王金峰/WANG Jin-feng

（武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

地鐵建設(shè)不可避免地要穿越建筑物、管線、橋梁、河道、鐵路等，因此施工過(guò)程中對(duì)建（構(gòu)）筑物的保護(hù)非常重要，不同地質(zhì)所采取的措施及推進(jìn)參數(shù)也有所不同。

對(duì)于盾構(gòu)施工對(duì)地面沉降的影響，戴志成[1]等研究了盾構(gòu)水下始發(fā)段掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表沉降的影響；陳志亮[2]、李仲峰[3]、劉碩[4]、杜明芳[5]、代君[6]等研究了土壓盾構(gòu)穿越箱涵、鐵路橋、框架結(jié)構(gòu)等建構(gòu)筑物時(shí)的沉降問(wèn)題及控制措施；王曉普[7]、王住剛[8]、王曉靖[9]、宋軍[10]、雷楊[11]、劉暉[12]、鐘俊輝[13]等研究了鄭州、西安、寧波、長(zhǎng)沙、福州等地不同地層中，盾構(gòu)施工穿越既有線鐵路的施工技術(shù)和沉降控制措施；孫國(guó)慶[14]、賈培文[15]等研究了盾構(gòu)穿越既有線鐵路時(shí)的不同加固方法及其作用。本文針對(duì)武漢地區(qū)長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地中的粉細(xì)砂地層，對(duì)盾構(gòu)穿越鐵路期間的施工參數(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析，提出盾構(gòu)在武漢地區(qū)粉細(xì)砂地層中穿越鐵路施工的控制措施及建議，供類似地層盾構(gòu)施工參考。

1 工程概況

武漢地鐵7 號(hào)線某區(qū)間線路長(zhǎng)1 524m，區(qū)間設(shè)置3 個(gè)半徑R=450m 的平曲線，區(qū)間線間距10.9～105m，覆土厚度為10.5～17.85m，左線采用海瑞克S-217、右線采用中鐵28 號(hào)土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間先后穿越二環(huán)線公路高架橋、民房群、漢口漢西聯(lián)絡(luò)線路基、滬蓉漢丹下行高架橋、客車(chē)技術(shù)整備所17 股道。

其中漢口漢西聯(lián)絡(luò)線主要行駛普通客車(chē)，行車(chē)密度較小，設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h，道床形式為有砟道床。區(qū)間隧道下穿漢口漢西京廣客線下行聯(lián)絡(luò)線坡面關(guān)系圖見(jiàn)圖1 所示。

圖1 隧道下穿聯(lián)絡(luò)線剖面關(guān)系示意圖

滬蓉、漢丹下行高架上分別為滬蓉下行線及漢丹下行線，盾構(gòu)隧道左線從滬蓉、漢丹下行高架15 與16 號(hào)墩間穿過(guò)，右線從16 與17 號(hào)墩間穿過(guò)，盾構(gòu)隧道與16 號(hào)墩最近距離均為6.3m（圖2）。滬蓉下行主要行駛動(dòng)車(chē)及部分普通客車(chē)，漢丹下行線主要行駛普通客車(chē)及部分動(dòng)車(chē)，行車(chē)密度較大，兩線設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h。橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡(jiǎn)支梁橋，采用球形鋼支座，道床形式均為有砟道床。

圖2 隧道下穿高架示意圖

區(qū)間隧道下穿漢口客車(chē)技術(shù)整備所長(zhǎng)度約為155m，隧道與鐵路夾角約71°（圖3），穿越該處2～18 號(hào)共17 條軌道，其中15～18 號(hào)軌道為碎石道床，9、10、13、14 號(hào)軌道為寬枕板道床、其它為整體道床。

