鐵路大直徑隧道下穿地鐵車站風險控制

盧雅文，尹云龍，肖波

（中國鐵路北京局集團有限公司 北京工程項目管理部，北京 100038）

0 引言

隨著我國城市化發(fā)展步伐不斷加快，高鐵線路的建設環(huán)境愈加復雜，尤其在交通發(fā)達城市的城區(qū)修建鐵路時，應重點考慮其建設環(huán)境。如鐵路下穿既有車站時，對車站主體結構穩(wěn)定性等構成一定風險，可能因微小擾動累積造成沉降變化，影響列車運營安全。在地下工程施工技術中，主要有明（蓋）挖法和暗挖法。明挖法施工安全、可靠，在施工過程中，可對既有建筑物、管線等影響范圍和程度進行直觀監(jiān)測，但其空間、場地要求不適合在城區(qū)應用。對于暗挖法施工，雙洞雙線盾構法較常見，但受管線改移、交通管控、占地補償、施工擾民等因素限制，外部環(huán)境非常復雜，且其占地、工作面等條件難以滿足。為使新建鐵路對環(huán)境影響最小化，并滿足不斷提高的鐵路建設標準，盾構施工規(guī)模逐漸趨于大直徑化，如京沈高鐵望京隧道盾構開挖直徑10.87 m、太原市東晉隧道盾構開挖直徑12.14 m、在建北京東六環(huán)入地改造工程（新建公路）開挖直徑16.07 m等［1］。以新建京張鐵路清華園隧道為例，研究在北京市城區(qū)采用盾構法新建鐵路大直徑隧道下穿地鐵車站的風險控制措施可行性。

1 工程概述

新建京張鐵路清華園隧道開挖斷面12.64 m，外徑12.2 m、內(nèi)徑11.2 m，采用泥水平衡盾構法施工，下穿地鐵10號線知春路站區(qū)間、13號線換乘通道，最小垂直凈距5.4 m，距離知春路站西側最小水平間距1.5 m。

地鐵10號線采用60 kg/m鋼軌，1 435 mm標準軌距，整體道床；隧道結構為馬蹄形斷面，寬6.5 m、高6.7 m。隧道為暗挖施工，盾構下穿前，在10號線區(qū)間南北兩側施作1號、2號豎井（2號豎井包括橫通道及注漿工作室），對新建隧道與既有結構土體進行袖閥管注漿加固（見圖1）。

圖1 工程平面布置圖

由圖1可知，該項目具有以下特點：

（1）開挖斷面大。隧道開挖斷面12.64 m，對開挖斷面土體穩(wěn)定性要求高。

（2）下穿地鐵車站結構形式復雜。地鐵車站、線路設備沉降值控制要求高。

（3）下穿地層復雜。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查情況，盾構下穿地鐵段土體為粉質(zhì)黏土與卵石土結合層，對刀具要求高、自穩(wěn)能力差。

2 掘進參數(shù)控制

在施作試驗段，主要進行盾構下穿前的各項施工內(nèi)容調(diào)整，目的是針對土層地質(zhì)的復雜性，合理調(diào)整盾構掘進、同步注漿的各項參數(shù)，對刀盤有破損的刀具進行更換，使盾構機處于最有利狀態(tài)。工程試驗段長度180 m，主要確定盾構的泥水壓力、掘進速度、同步注漿量等參數(shù)。

2.1 泥水壓力

泥水壓力可按照以下公式設定：

泥水壓力=地下水壓+土壓+預壓。

（1）地下水壓。地下水壓計算公式如下：

式中：σw為地下水壓，MPa；γw為水的容重，kN/m3，取10；h為地下水位以下隧道埋深（至隧道中心），m，取6。

（2）土壓。即掘削面的水平土壓力，分為主動土壓力、靜止土壓力或松弛土壓，可計算泥水壓力的上限和下限值。

主動土壓力計算公式如下：

式中：σa為主動土壓力，MPa；γ為土的容重，kN/m3，取20；z為土層厚度，m，可根據(jù)地面高程及盾構埋深計算，取25.34；φ為土的內(nèi)摩擦角，°，取20；c為土的黏聚強度，kPa，取8。

靜止土壓力計算公式如下：

式中：σ0為靜止土壓力。

預壓是考慮地下水壓、土壓的設定誤差，以及送、排泥設備中的泥水壓變動等因素，根據(jù)經(jīng)驗確定的壓力。預壓通常取20～30 kN/m2。

結合式（1）—式（3），若預壓取30 kN/m2，得泥水壓力為0.26～0.30 MPa。在盾構推進時，以其下限值為參考；在停機時，以其上限值為參考［2］。

在試驗段中，盾構實際切口水壓為0.24～0.26 MPa。

2.2 掘進速度

試驗段施工過程中，每10 m為1區(qū)間，共劃分4個段落，通過不同的刀盤轉速及掘進速度，計算出合理數(shù)值，確保盾構正常掘進。

2.3 同步注漿量

施工前應審核施工報送的注漿漿液配比。試驗段施工過程中根據(jù)審核通過的漿液配比進一步確定注漿參數(shù)，包括：注漿壓力、注漿量。二次注漿范圍為10號線區(qū)間及南北各25環(huán)（50 m）。其中，同步注漿量可通過隧道外徑和開挖斷面的尺寸計算得出，不再贅述；二次注漿則結合監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用壓力控制，注漿壓力≤0.4 MPa［3］。

經(jīng)過試驗段調(diào)整，盾構最終確定掘進參數(shù)（見表1）。

表1 盾構實際掘進參數(shù)

