鐵路大直徑隧道下穿地鐵車站風(fēng)險(xiǎn)控制

盧雅文，尹云龍，肖波

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京工程項(xiàng)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(shè)環(huán)境愈加復(fù)雜，尤其在交通發(fā)達(dá)城市的城區(qū)修建鐵路時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮其建設(shè)環(huán)境。如鐵路下穿既有車站時(shí)，對車站主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等構(gòu)成一定風(fēng)險(xiǎn)，可能因微小擾動(dòng)累積造成沉降變化，影響列車運(yùn)營安全。在地下工程施工技術(shù)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(jìn)行直觀監(jiān)測，但其空間、場地要求不適合在城區(qū)應(yīng)用。對于暗挖法施工，雙洞雙線盾構(gòu)法較常見，但受管線改移、交通管控、占地補(bǔ)償、施工擾民等因素限制，外部環(huán)境非常復(fù)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)，盾構(gòu)施工規(guī)模逐漸趨于大直徑化，如京沈高鐵望京隧道盾構(gòu)開挖直徑10.87 m、太原市東晉隧道盾構(gòu)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(gòu)法新建鐵路大直徑隧道下穿地鐵車站的風(fēng)險(xiǎn)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(gòu)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)軌距，整體道床；隧道結(jié)構(gòu)為馬蹄形斷面，寬6.5 m、高6.7 m。隧道為暗挖施工，盾構(gòu)下穿前，在10號線區(qū)間南北兩側(cè)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(jié)構(gòu)土體進(jìn)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(xiàng)目具有以下特點(diǎn)：

（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(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。地鐵車站、線路設(shè)備沉降值控制要求高。

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

2 掘進(jìn)參數(shù)控制

在施作試驗(yàn)段，主要進(jìn)行盾構(gòu)下穿前的各項(xiàng)施工內(nèi)容調(diào)整，目的是針對土層地質(zhì)的復(fù)雜性，合理調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)、同步注漿的各項(xiàng)參數(shù)，對刀盤有破損的刀具進(jìn)行更換，使盾構(gòu)機(jī)處于最有利狀態(tài)。工程試驗(yàn)段長度180 m，主要確定盾構(gòu)的泥水壓力、掘進(jìn)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(shè)定：

泥水壓力=地下水壓+土壓+預(yù)壓。

（1）地下水壓。地下水壓計(jì)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(dòng)土壓力、靜止土壓力或松弛土壓，可計(jì)算泥水壓力的上限和下限值。

主動(dòng)土壓力計(jì)算公式如下：

式中：σa為主動(dòng)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(gòu)埋深計(jì)算，取25.34；φ為土的內(nèi)摩擦角，°，取20；c為土的黏聚強(qiáng)度，kPa，取8。

靜止土壓力計(jì)算公式如下：

式中：σ0為靜止土壓力。

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

結(jié)合式（1）—式（3），若預(yù)壓取30 kN/m2，得泥水壓力為0.26～0.30 MPa。在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，以其下限值為參考；在停機(jī)時(shí)，以其上限值為參考［2］。

在試驗(yàn)段中，盾構(gòu)實(shí)際切口水壓為0.24～0.26 MPa。

2.2 掘進(jìn)速度

試驗(yàn)段施工過程中，每10 m為1區(qū)間，共劃分4個(gè)段落，通過不同的刀盤轉(zhuǎn)速及掘進(jìn)速度，計(jì)算出合理數(shù)值，確保盾構(gòu)正常掘進(jìn)。

2.3 同步注漿量

施工前應(yīng)審核施工報(bào)送的注漿漿液配比。試驗(yàn)段施工過程中根據(jù)審核通過的漿液配比進(jìn)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(jì)算得出，不再贅述；二次注漿則結(jié)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(yàn)段調(diào)整，盾構(gòu)最終確定掘進(jìn)參數(shù)（見表1）。

表1 盾構(gòu)實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)