圖3 隧道下穿漢口客車(chē)技術(shù)整備所示意圖

4、5、6、16、17、18 號(hào)道路基下為換填碎石處理，處理深度約1m，其它路基下方為粉噴樁處理，處理深度最深約10m。軌道上停留車(chē)輛形式為客車(chē)車(chē)底，車(chē)底進(jìn)出場(chǎng)牽引方式為內(nèi)燃機(jī)車(chē)，無(wú)接觸網(wǎng)桿。1、2 號(hào)軌道在同一庫(kù)棚內(nèi)，庫(kù)棚為單層砼排架結(jié)構(gòu)；3、4 號(hào)軌道在同一庫(kù)棚內(nèi)，庫(kù)棚為單層輕鋼排架結(jié)構(gòu)；7、8 號(hào)軌道在同一庫(kù)棚內(nèi)，庫(kù)棚為單層砼排架結(jié)構(gòu)。區(qū)間下穿的砼庫(kù)棚和輕鋼結(jié)構(gòu)庫(kù)棚均為排架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式均為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，柱間距為9m，獨(dú)立基礎(chǔ)下方采用粉噴樁處理，粉噴樁長(zhǎng)度最長(zhǎng)約8m。整備所內(nèi)燈橋柱采用獨(dú)立基礎(chǔ)，埋置深度約2m。

本區(qū)間場(chǎng)地內(nèi)地形相對(duì)平緩，為長(zhǎng)江一級(jí)階地河流堆積平原區(qū)。區(qū)間隧道所穿越的土層主要為3-5 粉質(zhì)粘土夾粉土粉砂、4-1 粉細(xì)砂、4-2細(xì)砂層，部分地段穿越3-4 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、3-5粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂，隧道頂主要位于3-3 淤泥質(zhì)粘土、3-5 粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂，隧道底土層主要為4-1 粉細(xì)砂、4-2 細(xì)砂。

長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地承壓水主要賦存于3～5 混合層及下部砂層中，3～5 層為弱承壓、弱透水含水層，4 層及5 層為強(qiáng)透水層，主要接受側(cè)向地下水的補(bǔ)給及側(cè)向排泄；孔隙承壓水賦存環(huán)境相對(duì)比較封閉，主要接受側(cè)向補(bǔ)給與排泄，地下水位季節(jié)性變化較不明顯，水量較為豐富。根據(jù)武漢地區(qū)區(qū)域水文地質(zhì)資料，Ⅰ級(jí)階地承壓水測(cè)壓水位最高標(biāo)高一般20.0m 左右，年變幅為3～4m。根據(jù)勘察單位在本區(qū)間設(shè)置的水位觀測(cè)孔數(shù)據(jù)顯示，區(qū)間承壓水位埋深約6.30m。

2 盾構(gòu)穿越既有線鐵路變形常見(jiàn)原因

既有線鐵路是指正在運(yùn)營(yíng)的鐵路線，根據(jù)鐵路部門(mén)提供資料要求，軌道累計(jì)沉降允許值為≤6mm，否則軌道沉降量超出允許值時(shí)可能造成地面不平整，影響列車(chē)及人員的安全。

2.1 盾構(gòu)施工中不同階段地面沉降分析

盾構(gòu)法施工對(duì)既有線鐵路的影響主要是由于盾構(gòu)施工引起的地面沉降，盾構(gòu)施工引起的地面沉降按時(shí)間可以劃分為5 個(gè)階段（圖4）。

1）前期沉降 土體因掘進(jìn)時(shí)地下水流失而導(dǎo)致地表沉降，一般發(fā)生在刀盤(pán)到達(dá)切口前3～12 m 處。

2）到達(dá)時(shí)沉降 即由于開(kāi)挖時(shí)土體壓力失衡發(fā)生彈性或塑性變形而導(dǎo)致的沉降，發(fā)生在盾構(gòu)刀盤(pán)到達(dá)切口前3m 至切口后l m 處。

3）通過(guò)時(shí)沉降 即由于盾體和土層間的摩擦剪切力導(dǎo)致土體向盾尾后移而發(fā)生的彈塑性變形，發(fā)生在盾尾通過(guò)切口后1m 至盾尾脫出處。

4）盾尾空隙沉降 即由于盾體通過(guò)后建筑間隙增加且同步注漿不及時(shí)而導(dǎo)致的沉降，發(fā)生在盾尾脫出至繼續(xù)推進(jìn)1m 處。

