地鐵下穿既有鐵路綜合施工監測技術

徐向勇

上海三維工程建設咨詢有限公司 上海 200060

目前，針對盾構施工下穿鐵路地面變形量控制的問題，許多專家做了相關研究。其中，何永洪等[1]針對成都軌道交通9號線三院站—太平寺站區間盾構隧道下穿成貴客運專線機場路隧道工程，采用嚴格控制掘進參數、強化注漿、加強監測與信息化施工等措施有效控制地面變形；趙星[2]針對南通軌道交通盾構隧道下穿寧啟鐵路，采用有限元軟件Midas-GTS建立模型，計算得出地層具有較大沉降量；廖凌軍等[3]提出采用“隔離樁＋袖閥管注漿”的施工方法，降低了蘇州軌道交通下穿京滬高鐵丹昆特大橋工程的施工風險。綜上所述，盾構施工的過程中必然會導致地面與鐵軌產生變形，這會對鐵路的正常運營產生不利影響，降低地上鐵路的運輸安全。為確保隧道盾構施工過程中地面鐵路的正常運行，需要采取有效措施減少地面與道床的變形。本文針對無錫地鐵3號線一期工程盾構下穿京滬鐵路及滬寧城際高鐵段，通過實時監測并及時調整施工參數等措施，確保盾構安全通過既有鐵路區段，對類似工程有一定的參考意義。

1 工程概況

1.1工程簡介

三院站—無錫火車站區間隧道左、右線長度分別為788.901、785.985 m，左右線間距為13.0～17.0 m，隧道頂至地面距離為8.5～15.0 m。結合工程地質條件，采用土壓平衡盾構機施工，盾構機由三院站出發施工左線段，到達無錫站后掉頭施工右線段。隧道采用預制C50鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑為6 200 mm、內徑為5 500 mm、厚度為350 mm、寬度為1 200 mm，每環由6塊管片組成。

1.2盾構隧道下穿既有鐵路概況

隧道以60°偏角斜穿京滬鐵路的6股軌道，以40°偏角穿越滬寧城際高鐵的7股軌道（圖1）。其中，京滬鐵路為碎石道床，滬寧城際高鐵為整體混凝土道床，且滬寧城際高鐵道床已在地鐵下穿段做了加固處理。左線由382環開始進入京滬鐵路，至495環出滬寧城際高鐵；右線推進至117環開始進入滬寧城際高鐵，推進至245環盾尾出京滬鐵路。隧道下穿鐵路段位于300 m小半徑曲線上，豎向最大坡度為2.875 5%（圖2）。

圖1 盾構機與鐵路線路平面位置關系

圖2 盾構機與鐵路線路豎向位置關系

1.3工程重難點分析

1）變形控制要求高。按照相關規定，京滬鐵路單次測量軌道沉降速率預警值為2 mm，1 d（24 h）的報警值為4 mm；滬寧城際高鐵單次測量軌道沉降預警值為1 mm，報警值為2 mm；地表沉降的控制標準為實時監測，沉降速率為0.5 mm/d，日沉降量不超過2 mm，最終累計沉降量不超過10 mm并以限值的80%作為報警值，工程精度要求高。

2）工程地質復雜。區間穿越京滬鐵路段土層主要為黏土層，穿越滬寧城際高鐵為黏土與砂質粉土層（圖3），隧道上方土層分布情況復雜，土體強度低且砂質粉土層存在地下水，地下水主要形式是微承壓水，這在隧道開挖過程中是一種安全隱患。

圖3 隧道下穿鐵路地質剖面示意

2 施工準備

2.1既有鐵路道床的加固

滬寧城際高鐵為整體混凝土道床，目前已在下穿段采用“鋼筋混凝土板＋樁”對道床進行地基加固，樁基礎采用的鉆孔樁與右線隧道最小凈距為0.077 m，與左線隧道最小凈距為0.865 m。