3 近距離穿越車站控制

目前，雖然盾構(gòu)機(jī)操作已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但風(fēng)險(xiǎn)管控的重點(diǎn)是提前做出預(yù)判，借助試驗(yàn)段證實(shí)改進(jìn)，避免盲目跟隨機(jī)械［4］。由于盾構(gòu)下穿地鐵時(shí)，無法提前從內(nèi)部對車站、區(qū)間進(jìn)行加固注漿，且工程地點(diǎn)位于市中心區(qū)域，交通線路、建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法從地面進(jìn)行防護(hù)，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(jié)構(gòu)間土體加固，提高注漿范圍控制的精確度。同時(shí)，針對地層的特殊性，采用不同漿液配比，達(dá)到注漿加固效果，其重點(diǎn)控制項(xiàng)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?，F(xiàn)場應(yīng)有準(zhǔn)確的計(jì)量工具，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)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(jié)合層，施工中在粉質(zhì)黏土層采用0.8∶1.0超細(xì)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(jié)構(gòu)與新建盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置上下共6排注漿孔進(jìn)行注漿加固；注漿孔編號，間隔進(jìn)行，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前3 d完成注漿。

在盾構(gòu)下穿地鐵車站過程中，利用第2排注漿管，實(shí)施保壓循環(huán)袖閥管注漿，補(bǔ)償盾構(gòu)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(shí)施跟蹤注漿，補(bǔ)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(gòu)機(jī)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(yīng)與保壓循環(huán)注漿同步實(shí)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(yù)警時(shí)，及時(shí)責(zé)令現(xiàn)場停止注漿；并通知業(yè)主及設(shè)計(jì)單位，重新研究注漿參數(shù)。

（3）注漿量控制。注漿量計(jì)算公式如下：

式中：Q為注漿量，m3；R為擴(kuò)散半徑，m，該項(xiàng)目取0.8；H為注漿段長度，m，該項(xiàng)目取26；n為地層空隙率，該項(xiàng)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(jì)算，加固1 m3土體所需注漿設(shè)計(jì)用量為0.55 m3。注漿過程中應(yīng)嚴(yán)格督促施工單位做好現(xiàn)場注漿記錄，按設(shè)計(jì)原則進(jìn)行注漿量控制［7］。漏漿較嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整注漿孔順序。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定10 min，且進(jìn)漿速度為開始速度的1/4，或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)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(dá)到，可多次注漿［8］。

注漿結(jié)束后，第2排及倒數(shù)第2排注漿管暫留，做下穿時(shí)保壓、跟蹤注漿使用，其他鉆孔用M10水泥砂漿進(jìn)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(shí)。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

新建隧道下穿地鐵10號線客運(yùn)量大、運(yùn)行間隔短，地鐵運(yùn)營部門對既有設(shè)備的沉降控制值為2 mm。為實(shí)現(xiàn)沉降控制目標(biāo)值，施工中對既有車站、地鐵隧道結(jié)構(gòu)及軌道采用了自動(dòng)化監(jiān)測，一般情況下，1次/2 h；在注漿加固及下穿施工關(guān)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(shè)計(jì)、第三方監(jiān)測、業(yè)主等各方之間建立數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享機(jī)制。監(jiān)測數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)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(jià)值的參考依據(jù)，而不能只看當(dāng)日監(jiān)測結(jié)果［9］。軌道監(jiān)測點(diǎn)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(shí)，應(yīng)主動(dòng)采取措施，加大日監(jiān)測頻率，關(guān)注此段軌道及既有結(jié)構(gòu)的變化［10］。

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

4 結(jié)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(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、垂直距離小、地層情況復(fù)雜。從項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)管理的角度，分析其存在的風(fēng)險(xiǎn)，并針對各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)源采取了技術(shù)控制措施。在施工前，對技術(shù)措施的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行提前預(yù)判和合理設(shè)定；在施工過程中，通過現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)置的可行性。實(shí)踐結(jié)果表明，施工過程安全、順利，并且隧道周邊地層結(jié)構(gòu)等變化一直處于合理范圍，達(dá)到了預(yù)期效果。