軟土地層地鐵盾構下穿車站咽喉區施工技術

陳利民

（上海東華地方鐵路開發有限公司，上海 200071）

咽喉區又稱道岔區，是鐵路車站-車場兩端通過道岔、交叉渡線將各站線銜接在一起的區域。行車作業、調車作業及旅客列車車底取送都要經過咽喉區，在整個車站中位于咽喉區的設備和作業互相制約，影響最大。由于車站咽喉區布置復雜，作業量大，設備利用率高，不易改擴建，對客運站通過能力起主要限制作用，因此，咽喉區是整個車站的最薄弱環節［1］。

隨著城市軌道交通建設規模的發展，既有鐵路客運站日漸成為地鐵的必選站位。地鐵建設一般選擇盾構法下穿鐵路的方案。為保證換乘服務水平，地鐵車站與鐵路站房越近越好，線路施工不可避免地穿越道岔咽喉區。

下穿工程必須保證被穿越結構的安全和功能，而道岔是鐵路中對沉降與變形控制要求最嚴格的區域。鐵運〔2006〕146 號《鐵路線路修理規則》規定道岔尖軌尖處的作業驗收容許偏差管理值為±1mm。在長三角等軟土地區進行盾構隧道施工，由于超挖和應力釋放效應會引起地表沉降從而影響鐵路線路幾何形位［2］；除了岔心的變形控制，并行多股線路的列車荷載會在下穿區形成疊加，進一步增加施工控制難度［3］。為此，須要分析下穿施工對鐵路運營的影響，并確定軌道交通區間施工期間鐵路站場須采取的應對措施以減小鐵路安全風險。

上海市軌道交通15 號線為上海市西部的南北向徑向線，其中上海南站—百色路站區間在柳州路附近下穿上海南站東側咽喉區和柳州路立交，共穿越11股鐵路軌道。為確保工程順利實施，通過方案比選、數值模擬、鐵路通過能力計算、加固區設計、機械選型與養護、新型注漿材料應用、實時監控反饋、施工參數控制等形成一整套軟土地層地鐵盾構隧道下穿道岔咽喉區的技術措施。

1 方案比選

設計和施工方案比選包含節點站位方案、線路平面方案、加固方案3個階段。

節點站位方案包含原有規劃方案、西側桂林路方案與東側柳州路方案，如圖1所示。

圖1 節點站位方案

原有規劃方案中的上海南站既有預留土建結構因列車由C 型車升級至A 型車、4節編組擴容為6節而無法利用。此外，原方案須在北側穿越16 幢居民住宅，環境影響及社會維穩壓力較大，因此舍棄原方案。

桂林路方案與柳州路方案比選見表1。

西側桂林路方案線路短、線型順直，但與地鐵1 號、3 號線及鐵路上海南站不具備換乘功能；且盾構施工須穿越地鐵1 號線暗埋段并鑿除其38 m 深地下連續墻，工程風險大，因此沒有選用。

東側柳州路方案線型雖差，但可保證換乘距離不超過300 m，同時與旁側商業地塊一體化開發。桂林路方案和柳州路方案均須穿越上海南站咽喉區，軌道交通施工對鐵路影響均較大。綜合考慮采用換乘功能較好的柳州路方案，并通過進一步采取措施盡量減少對鐵路運營組織的影響。

站位方案確定后對線路平面進行比選，軌道交通區間穿越國鐵上海南站東咽喉區且周邊環境復雜，控制因素（圖2）包括柳州路立交鋼筋混凝土框架結構及其攪拌樁基礎，磁懸浮上海南站預留樁位，上海南站匝道樁基，國鐵上海南站東咽喉區，長途客運站、郵政轉運站、南廣場基坑剛性樁基礎。

