黃土地區盾構下穿隴海鐵路及金花隧道的施工安全控制技術

張 寧 任建喜

(1.西安市地下鐵道有限責任公司,710018,西安; 2.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥第一作者，工程師)

黃土地區盾構下穿隴海鐵路及金花隧道的施工安全控制技術

張 寧1任建喜2

(1.西安市地下鐵道有限責任公司,710018,西安; 2.西安科技大學建筑與土木工程學院,710054,西安∥第一作者，工程師)

以西安地鐵3號線胡家站—石家街站區間盾構下穿隴海鐵路及金花隧道工程為例，研究相關的盾構施工安全措施。隴海鐵路路基采用注漿加固，線路鋼軌采用扣軌加固，盾構下穿隴海鐵路施工時密切監測沉降數量。工程施工實測結果表明,由于采取了合理的掘進參數及地表加固措施,盾構安全下穿了隴海鐵路及金花隧道。

地鐵; 黃土盾構; 盾構下穿鐵路; 安全控制技術

有關黃土盾構下穿既有建(構)筑物變形規律的研究一直是地鐵盾構隧道施工安全技術問題之一。而如何降低黃土地區盾構下穿既有建(構)筑物施工帶來的地表沉降及地層位移是保證盾構施工安全的關鍵技術問題。本文以西安地鐵3號線胡家廟—石家街區間盾構下穿隴海線及金花隧道為工程背景,采用風險辨識及地面沉降分析等方法研究黃土地質條件下盾構施工安全控制技術,目的是為盾構隧道安全通過隴海線及金花隧道提供必要的技術支撐。

1 工程概況

西安地鐵3號線胡家廟站—石家街站區間(以下簡為“胡石區間”)隧道盾構自胡家廟站沿金花北路向北掘進。胡石區間隧道在里程K32+600—K32+878.368處,其左右線分別以700 m和500 m為半徑的曲線下穿隴海鐵路及東二環金花隧道(如圖1示)。左右線盾構隧道距二環金花隧道的最近距離分別為12.4 m和18.5 m。

圖1 盾構與隴海鐵路線及金花隧道關系圖

胡石區間隧道下穿隴海鐵路處地層組成自上而下依次為:人工填土、新黃土(水上)、飽和軟黃土、古土壤、老黃土(水下)及粉質黏土,局部可能存在砂層夾層。隧道穿越的地層主要為老黃土(水下)及古土壤地層,拱頂覆土厚約12.1～14.5 m。 下穿區域地下水類型主要為潛水,且主要賦存于中、上更新統黃土、古土壤、粉質黏土層及砂土夾層中。場地內地下潛水穩定水位埋深為5.20～14.00 m(部分地段高差變化大)。含水層的厚度大于50 m,砂土夾層透水性良好。平水位期地下潛水穩定水位埋深為10.9～12.00 m,年變幅2 m左右。地下水主要接受大氣降水、側向地下水徑流補給。

盾構隧道下穿既有鐵路線路過程中不可避免會造成開挖面周圍土體的擾動,進而引起地表變形,使既有鐵路線路發生隆沉變形。確保鐵路及金花隧道運行正常的同時使隧道順利穿越是本工程施工難點。由于過大的變形會影響鐵路的運營安全,因此,在盾構隧道下穿施工前應對下穿隴海鐵路工程進行施工安全風險評估。

胡石區間隧道盾構下穿既有鐵路工程的主要施工風險控制點為:鐵路正線、輔線(取送線及臨修線、整備線)、金花隧道及管線。

2 盾構施工安全措施

2.1 隴海鐵路路基采取注漿加固

應沿隴海線兩側對地層注漿加固，同時還應控制盾構掘進速度與注漿壓力,以減小施工對鐵路的影響。注漿期間須對隴海鐵路進行監測,并根據監測結果適時調整施工參數,同時讓鐵路產權單位對既有線路及時養護。隴海鐵路路基下部注漿加固的工序為:

(1) 分層注漿加固的第一層采取斜孔注漿。地面與注漿孔的夾角控制在25°～30°。注漿采用水泥水玻璃的復合漿液,可縮短膠凝時間,控制擴散范圍和注漿壓力,以降低注漿對路基基床的影響程度。

(2) 待第一層斜孔注漿施工完畢后,實施深層注漿加固。深層注漿的注漿壓力和注漿速度可根據鐵路變形的監測數據及時調整,其隆起量應控制在2 mm以內。應根據地表建筑物情況，在鐵路外側的過渡區范圍內進行適當二次的注漿加固。

(3) 沿鐵路路基兩側15 m范圍內的加固區域分為主、次加固區。主加固區為沿鐵路路基兩側10 m范圍內;次加固區為主加固區兩側5 m范圍內。主、次加固區的加固深度均為飽和軟黃土層底至隧道底部以下1.5 m范圍。加固注漿范圍如圖2所示。

