地铁盾构下穿运营准高速铁路路基施工技术研究与应用

发表时间:2019/4/28   来源:《建筑学研究前沿》2018年第36期   作者:曾永双
[导读] 随着城市规模的不断扩大,城市人口的快速增长,城市交通变得越发拥挤。而城市轨道交通是一种快速、高效、节能的出行方式,受到国内外很多城市的青睐。

中交隧道工程局有限公司南京分公司  南京市  210014
        摘要:为了研究地铁盾构下穿运营准高速铁路路基施工技术,依托广州市轨道交通二十一号线棠东站~黄村站盾构区间下穿广深准高速铁路路基工程案列。提出先对既有铁路的工况、周边环境进行勘察,分析存在的风险,建立数值模型进行安全评估,控制盾构掘进地层变形影响涉及的各种参数,建立严密的监控量测系统技术,信息化管理施工,做好应急预案。成功解决了地铁盾构下穿运营准高速铁路路基施工技术。
        关键词:盾构;下穿;运营铁路路基;掘进参数;监控测量
       
       
        1 引言
        随着城市规模的不断扩大,城市人口的快速增长,城市交通变得越发拥挤。而城市轨道交通是一种快速、高效、节能的出行方式,受到国内外很多城市的青睐。目前我国很多城市都在建设或加大对城市轨道交通的投资力度,掀起了城市轨道交通建设的高潮。鉴于此,盾构隧道穿越既有铁路线的现象就会经常发生。另外,高速列车运行对铁路轨道的冲击力加强,穿越地层的地质状况较复杂,盾构施工引起的地面沉降和变形对铁路及周边建构筑物和管线将造成影响,因此,盾构穿越既有铁路路基的施工技术是有研究价值的。
        2 工程概况
        2.1 地铁区间概况
        广州市轨道交通二十一号线工程西起广州市天河区,依次经过萝岗区、增城区,止于增城区的增城广场。棠东站~黄村站区间(以下简称棠~黄区间)为本线的第三个区间,区间设计起点里程为DK3+761,设计终点里程为DK5+694.7,左线全长1884.7m,右线全长1933.9m。棠~黄区间采用盾构法施工,由2台刀盘直径Φ6280mm的海瑞克土压平衡盾构机S928(左线)、S929(右线)一先一后分别进行隧道左右线掘进施工,双线均由棠东站始发,黄村站接收。盾构隧道衬砌采用圆形预制钢筋砼管片拼装而成。管片设计采用 “3+2+1”形式,即三块标准块、两块邻接块和一块封顶块,错缝拼装,采用弯曲螺栓连接。管片外径6m(直径),壁厚0.3m,每环宽1.5m,管片背后同步注浆。
        2.2 广深铁路概况
        根据《广深线广州至新塘增建市郊客运线工程施工图》及现场调查等资料,广深铁路为准高速铁路,铁路等级为一级,正线数目为4线,路基段碎石道床,电力牵引,限制坡度8‰,目前每日开行旅客列车217对,其中广深城际高速列车96对(含备用线16对),直通车13对,长途旅客列车108对。广深间旅客运输主要由时速200公里的新型国产“和谐号”电动车组担当,在客流高峰期平均每10分钟就有1对“和谐号”高速列车开行。广深铁路设计时速为200km/h,现状棠~黄区间下穿路段运行时速约120~160km/h。广深铁路轨道道碴为一级碎石道碴,厚度50cm(30cm面碴,20cm底碴),60kg/m钢轨。

        图1  广深铁路轨道结构概况及地铁下穿段铁路现状       
        
        2.3 棠~黄区间与广深铁路的相对位置关系
        
        图2  广深铁路与地铁区间下穿段相对位置关系平面图
        棠~黄区间下穿广深铁路的位置在东环高架与广园快速路交叉口西侧位置,共4股轨道,从南向北依次为Ⅱ线、Ⅰ线、Ⅳ线、Ⅲ线,线间距分别为5.1m、7.2m、5.2m。盾构区间隧道在广深铁路下穿段左右线坡度均为25‰,左线最小转弯半径389m,右线最小转弯半径368m,左线覆土厚度在18~18.6m之间,右线覆土厚度在18.4~18.9m之间,线间距约34m,左右线分别与铁路线路夹角约为62°、64°。
        2.4 工程水文地质条件
        
        
        图3  广深铁路与地铁区间下穿段相对位置关系竖向图(地质纵断面图)
        

