軌外側(cè)1倍洞徑范圍為穿越區(qū)。

盾構(gòu)下穿施工前，應(yīng)在影響區(qū)外進(jìn)行復(fù)探、試機(jī)、模擬掘進(jìn)。復(fù)探是確保地質(zhì)與設(shè)計(jì)一致；試機(jī)是防止出現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題；模擬掘進(jìn)是為了摸索盾構(gòu)在該土層的掘進(jìn)參數(shù)和注漿參數(shù)。

盾構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)土艙壓力、掘進(jìn)速度，并及時(shí)、均勻、足量注漿。其中，影響區(qū)土艙壓力應(yīng)與地層原始?jí)毫σ恢拢豢紤]列車動(dòng)載影響，穿越區(qū)土艙壓力應(yīng)增加10～15 kPa。在盾構(gòu)下穿鐵路范圍內(nèi)，推進(jìn)應(yīng)保持連續(xù)、勻速。

盾構(gòu)施工注漿包括同步注漿、二次注漿、深孔注漿。同步注漿量按照理論注漿量的200%確定，并及時(shí)做好二次注漿。同步注漿和二次注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，當(dāng)沉降量變化超過(guò)0.5 mm，應(yīng)通過(guò)增設(shè)注漿孔，對(duì)隧道周邊1～3 m地層進(jìn)行補(bǔ)償深孔注漿。

4.4 在線監(jiān)測(cè)和應(yīng)急準(zhǔn)備

盾構(gòu)下穿施工前，應(yīng)建立自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，采取“全自動(dòng)監(jiān)測(cè)+人工監(jiān)測(cè)”方式，即時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降、軌道變形、橋梁墩臺(tái)沉降、其他設(shè)備設(shè)施變形等，同時(shí)進(jìn)行列車運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。

盾構(gòu)下穿鐵路路基段時(shí)，若達(dá)到警戒值，及時(shí)在地面跟蹤注漿以保護(hù)路基；若達(dá)到限值，立即停止盾構(gòu)下穿，及時(shí)采取補(bǔ)砟起道、架空線路等有效措施。

盾構(gòu)下穿鐵路橋梁段時(shí)，若達(dá)到警戒值，有砟線路應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)砟起道等應(yīng)急措施，無(wú)砟線路應(yīng)立即停止盾構(gòu)下穿，并及時(shí)會(huì)同業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、鐵路設(shè)備管理等單位在現(xiàn)場(chǎng)研究處理。

盾構(gòu)下穿施工前，應(yīng)準(zhǔn)備好架空梁、道砟、應(yīng)急機(jī)具、材料等鐵路搶險(xiǎn)物資，配備足夠人手，并做好應(yīng)急預(yù)案。

5 運(yùn)用實(shí)例

武漢地鐵4號(hào)線武梅區(qū)間盾構(gòu)下穿既有線武昌站站場(chǎng)12 股道，該處地鐵隧道外徑6 m，盾構(gòu)埋深12.6～14.7 m，下穿地層為粉質(zhì)黏土層和粉砂層。盾構(gòu)下穿武昌站典型股道沉降變化時(shí)程曲線見圖7。

圖7 盾構(gòu)下穿武昌站典型股道沉降變化時(shí)程曲線

該處施工中，選用的既有線控制標(biāo)準(zhǔn)如下：路基沉降值≤10 mm，沉降平均速率≤1.0 mm/d，最大沉降速率≤2.0 mm/d，軌面沉降值≤6 mm，12.5 m軌長(zhǎng)三角坑高差≤4 mm，兩股鋼軌水平高差≤4 mm，接觸網(wǎng)柱沉降/傾斜≤5 mm/5‰，無(wú)柱雨棚樁基礎(chǔ)局部?jī)A斜≤5‰。

保護(hù)措施包括：地面袖閥管注漿加固部分路基，D24型施工便梁架空正線，扣軌保護(hù)到發(fā)線，部分線路限速運(yùn)行，建立隧內(nèi)和地表在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在距離鐵路50 m外建立試驗(yàn)段，建立應(yīng)急處置專班等。

通過(guò)應(yīng)用以上方案，盾構(gòu)下穿該處3個(gè)月后沉降收斂，最大路基沉降點(diǎn)在8 道，累計(jì)沉降9.98 mm，施工期間及施工后未出現(xiàn)盾構(gòu)下穿影響既有線安全情況。

6 結(jié)論

（1）盾構(gòu)下穿鐵路施工可能引起鐵路軌道平順性指標(biāo)劣化，造成橋梁墩臺(tái)不均勻沉降影響梁上結(jié)構(gòu)應(yīng)力及軌道平順性指標(biāo)，影響橋梁樁基安全，影響路基加固效果，導(dǎo)致出現(xiàn)地上鐵塔、接觸網(wǎng)立柱、高柱信號(hào)機(jī)、房屋等變形，產(chǎn)生既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

（2）盾構(gòu)下穿鐵路應(yīng)根據(jù)鐵路設(shè)備修理規(guī)則，制定合理的軌道（道岔）幾何尺寸、橋梁墩臺(tái)沉降、鐵塔、接觸網(wǎng)立柱、高柱信號(hào)機(jī)、房屋變形限值。盾構(gòu)不應(yīng)下穿路基加固區(qū)，當(dāng)盾構(gòu)近距離下穿樁基時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算樁基各項(xiàng)指標(biāo)，并在樁洞凈距＜1D時(shí)采取單獨(dú)的工程措施。

（3）采取合理的下穿區(qū)域土體隔離樁約束、注漿加固、既有線架空、限速運(yùn)行等保護(hù)措施并嚴(yán)控盾構(gòu)施工參數(shù)，做好監(jiān)測(cè)和應(yīng)急準(zhǔn)備工作，可有效保障盾構(gòu)下穿期間的既有線運(yùn)營(yíng)安全。