5）后期沉降 即由于土體產(chǎn)生的塑性變形導(dǎo)致的沉降，發(fā)生在盾尾通過(guò)后約100h。

圖4 盾構(gòu)施工各階段引起的地面沉降示意圖

2.2 鐵路路基地基承載力評(píng)估

根據(jù)調(diào)查顯示，路基及整備所的路基在施工時(shí)已對(duì)地基進(jìn)行了加固處理。高架橋墩樁基設(shè)計(jì)尺寸為?1.5m、樁長(zhǎng)為56m，已入巖，地基承載力能滿足列車(chē)運(yùn)行荷載。

2.3 整體安全性評(píng)價(jià)

在地鐵盾構(gòu)施工期間安排專人值班盯守，過(guò)程中加大嚴(yán)密監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，信息化指導(dǎo)地鐵盾構(gòu)施工，穿越完成后及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿填充地層損失，可完全確保穿越期間既有線鐵路的安全穩(wěn)定。

3 盾構(gòu)穿越既有線鐵路施工技術(shù)

3.1 模擬推進(jìn)參數(shù)及監(jiān)測(cè)情況

3.1.1 階段一模擬情況

根據(jù)盾構(gòu)穿越鐵路階段的埋深及地層情況，對(duì)推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土壓力、盾構(gòu)推力、出渣量、注漿壓力及注漿量等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，總結(jié)分析本工程已施工完成部分的掘進(jìn)參數(shù)，初步確定的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)如下。

1）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.6～1.8rpm，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。

2）土倉(cāng)壓力 盾構(gòu)2#、3#土倉(cāng)壓力控制在1.3～1.5bar，土倉(cāng)壓力變化值控制在0.2bar，在保證土倉(cāng)壓力的情況下穩(wěn)步推進(jìn)。

3）出土量 出土量控制在47.1～48.5m3/環(huán)。

4）外加劑 在刀盤(pán)扭矩大導(dǎo)致無(wú)法正常推進(jìn)時(shí)，加入泡沫劑改良渣土。

5）推進(jìn)速度 正常掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn)控制在50～60mm/min，以減小盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)，從而有效控制地面沉降,使盾構(gòu)勻速推進(jìn)。

6）同步注漿量 注漿量為建筑間隙的180%～200%。

7）二次注漿 采用雙液漿，在盾構(gòu)上增設(shè)注漿作業(yè)平臺(tái)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)注漿。

8）盾構(gòu)姿態(tài) 盾構(gòu)的姿態(tài)水平偏差小于30mm,高程偏差小于20mm，當(dāng)水平偏差大于30mm 或高程大于20mm 時(shí)要及時(shí)調(diào)整。

根據(jù)第一階段模擬推進(jìn)后，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，掌子面前方有較小沉降，盾體上部地面有沉降，盾構(gòu)通過(guò)后地面沉降較大，沉降時(shí)間主要集中在通過(guò)后48 小時(shí)以內(nèi)，持續(xù)沉降時(shí)長(zhǎng)約4～5d，穩(wěn)定后地面沉降最大-10.3mm（圖5），最小-6.9mm，部分測(cè)點(diǎn)在拖出盾尾48 小時(shí)后日變量會(huì)完全處于報(bào)警狀態(tài)，左、右側(cè)很有可能產(chǎn)生不均勻性的沉降，需對(duì)初步設(shè)定的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

根據(jù)階段一盾構(gòu)掘進(jìn)及地表沉降情況進(jìn)行分析，原因如下。

1）土壓過(guò)小，盾構(gòu)刀盤(pán)內(nèi)土壓小于土體自重及外部側(cè)壓力。

2）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度較快對(duì)土體擾動(dòng)大；同步注漿未及時(shí)填充建筑間隙，漿液凝固時(shí)間較長(zhǎng)，上部土體無(wú)法穩(wěn)定，導(dǎo)致地表整體沉降。

3）推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)的前、后端姿態(tài)趨勢(shì)較大，對(duì)土地?cái)_動(dòng)性較大。