圖2 加固注漿的范圍示意圖

2.2 隴海鐵路的扣軌加固

當盾構下穿隴海鐵路時,如軌面下沉量超出預警值,則應對隴海鐵路的鋼軌進行加固處理。在地鐵隧道與隴海鐵路交叉區域右線右側30 m及左線左側30 m范圍內采取扣軌的方法對鋼軌進行加固。加固的單線線路總長為750 m。加固具體方案如下:

(1) 采用3-7-3的方式扣軌,在掘進施工前對線路進行加固。3-7-3扣軌采用12.5 m標準軌。其中，正線采用P50軌，站線及牽出線采用P43軌。

(2) 在線路加固施工前,需先與鐵路產權部門簽訂施工安全協議。在正式施工前應提前“請點”,并要求在施工期間上下行列車限速均控制在40 km/h以內。

(3) 線路的加固、抽換枕木及倒料應在列車間隙期間進行,扣軌可在“天窗”期間進行。線路鐵軌加固使用的3-7-3扣軌方式,選用∠63×63×6的角鋼與φ22 U型螺栓以50 cm的間距將軌束夾緊，并使用U形螺栓和扁鐵制成的扣板,將枕木和軌束連接起來。加固方案如圖3所示。

圖3 線路扣軌加固示意圖

2.3 盾構隧道下穿隴海線過程監測

在盾構穿越隴海線前,需對地基和線路進行預先的加固,并加強施工過程中的監控量測。將既有鐵路線在施工期間發生的變形情況第一時間反饋給施工單位,以及時調整盾構施工參數,從而確保盾構機穿越隴海鐵路施工及鐵路運營的安全。

為保證，盾構隧道施工質量、減少對環境的影響,地表沉降監測應點根據影響因素和變形特點來合理設置。故不僅要沿盾構軸線方向布置沉降監測點,而且還要在隧道中心軸線兩側的沉降槽范圍內布設橫向監測點。監測點設置，見圖4。

隴海線正線采用了根D型鋼梁加固,包括1根長24 m的主梁和2根長16 m的次梁。主梁橫跨隧道中心軸線,其梁體的最大變形也發生在主梁中部。本文選取左線隧道上方梁中部3個監測點1-1、1-2、1-3進行沉降分析。監測點沉降量統計如圖5所示。

圖4 地面監測點布置圖

圖5 胡石區間左線隧道監測點沉降量統計

3 施工效果

在整個盾構穿越過程中,隴海鐵路路基采取的注漿加固及鐵路軌道的加固等一系列有效措施取得了較好的效果。從圖5可以看出,各監測點的沉降量均在警戒值以下, 最大沉降量為7.47 m,最小沉降量為1.94 m。沉降量在監測期間較為穩定,且各監測點沉降變化基本一致。在采取較為有效的安全保障措施后,地表沉降量及周邊建(構)筑物沉降均在設計要求控制范圍內。

4 結語

黃土地區盾構隧道穿越既有鐵路及隧道的施工安全與其工程地質情況及施工風險密切相關。這主要包括了土體的物理力學性質、隧道埋深、地下水,以及盾構機選型、施工參數等因素。本文以西安地鐵3號線胡石區間盾構下穿隴海鐵路及金花隧道為工程背景,闡述了黃土地區盾構下穿隴海鐵路及金花隧道時的施工安全控制技術。目前,該盾構已成功下穿隴海鐵路及金花隧道。這表明盾構施工采取的一系列措施安全有效。

[1] 任建喜,李龍,鄭贊贊,等.黃土地區地鐵盾構下穿鐵路變形控制技術[J].鐵道工程學報,2013(5),57-62 .

[2] 曹振.西安地鐵盾構施工安全風險評估及施工災害防控技術[D].西安:西安科技大學,2013.

[3] 曹振,雷斌,張豐功.黃土地區地鐵下穿既有鐵路的施工風險及其控制措施[J].城市軌道交通研究,2013(4):49-53.

[4] 石舒.盾構隧道下穿鐵路工程風險及對策[J].現代隧道技術,2012(49):1

Deformation Control Technology for Metro Construction Crossing under Longhai Railway and Jinhua Tunnel in Loess Area

ZHANG Ning, REN Jianxi

Based on of Jinhua tunnel construction Xi 'an metro Line 3 that Crosses under Longhai Railway, the related shield security control technology are discussed from aspects of railway bed grouting reinforcement, rail fasterning technology and settlement mmonitoring during shield tunneling. Engineering practice shows that,by adopting reasonable tunneling parameters and surface reinforcement measures, the security control during shield costruction under Longhai Railway and Jinhua Tunnel proves very effective.

metro; loess shield; tunnel crossing under railway; security control technology

Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

U 458.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.027

2016-03-28)