        场地地下水类型主要有第四系孔隙水和基岩裂隙水,主要含水层为冲洪积粉细砂层<3-1>、中粗砂层<3-2>、砾砂层<3-3>和卵石层<3-4>,地层基本分布连续,局部缺失,厚度不大,砾砂<3-3>局部分布。砂层水一般覆盖有黏性土层,地下水略具承压性,根据抽水试验成果及地区经验,砂层为中等透水,强~中风化岩为风化裂隙水,为弱~中等透水地层。
        地表水以下多有黏性土与含水层相隔,地表水与地下水水力联系不大。地表水体的补给主要靠降水和人工补给总体上,沿线地表水对该区间工程影响不大。
        区间下穿广深铁路段,洞身上方主要地层为残积土层、全、强风化粉砂岩,粘性土,层厚5~7m,透水性较差,起到了很好的隔水作用,有利于控制地面沉降。
        2.5 工程安全风险控制等级划分
        按照《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB50625-2011)、《广州市地下铁道总公司安全风险管理办法》(穗铁企【2013】157号)和广州市地下铁道总公司《关于再次明确落实地铁工程重大风险分析与评估工作要求的函》穗地铁建总办【2014】620号)的要求,盾构区间下穿广深铁路属于广州地铁总部级Ⅱ级风险。
        棠东站~黄村站区间工程重大安全风险统计表

        3 工程难点及风险分析
        地铁盾构掘进需要连续不间断的施工,广深铁路是国内最繁忙的铁路线路之一,无法停运给予足够的盾构掘进通过时间,现场条件和时间节点也不具备对既有铁路进行提前加固。棠~黄区间盾构掘进只能在广深铁路正常运营和没有提前加固的情况下施工,只能完全依靠盾构掘进施工技术管控确保工程安全。
        国内外大量盾构施工实践表明,盾构施工或多或少都会挠动地层而引起地层移动而导致不同程度的地面沉降。从现场踏勘来看,广深铁路所采用的为有碴轨道,其能够承受的沉降限值铁路部门已经有明确的规范依据,在此主要就可能引起铁路路基沉降的原因进行分析。地面沉降的基本原因是盾构掘进所引起的地层损失和隧道周围地层受到挠动或剪切破坏的再固结。地层损失引起的地面沉降,大都在施工期间呈现出来。而再固结引起的地面沉降,在砂性土中呈现较快,在粘性土中则要延续较长时间。
        3.1 地层损失
        地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差,周围土体在弥补地层损失中发生地层移动,引起地面沉降。引起地层损失主要因素为:
        (1)开挖面土体移动。当盾构掘进时,开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力,开挖土体向盾构内移动,引起地层损失而导致盾构上方地面沉降;当盾构推进时,如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力,则正面的土体向上、向前移动,引起地层损失(欠挖)而导致盾构前上方土体隆起。
        (2)土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周空隙中压浆不及时,压浆量不足,压浆压力不恰当,使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态,而向盾尾空隙中移动,引起地层损失。
        (3)改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中,实际开挖面不是圆形而是椭圆,因此引起地层损失。
        (4)盾构移动对地层的摩擦和剪切。
        (5)在土压力作用下,隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。
        3.2 受扰动土的固结
        盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后,便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区(正值或负值)。当盾构离开该处地层后,由于土体表面压力释放,隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中,孔隙水排出,引起地层移动和地面下降。此外,由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素,使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力,在盾构隧道施工后的一段时间内复原,在此过程中地层发生排水固结变形,引起地面沉降。土体受扰动后,土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形,在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。
        3.3 应对措施
        从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出,控制盾构施工参数如盾构姿态、推力、推速、正面土压、出土量、同步注浆量和压力及二次注浆等,可有效地抑制其引起的地面沉陷。
        4 建立数值模型进行下穿铁路安全影响评估
        盾构隧道以一定的斜角下穿广深铁路,形成一个盾构隧道与铁路空间交叉的复杂三维空间模型,其“空间效应”显著。对于这种盾构隧道下穿铁路的立体交叉问题,采用三维分析方法更加合理。因此,本工程的盾构隧道下穿对广深铁路结构的安全影响分析采用国际上通用的大型数值分析软件MIDAS/GTS进行。

        基于盾构隧道工程与既有铁路的空间位置关系、隧道与铁路路基的几何尺寸、场地岩土体的强度属性等条件,建立了盾构隧道开挖对铁路路基影响的数值模型,并考虑了列车动荷载,进行了隧道掘进对既有铁路路基的沉降影响分析研究,数值模拟分析结果表明:
        (1)隧道开挖引起的地表位移均为沉降,没有地面隆起现象,盾构隧道开挖引起的轨道沉降整体呈现出一个“w”的形状,两盾构隧道上方地面沉降最大,其它地方沉降相对较小。由于盾构隧道与既有铁路的相互不利影响,导致铁路路基处的沉降值明显大于其它普通地段盾构隧道开挖引起的地表沉降值。最大地表沉降为-6.3mm,轨面最大沉降为-5.6mm,大于经常保养小于临时补修的标准,需做好轨面监测,必要时进行保养。
        (2)各股轨道相邻钢轨的钢轨沉降差均小于1mm,满足经常保养标准的6mm控制值。
        (3)轨道最大水平位移值为1.2mm,各股轨道的相邻钢轨轨距差处于-0.2mm~0.2mm,满足经常保养标准的-4~+6mm控制值。
        (4)10m钢轨长度内轨面高程差最大值为2.6mm,满足经常保养标准的控制值6mm。
        (5)综上所述,盾构施工下穿广深铁路,能够满足铁路运营进程保养标准,但地铁施工必要采取一些可行的措施确保铁路部门运营的安全,降低风险。
        5 施工管控措施
        5.1 编制科学合理的监测方案并进行严密的监控量测
        在盾构下穿广深铁路前,结合地铁盾构施工和广深铁路运营技术要求,编制科学合理的监测方案并经过专家评审。严格按照监测方案的要求,对广深铁路监测点进行布设,下穿过程中严格按照监测方案进行监测,并委托铁路部门对下穿区域轨道几何尺寸进行监测。