3.1.2 階段二模擬推進(jìn)情況

根據(jù)階段一盾構(gòu)掘進(jìn)及地表沉降情況，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整如下。

1）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在1.2～1.4rpm，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整。

2）土倉(cāng)壓力 盾構(gòu)2#、3#土倉(cāng)壓力控制在1.4～1.6bar，土倉(cāng)壓力變化值控制在0.2bar，在保證土倉(cāng)壓力的情況下穩(wěn)步推進(jìn)。

3）出土量 推進(jìn)出渣量控制在47.1～48.5m3/環(huán)。

4）外加劑 在刀盤(pán)扭矩大導(dǎo)致無(wú)法正常推進(jìn)時(shí)，加入泡沫劑改良渣土。

5） 推進(jìn)速度 正常掘進(jìn)速度時(shí)，推進(jìn)控制在30～40mm/min。

6）同步注漿量注漿量為建筑間隙的200%～250%。

7）二次注漿采用雙液漿，在盾構(gòu)上增設(shè)注漿作業(yè)平臺(tái)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)注漿。

8）盾構(gòu)姿態(tài)盾構(gòu)的姿態(tài)水平偏差小于30mm,高程偏差小于20mm，當(dāng)水平偏差大于30mm 或高程大于20mm 時(shí)要及時(shí)調(diào)整姿態(tài)。

階段二和階段一掘進(jìn)參數(shù)比較主要是降低推力、速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速（減小刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)土體的擾動(dòng)）、優(yōu)化了漿液配合比（減少漿液初凝時(shí)間）、增加注漿量、增加泡沫劑的使用量、使用氣壓保壓進(jìn)行掘進(jìn)。按照調(diào)整后的參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，較第一階段地面沉降減小，最大沉降量-4.7mm（圖6），最小沉降量為-3.5mm，滿足盾構(gòu)穿越鐵路控制要求。

3.1.3 掘進(jìn)參數(shù)的確定

根據(jù)階段一和階段二掘進(jìn)情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定將階段二的掘進(jìn)參數(shù)作為穿越鐵路時(shí)的施工參數(shù)，施工過(guò)程嚴(yán)格按照既定參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖5 第一階段地表沉降曲線圖

圖6 第二階段地表沉降曲線圖

圖7 漢口漢西聯(lián)絡(luò)線路基沉降曲線圖

3.2 穿越鐵路施工及監(jiān)測(cè)情況

根據(jù)階段一和階段二掘進(jìn)確定的施工參數(shù)進(jìn)行穿越鐵路時(shí)的施工控制，在穿越鐵路前啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，按照要求的監(jiān)測(cè)頻率對(duì)鐵路軌道、路基等進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，由鐵路部門(mén)安排專人在地面24h 進(jìn)行巡視，并隨時(shí)向隧道內(nèi)反饋監(jiān)測(cè)情況，動(dòng)態(tài)化施工。

3.2.1 穿越漢口漢西聯(lián)絡(luò)線路基期間軌道沉降及水平位移情況

穿越路基期間，采用模擬推進(jìn)確定的施工參數(shù)進(jìn)行施工，沉降數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖7，地面沉降量最大為-5.7mm，盾構(gòu)穿越鐵路期間軌道及路基沉降無(wú)報(bào)警，巡視未發(fā)現(xiàn)裂縫，滿足鐵路沉降控制要求。

3.2.2 穿越鐵路橋梁期間沉降情況

穿越期間，采用模擬推進(jìn)確定的施工參數(shù)進(jìn)行施工，沉降數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖8，地面沉降量最大為-0.4mm，盾構(gòu)穿越鐵路橋梁期間橋墩及軌道無(wú)報(bào)警，巡視未發(fā)現(xiàn)裂縫，滿足鐵路橋梁沉降控制要求。

3.2.3 穿越整備所期間沉降情況

穿越期間，采用模擬推進(jìn)確定的施工參數(shù)進(jìn)行施工，沉降數(shù)據(jù)分析見(jiàn)圖9，地面沉降量最大為-4.5mm，盾構(gòu)穿越整備所17 股軌道期間無(wú)報(bào)警，巡視未發(fā)現(xiàn)裂縫，滿足整備所軌道沉降控制要求。