京滬鐵路為碎石道床，在盾構施工中不可避免地會造成道床的沉降[4]，若沉降過大，將會影響既有鐵路的運營安全。在盾構施工區域內先做好地基加固措施，可以減少地層蠕動，避免顆粒黏結等情況的發生，使孔隙充分填充，提高地基的穩定性[5]。在盾構穿越范圍內，對未加固土體采用斜向或垂直注漿加固，其加固剖面如圖4所示。采用地面袖閥管注漿與鉆桿后退式注漿工藝對地基進行加固，注漿孔縱橫向間距為1.2 m×1.2 m，呈梅花形布置，注漿液擴散半徑為0.8 m。最外2排注漿孔采用1∶1水泥水玻璃雙液漿，其余注漿孔采用1∶1水泥漿，規格為42.5級普通硅酸鹽水泥。

圖4 京滬鐵路及滬寧城際高鐵注漿加固剖面示意

2.2施工參數擬定

該工程選取穿越前100 m和線性、埋深、地質等工程條件類似的兩地段作為盾構的2個試推進段。盾構下穿前應根據試推進段制定合理的施工參數，其中包括推進速度、盾構姿態、土壓力等施工參數[6]，該工程具體施工參數見表1。其中對于推進速度，根據以往施工經驗，需將盾構掘進速度控制在35 mm/min以內[7]，再結合試推進段地層、隧道變化情況，制定盾構推進速度為：過京滬鐵路推進速度控制在7環/d，過滬寧城際高鐵施工推進速度控制在6環/d。在試推進過程中，將盾構姿態調整到最佳，減少不必要的停機，保證盾構的連續推進，這對地面沉降的控制起到重要作用[8]。另外，出土量對開挖面的穩定性產生巨大影響，所以控制排土量是控制地表變形的最重要因素[9]。在盾構法施工過程中，開挖隧道直徑小于盾構機外徑，這會形成建筑空隙，進而使得地面沉降，因此需要同步注漿填充空隙。

表1 盾構推進參數擬定

3 施工監測

3.1監測方案

在盾構下穿既有鐵路施工過程中，常在地表面設置自動化監測設備[10-12]。盾構推進的過程中，地上鐵路處于運營狀態，采用人工監測不僅會增加工作人員的工作量，也難以保證人身安全，故采用自動化全天候實時監測。盾構下穿既有鐵路時，采用全站儀24 h自動監測，若遇特殊情況，監測頻率為1 h/次。為了確保監測數據的實時性和準確性，在盾構下穿期間測量人員24 h值班，每環監測2次，開始階段監測1次，結束階段監測1次。根據監測的實時數據，做出每時沉降變化圖和每日沉降變化圖，并在每時沉降變化圖中點出盾尾脫開的變化。在盾構穿越后前7 d監測頻率為4次/d，穿越結束后第2周監測頻率為2次/d，穿越結束第3周以后為1次/2 d。

3.2監測點布置

京滬鐵路共設置62個監測點，其中包含15個路肩點；滬寧城際高鐵共設置78個監測點，其中包含21個路肩點。其監測點的平面布置如圖5、圖6所示。

圖5 京滬鐵路監測點布置示意

圖6 滬寧城際高鐵監測點布置示意

3.3監測數據

3.3.1 穿越京滬鐵路監測數據

盾構通過地面軌道上的監測點的數據變化情況如圖7、圖8所示。盾構在穿越京滬鐵路過程中累計最大沉降量為－2.1 mm，對應監測點號為JH3＋2；通過路肩點監測數據，京滬鐵路地表監測累計最大沉降量為－2.5 mm，對應監測點號為JH4＋0A，其最大值均在規定范圍內，施工參數選取合理。

圖7 京滬鐵路地面監測點變形

圖8 京滬鐵路路肩點累計變形

3.3.2 穿越滬寧城際高鐵監測數據

盾構開始下穿滬寧城際高鐵區域時，地表監測數據處于規定范圍內。在盾構脫離監測點HN4＋1約18.2 m時，監測點HN2－3監測隆起值為2.4 mm，具體可見圖9；監測點HN4－1監測隆起值為2.5 mm，監測點HN6－1監測隆起值為2.5 mm，地表監測數據反映滬寧城際高鐵軌道隆起達到預警值，具體可見圖10、圖11。