        5.2 实行信息化施工
        盾构穿越广深铁路过程中及之后,均有效监控铁路路基沉降情况,同时以监测数据指导盾构掘进参数的设置,信息化施工。建立数据收集、信息处理、工程评价反馈机制,对监测数据及时整理分析,具备实时分析数据、综合利用数据的能力,并依据信息的使用效果提供工程评价,并及时调整盾构掘进施工参数和施工工艺。
        5.3 做好应急预案
        下穿施工前,根据实际情况与铁路部门协调做好应急预案(如列车限速、回填道砟等措施),确保铁路运营的绝对安全。在盾构下穿广深铁路前,积极与铁路部门沟通,利用铁路运营天窗时间将应急物资道碴提前放置施工现场。
         
        图9  现场应急道碴储备及转运
        5.4 盾构下穿广深铁路前建立试验段
        隧道下穿车陂路段的水文地质条件与下穿广深铁路段的类似,因此,选取下穿车陂路段作为试验段,建立地面沉降量与盾构掘进参数之间的关系,总结沉降控制措施,为过广深铁路提供可靠的技术依据,确保盾构施工安全通过。
        5.5 技术准备
        (1)根据试验段下穿车陂路的掘进经验和数据并结合最近百环盾构掘进参数,工程技术人员进行了认真的技术总结,形成包括盾构姿态控制、同步注浆管控、二次注浆控制、管片拼装控制技术等总结。
        (2)掘进前,组织盾构机操作人员、盾构掘进管理人员及施工班组召开盾构掘进安全、技术交底会议,使技术人员掌握隧道沿线的地层地质情况、铁路轨道分布情况及施工过程中应采取的技术措施和出现异常情况时的处理方法。
        (3)在过广深铁路前,对同步注浆及二次双液注浆技术措施进行必要的合理调整,制定出详细的二次注浆封环及通过后补偿注浆的可行性计划。
        5.6 设备调试及维保
        (1)水平、垂直运输设备检修与维保
        安排专人对水平运输设备、轨道、垂直运输设备进行全面检修与维保,形成包括:电瓶车日常维保记录、龙门吊日常维保记录、轨行区检查记录表,并对特殊工种进行安全、操作规程交底,定责定岗。设备及人员均满足盾构下穿广深铁路要求。
        (2)盾构机维保及开仓换刀
        盾构机下穿铁路前50m,盾构停机进行全面检查维修和保养。完成刀具检查和更换,同时检查泡沫系统、土压监测系统、刀盘结构、刀盘油脂注入等是否正常,完成掘进系统、同步注浆系统、二次注浆系统、螺旋机、管片拼装系统等设备的维保,使盾构机及后配套系统的性能和运转处于良好和受控状态,保障盾构施工连续平稳通过,防止因设备原因导致在铁路下方长时间停机开仓和设备检修。选用高标准油脂等盾构机辅材,相关易损机具零部件准备齐全。
        5.7 采用加强型管片减小盾构隧道变形
        盾构隧道管片衬砌结构的内力及变形计算采用荷载—结构模式,考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载等最不利荷载组合下的结构受力。盾构区间在下穿广深铁路段采用加强型管片,结构受力、变形均满足要求。
        5.8 施工参数统计与分析
        根据下穿车陂路施工技术总结,结合隧道下穿广深铁路地层的实际情况,左、右线均采用土压平衡掘进模式掘进,严格控制掘进参数,为保证顺利下穿广深铁路,主要包括对土压力、盾构推力、出土量、注浆量、注浆压力、盾构姿态、管片姿态的控制,总结出掘进参数如下。
        施工参数统计表

        6 结论
        棠~黄区间左、右线已经顺利下穿广深铁路,施工期间未对广深铁路正常运营造成任何影响。盾构下穿后铁路部门利用天窗时间对广深铁路进行了一次上碴整道,盾构施工造成的工后沉降已经全部消除。通过科学的理论计算、合理的施工组织,并做好与铁路部门的沟通配合工作,依靠盾构掘进技术是能够顺利下穿准高速铁路路基的。
        参考文献
        (1)《广州市轨道交通二十一号线工程A标段初步勘察阶段岩土工程勘察报告》(2012年9月)
        (2)《广州市轨道交通二十一号线工程棠东站至黄村站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告》(2013年8月)
        (3)《棠东站~黄村站区间盾构下穿广深铁路专项设计图纸》(2016年5月)
        (4)《普速铁路工务安全规则》TG/GW101-2014(适用于200km/h以下国家铁路(仅运行动车组列车的铁路除外)的工务安全管理)中国铁路总公司运输局
        (5)《接触网安全工作规程》(铁运【2007】69号)

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