圖2 線路控制因素平面示意

按最小曲線半徑確定的方案對比見表2。綜合比較施工難度和下穿道岔的數量，采用方案2，出上海南站后采用半徑為350 m曲線。

縱斷面上，盾構隧道主要穿越承載力130 kPa 的中密粉砂層，局部位于承載力80 kPa 的軟塑粉質黏土夾粉土層。

表2 線路方案比選

軌道交通區間與鐵路相交處的地基采取空間需求小、加固質量可靠的二重管無收縮雙液注漿工藝進行加固。該工藝采用二重管鉆機鉆孔至預定深度后采用同步注漿機注漿，并采用電子監控手段實施定向、定量、定壓注漿，使巖土層的孔隙間充滿漿液并固化［4］。

加固區平面如圖 3 所示，分為 A 區、B 區。A 區緊鄰柳州路立交，豎向加固范圍為軌面以下5～29 m，超過隧道底部向下1 m；B 區加固范圍為軌面以下5～20 m，覆蓋流塑狀、高壓縮性的灰色淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土層。

圖3 加固區平面示意

2 數值模擬

為分析盾構施工對鐵路路基變形的影響、地基加固的必要性，利用有限元軟件PLAXIS 3D 建立包括巖土、隧道、加固體、路基及上部線路一體的模型（圖4）。模型長230 m、寬190 m，深約70 m。土體采用硬化土體模型模擬，土層計算參數結合本工程地質勘察報告和相關的工程經驗進行取值。隧道開挖引起的地層損失率取0.5%，按恒壓掘進計算［5-7］。模擬盾構隧道穿越至每一股線路中心作為1個計算工況。

圖4 有限元模型

各關鍵股道沉降計算結果見表3，復式交分道岔所在股道的分步沉降曲線見圖5。可見，地基加固可減小軌道變形約32%～35%。加固后軌道最大沉降7.60 mm；最大高低不平順值0.82～0.90 mm，證明方案具有理論上的可行性。

表3 關鍵股道最大沉降 mm

圖5 加固后沉降計算結果

3 關鍵技術

3.1 施工參數控制

盾構到達前60 m 作為穿越該鐵路的試掘進段，按20 m 間距設置了3 個橫斷面，分析土壓力、推進速度、出土量、注漿量、注漿壓力與地面沉降的關系，確保盾構穩定推進。

同步注漿采用注漿量與注漿壓力雙控的標準進行，并采用新型相對質量密度大的單液漿。它是由砂、粉煤灰、膨潤土、消石灰及外摻劑用水拌合成高密度、高抗剪、低稠度的塑性單液砂漿［8］。

3.2 實時監測

工程中采用全自動監測系統對鐵路進行實時監測。采用精度±0.5″的全自動全站儀，儀器自動搜索監測點，全天候實時采集數據，及時為施工提供反饋信息。

監測內容包括軌道和路肩的沉降、水平位移，以及接觸網立柱的沉降、水平位移、傾斜度，均采用棱鏡觀測。沉降監測點與水平位移監測點重合。觀測點布置如圖6所示。

監測數據頻率動態調整，最高每2 h 1次。穿越道岔區的變形控制值是類似工程的重難點［9-10］，本案例中參照上鐵工〔2017〕382 號《上海鐵路局工務安全管理辦法》并結合以往盾構穿越鐵路變形監測要求和經驗確定監測預警報警值，見表4。

圖6 施工期測點布置示意

表4 監測預警報警值

經過實際施工檢驗，地基加固和盾構掘進期間軌道結構累計變形不超過4.5 mm，軌道結構變形滿足各項控制指標，成功穿越了11股道的道岔咽喉區穿越。

4 技術總結

4.1 應由專業機構制定周密的方案

下穿道岔咽喉區須要在事前由各專業機構制定出詳盡而周密的設計、施工、監測方案。

在設計方案的制訂過程中，應對站位、線路走向的橫縱斷面進行多方案比選。比選過程中須要清楚各種限制條件如水文地質條件，鐵路線路、站房及其他建筑的地基處理措施，鐵路咽喉區的平面位置，鐵路到發線與咽喉區的使用情況等，從而確定線路方案對道岔和尖軌的影響范圍，并對工程可行性、換乘便利性進行綜合對比。