圖9 地表隆起預警監測點與盾構機位置關系示意

圖10 滬寧城際高鐵監測點累計變形

圖11 滬寧城際高鐵監測點變形速率

4 施工控制

在盾構穿越滬寧城際高鐵的過程中，地面變形達到預警界限，需要通過采取措施來減少地面隆起變形，保證地面鐵路的運營安全。

4.1滬寧城際高鐵地面變形初步控制

在施工參數推進的過程中，根據滬寧城際高鐵地面監測點HN2－3、HN4－1、HN6－1數據判斷地面隆起已經達到預警值，隆起原因初步分析為：此時盾構處于上坡推進過程中，土壓力未及時調整導致土壓力值過大，致使鐵路地面隆起；預警監測點位置位于盾構推進的后方，其位置注漿量可能處于飽和狀態。因此，初步控制是通過調整施工參數來降低地面隆起變形。其中，將推進速度降低為15～25 mm/min，土壓力降低為0.2 MPa，注漿量調整為3.6～3.8 m3。

調整施工參數后，通過地面監測點數據顯示，按照此參數繼續進行盾構掘進，地面隆起速率略有降低，但是累計隆起變形仍然較大。

4.2滬寧城際高鐵地面變形最終控制

在盾構機盾尾與HN6－1監測點距離約為27.6 m時，監測點HN2－3、HN4－1、HN6－1仍具有隆起趨勢。根據調整施工參數后的盾構監測結果分析，土壓力及注漿量是影響鐵路隆起的次要原因。綜合分析隆起的主要原因為：盾構穿越滬寧城際高鐵基礎形式為整體混凝土板。在盾構施工前，混凝土板受力處于平衡狀態。在盾構推進過程中，其處于2.725%的上坡段，存在1個30～35 t向上的作用力（圖12），故打破了混凝土板原有的平衡狀態；盾構機此時處在半徑為300 m的右轉小半徑圓曲線上，左側頂進推力約為右側頂進推力的2倍，因此盾構機通過管片施加給左后方土體一個徑向的應力，盾構穿越時后方管片徑向應力如圖13所示。

圖12 盾構穿越時盾構垂直應力示意

圖13 盾構穿越時后方管片徑向應力示意

根據綜合分析，在此后盾構推進過程中，將1環平均分為3次掘進完成，每掘進40 cm，停機30 min，每次掘進完成后回收千斤頂釋放土體應力，同時回收千斤頂組數不得超過3組，目的在于釋放盾構機盾尾后方管片與土體的壓力，減小盾構掘進對土體的擠壓；推進速度保持15～25 mm/min；土壓力保持在0.2 MPa左右；注漿量保持在3.6～3.8 m3。

采取以上措施后，地面隆起速率逐步趨于平穩狀態，最終沉降量也在規定范圍內，具體沉降量變化如圖14～圖17所示。地面監測點顯示，最大累計隆起值為3.0 mm；盾構通過混凝土板后，監測點監測變形值逐漸呈下降趨勢，最大累計隆起值為2.2 mm，滿足規定要求。

圖14 HN2－3監測點累計變形

圖15 HN4－1、HN6－1監測點累計變形

圖16 HN2－3監測點變形速率

圖17 HN4－1、HN6－1監測點變形速率

5 結語

5.1工程現況總結

1）盾構下穿京滬鐵路的過程中以及下穿過后，累計最大沉降值為2.5 mm，滿足規定要求，這說明最初擬定的掘進參數及施工方法合理，能有效減少地面變形。

2）盾構下穿滬寧城際高鐵的過程中，由于滬寧城際高鐵道床為混凝土筏板，且盾構處于上坡掘進過程中，筏板在豎直方向的力的平衡被打破，造成地面隆起。而后采取的措施可有效將累計變形以及變形速率降低在規定范圍內，故施工方法選取合理。

5.2工程應用總結

1）盾構下穿鐵路的施工中，對于地面變形的要求嚴格，因此需要加強地面變形監測，及時得到有效數據，才能選取合理的施工方法控制變形。

2）針對不同的鐵路道床，需要采取不同的施工參數。對于碎石道床的京滬鐵路，采用控制土壓力、注漿量等施工參數即可順利通過；而對于整體混凝土板道床的滬寧城際高鐵，需要從受力角度綜合考慮。

3）針對滬寧城際高鐵道床為整體混凝土筏板，且盾構處于上坡推進過程中的情況，由于豎向力平衡被打破，從而造成隆起變形較大。采用降低推進速度、控制注漿量等施工參數以及回收千斤頂降低混凝土板豎向力，可有效降低鐵路隆起。