3.2.4 鐵路沉降、水平位移變化規(guī)律分析

1）鐵路沉降變化規(guī)律 鐵路的沉降和地表沉降變化規(guī)律是一致的，按時(shí)間先后可以分為5 個(gè)階段：先期沉降、盾構(gòu)到達(dá)、盾構(gòu)通過(guò)、盾尾間隙及后期沉降，這里不再闡述。

2）鐵路軌道沉降變化規(guī)律 隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，軌道在刀盤(pán)前方時(shí)的變形速率基本為零，當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)及通過(guò)期間變形速度不斷增大，同時(shí)沉降值達(dá)到最高峰，待盾構(gòu)通過(guò)后48h 內(nèi)并進(jìn)行二次注漿后，軌道變形量會(huì)逐漸向反方向變形，反向軌道變形速度由最大逐漸變?yōu)樽钚?，之后進(jìn)入平穩(wěn)期。

3.3 保證注漿量質(zhì)量

在穿越該區(qū)域段掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿量嚴(yán)格按照要求控制在5m3，并在管片脫出盾尾后8～10 環(huán)的位置再次進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，每環(huán)注漿量不小于1m3，以增大管片背后填充率，保證土體穩(wěn)定性。

3.4 隧道軸線控制

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)要及時(shí)地調(diào)整掘進(jìn)方向，使隧道軸線與設(shè)計(jì)的軸線一致，掘進(jìn)過(guò)程中控制盾構(gòu)左右組油缸推力的差值，使盾構(gòu)保持在設(shè)計(jì)線路的切線方向上掘進(jìn)。由于盾構(gòu)下穿鐵路段處于隧道線型曲線段，因此在掘進(jìn)過(guò)程中及時(shí)地調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，防止超限；盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)禁左右來(lái)回大幅度糾偏，大幅度糾偏會(huì)造成刀盤(pán)切削不穩(wěn)定，容易超挖，其次在來(lái)回糾偏過(guò)程中，容易造成地層不穩(wěn)定，所以在掘進(jìn)過(guò)程中要“小糾偏，勤糾偏”，控制好盾構(gòu)姿態(tài)。

3.5 穿越后評(píng)估

對(duì)盾構(gòu)穿越鐵路線時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，鐵路軌道、路基、橋梁等沉降未達(dá)到報(bào)警值，整體穩(wěn)定。

在盾構(gòu)穿越鐵路3 個(gè)月后及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定的情況下停止了對(duì)鐵路軌道的沉降監(jiān)測(cè)，并組織鐵路相關(guān)部門(mén)共同對(duì)軌道進(jìn)行了調(diào)查，與穿越前的調(diào)查情況進(jìn)行對(duì)比，穿越鐵路期間軌道、橋梁、路基等未出現(xiàn)不均勻沉降及沉降數(shù)據(jù)預(yù)警情況。

圖8 滬蓉漢丹下行高架沉降曲線圖

圖9 客車(chē)技術(shù)整備所沉降曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）為保證開(kāi)挖面的穩(wěn)定，有效地控制地表沉降和鐵路的安全運(yùn)行，要對(duì)以下7 個(gè)管理指標(biāo)來(lái)進(jìn)行掘進(jìn)控制管理：①土倉(cāng)壓力；②掘進(jìn)速度；③總推力；④出渣量；⑤刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和扭矩；⑥注漿壓力和注漿量；⑦渣土改良效果。

2）鐵路運(yùn)營(yíng)期間安全監(jiān)測(cè)關(guān)系重大，施工中要嚴(yán)密進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

3）通過(guò)合理選擇掘進(jìn)參數(shù)，以及嚴(yán)密的沉降監(jiān)測(cè)，盾構(gòu)順利穿越了鐵路。盾構(gòu)穿越鐵路路基施工過(guò)程中最大累計(jì)沉降量為5.7mm，小于鐵路相關(guān)規(guī)范要求，不影響列車(chē)運(yùn)行。