在軟土地區穿越鐵路路基工程往往要對鐵路進行地基加固，加固方案的設計應事先細化。由于鐵路道岔咽喉區附近結構復雜、位置關系不規則，采用平面應變方法和經驗公式計算地表沉降具有較大的局限性，應委托專業咨詢單位對地基加固方案和盾構施工方案的影響建立三維有限元模型，計算盾構下穿施工引起的軌道變位、不平順，預估變形速率，必要時調整設計方案。

施工和監測方案要周密。施工須確定合理的穿越時間，與鐵路部門協調好咽喉區限速措施，盡可能安排在天窗時間或行車密度小的時間段施工；施工應有試驗段方案。如需地基加固，應確保注漿點位、機械布置和場地安排滿足鐵路要求。

監測方案應與地表沉降影響范圍一致，且地基加固和盾構穿越期間均須密集監測。監測方案實現精細化管理，確定向相關單位的信息反饋方式，并建立多方協調的風險應急預案。

4.2 施工機械保養和操作到位

在周密方案的基礎上，須要確保各個施工機械保養到位、操作準確，以減小施工中的不確定性。

本工程針對隧道穿越的砂性地層，選用了超挖量適中的新型盾構機，并采用了一系列針對性措施，例如提高刀盤開口率至40%，推進裝置增加至16 組，螺旋機出土口安裝防噴裝置形成三道閘門，盾殼增設徑向注漿孔、后配套增設二次注漿等。

穿越段的管片設計也有所調整，標準塊和鄰接塊每塊各增設2 個注漿孔，以提高二次補充注漿效果。為加強同步注漿效果，采用新型相對質量密度大的單液漿，通過嚴格控制施工質量，規范施工操作工序，有效控制地層損失率。

施工前，仔細地檢查和保養盾構設備及同步注漿、二次補壓漿設備，確保盾構以最佳狀態進入穿越區域。

為了保證監測結果準確，采用多種監測措施確保數據準確性。地表沉降觀測用全站儀精度提高至1″；盾構機內采取以靜力水平儀和電力水平尺的自動化監測為主、人工監測為輔的監測方法。

盾構到達鐵路下方前，對試驗段數據進行仔細分析，掌握此段區間盾構推進時土體變形規律，優化盾構土壓力、推進速度、出土量、同步注漿和二次注漿量、注漿壓力，從而使盾構姿態保持較好的狀態進入穿越段。

4.3 多方配合

多方配合是保證穿越道岔區工程安全的關鍵。由設計單位、鐵路部門共同參與，研究線路方案的影響、道岔改移條件、列車過岔速度、鐵路咽喉區站場運營綜合條件。咨詢單位通過精細化數值模擬確保下穿施工的影響可控。由多方共同決策，明確施工變形控制要求和方案可行性。

盾構施工監測單位和鐵路工務監測部門保持密切溝通，施工前詳細了解鐵路線狀變形情況，精確掌握穿越段各區域鐵路沉降情況；監測點布設方案由相關單位共同確定，數據由多方測量并復核，確保鐵路沉降數據準確。

各方建立協同的數據報送、報警和應急處理預案。正常情況下監測數據每日通過網絡發送至施工、監理、代建、設備管理等相關單位聯系人，并報送紙質版。若發現報警，立即口頭通知施工方暫停施工，同時復核報警數據，復核無誤后立即通知各參建方及設備管理單位、書面提出報警數據。事前組建監測報警分析小組，報警時根據小組意見實施停工或跟蹤監測。

穿越鐵路咽喉段前，組織所有施工人員進行專門的交底會議，以書面形式記錄交底內容及會議紀要并備案。

5 結語

上海地鐵15 號線下穿上海南站咽喉區工程順利實施，形成了一整套技術措施和管理方案。

在多方協調下，各專業機構進行了詳盡的方案比選，制定出周密的設計、施工、監測、鐵路限速和運營調整方案。采用斜向注漿對鐵路路基進行加固，并采用高性能全新土壓平衡盾構機和新型相對質量密度大的單液漿減少鐵路咽喉區地表變形；使用自動化連續監測和實時反饋確保信息化施工。相關技術措施將下穿咽喉區工程地表沉降控制在4.5 mm 以下，可供類似工程參考。