3 近距離穿越車站控制

目前，雖然盾構機操作已基本實現(xiàn)自動化，但風險管控的重點是提前做出預判，借助試驗段證實改進，避免盲目跟隨機械［4］。由于盾構下穿地鐵時，無法提前從內(nèi)部對車站、區(qū)間進行加固注漿，且工程地點位于市中心區(qū)域，交通線路、建筑結構復雜，無法從地面進行防護，因此另行施作1號、2號豎井，并暗挖至注漿位置，采用袖閥管注漿工藝對新建隧道與既有地鐵結構間土體加固，提高注漿范圍控制的精確度。同時，針對地層的特殊性，采用不同漿液配比，達到注漿加固效果，其重點控制項是注漿過程控制和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析［5］。

3.1 注漿過程控制

（1）漿液配比。現(xiàn)場應有準確的計量工具，嚴格按照設計配合比進行施工。根據(jù)地質(zhì)勘查情況，注漿加固土體為粉質(zhì)黏土與卵石土結合層，施工中在粉質(zhì)黏土層采用0.8∶1.0超細水泥漿，卵石土層采用1∶1水泥-水玻璃雙液漿。

（2）注漿順序。在10號線隧道結構與新建盾構隧道結構之間，設置上下共6排注漿孔進行注漿加固；注漿孔編號，間隔進行，在盾構機到達前3 d完成注漿。

在盾構下穿地鐵車站過程中，利用第2排注漿管，實施保壓循環(huán)袖閥管注漿，補償盾構下穿過程中地鐵10號線可能出現(xiàn)的地層變形；利用倒數(shù)第2排注漿管，實施跟蹤注漿，補償盾尾與地層間隙造成的地層損失，注漿材料采用水泥漿。壓力控制在0.3～0.4 MPa［6］。

在盾構機尾部通過車站范圍，且地鐵10號線區(qū)間豎向變形小于0.1 mm/d后，停止保壓循環(huán)注漿。

跟蹤注漿應與保壓循環(huán)注漿同步實施。注漿過程中，密切注意地鐵10號線的監(jiān)測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)預警時，及時責令現(xiàn)場停止注漿；并通知業(yè)主及設計單位，重新研究注漿參數(shù)。

（3）注漿量控制。注漿量計算公式如下：

式中：Q為注漿量，m3；R為擴散半徑，m，該項目取0.8；H為注漿段長度，m，該項目取26；n為地層空隙率，該項目粉質(zhì)黏土取35%～50%、卵石土取33%～46%；α為漿液填充率，取0.7；β為漿液損失率，取20%。

經(jīng)計算，加固1 m3土體所需注漿設計用量為0.55 m3。注漿過程中應嚴格督促施工單位做好現(xiàn)場注漿記錄，按設計原則進行注漿量控制［7］。漏漿較嚴重時，應及時調(diào)整注漿孔順序。

（4）注漿結束標準。單孔注漿結束標準以達到設計終壓并穩(wěn)定10 min，且進漿速度為開始速度的1/4，或注漿量達到設計注漿量的80%。如在注漿過程中出現(xiàn)冒漿，可提前停止注漿；如不能達到，可多次注漿［8］。

注漿結束后，第2排及倒數(shù)第2排注漿管暫留，做下穿時保壓、跟蹤注漿使用，其他鉆孔用M10水泥砂漿進行全孔封堵。

（5）注漿效果檢查。注漿完成后，對注漿范圍內(nèi)土體采取抽芯，主要查看芯體的勻質(zhì)性；檢查合格后，將檢查孔采用M10水泥砂漿封堵密實。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

新建隧道下穿地鐵10號線客運量大、運行間隔短，地鐵運營部門對既有設備的沉降控制值為2 mm。為實現(xiàn)沉降控制目標值，施工中對既有車站、地鐵隧道結構及軌道采用了自動化監(jiān)測，一般情況下，1次/2 h；在注漿加固及下穿施工關鍵期，1次/30 min；對13號線換乘通道采用了人工監(jiān)測，監(jiān)測頻率1次/d。

施工中，現(xiàn)場施工、監(jiān)理、設計、第三方監(jiān)測、業(yè)主等各方之間建立數(shù)據(jù)實時共享機制。監(jiān)測數(shù)據(jù)作為指導施工依據(jù)，要通過連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，繪制日沉降變化曲線圖，分析其是否有上浮或下沉趨勢，為下一步施工提供有價值的參考依據(jù)，而不能只看當日監(jiān)測結果［9］。軌道監(jiān)測點GDC25-2沉降數(shù)據(jù)變化示意見圖2。如圖所示，施工第9 d—第19 d，一直呈上升趨勢，數(shù)值變化較顯著。此時，應主動采取措施，加大日監(jiān)測頻率，關注此段軌道及既有結構的變化［10］。

圖2 軌道監(jiān)測點GDC25-2沉降數(shù)據(jù)變化示意圖

4 結束語

京張鐵路清華園隧道下穿地鐵10號線知春路站區(qū)間、13號線換乘通道工程，結構形式復雜、垂直距離小、地層情況復雜。從項目風險管理的角度，分析其存在的風險，并針對各項風險源采取了技術控制措施。在施工前，對技術措施的各項參數(shù)進行提前預判和合理設定；在施工過程中，通過現(xiàn)場實時監(jiān)測，驗證了參數(shù)設置的可行性。實踐結果表明，施工過程安全、順利，并且隧道周邊地層結構等變化一直處于合理范圍，達到了預期效果。