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复杂条件下盾构穿越既有铁路线隆沉控制

发表时间：2021/4/13 来源：《基层建设》2020年第32期作者：胡雄

[导读] 摘要：随着城市轨道交通的进一步规划和发展，新建的地铁线路必然会与既有铁路线路交叉和重叠，因此在施工过程中有必要使用盾构机完成盾构段对既有铁路线路的穿越。

        中铁隧道股份有限公司浙江杭州 310000
        摘要：随着城市轨道交通的进一步规划和发展，新建的地铁线路必然会与既有铁路线路交叉和重叠，因此在施工过程中有必要使用盾构机完成盾构段对既有铁路线路的穿越。由于铁路运行的特殊性和安全要求，对地面的沉浮变化非常敏感，因此在盾构穿越施工中有必要严格控制施工方法和施工参数。
        关键词：复杂条件下；盾构穿越；既有铁路；线隆沉控制
        引言
        某城市地铁建设过程中，为了保证铁路运行安全，过程中需严格控制保证地面隆沉。
        1施工难点
        工程盾构穿越既有铁路线路，施工条件复杂，标准严格，施工难度大。具体分析如下:
        1.1铁路情况复杂。在京沪普速中，现有的铁路线位于火车站的出入口区域。线路多，车流量大，有 4 副道岔，在施工过程中需要连续穿越。铁路基础复杂，部分为无筋碎石基础，部分为混凝土板基础。
        1.2盾构线路特殊。在盾构掘进的横断面，该线处于小半径R=300m的转弯位置，坡度为28‰的上坡位置，盾构机姿态控制难度较大，对周围土体的扰动较一般情况增大。另外，盾构机受转弯影响，设备可能会出现故障。横断面地层处于变化段，由单一地层向多层变化。由于两层物性差异较大，需要实时调整施工参数。
        1.3隆沉变化控制标准严苛。根据相关规范及铁路单位要求，京沪普铁单次测量沉降速率预警值为2mm，累计变化预警值为10mm；沪宁城际高铁单次测量沉降预警值为1mm，累计变化预警值为2mm。
        2隆沉变化控制
        在盾构施工中，地面隆沉变化主要来自盾构施工对土体的扰动，而造成土体扰动的因素很多，不同因素的影响程度也不尽相同，为了控制地面隆沉变化，就要分析造成土体扰动的不同因素的影响机理和程度，制定合适的施工方法和施工参数。
        2.1造成土体扰动的因素
        2.1.1刀盘切削土体
        刀盘切削土体时，对土体主要有刀盘剪切挤压、土仓压力传递等作用，主要体现在盾构机前方，因而当地表监测显示刀盘前方出现变化时，可以认为是刀盘造成的。刀盘剪切和挤压土体的造成的扰动与刀盘转速和推进速度有关，当转速与推进速度相匹配或者略高当前推进速度所需的切削速度时，刀盘的切削挤压所带来的土体扰动都很小，可以忽略此时对土体带来不利影响。土仓压力主要受螺旋机出土速度和推进速度之间的匹配程度以及添加剂（气、水、泡沫剂和膨润土等）的影响，设定土仓压力时，既不能因太小而导致前方土体失稳滑移坍塌，又不能因太高而导致土体受挤压向四周隆起。
        2.1.2同步注浆
        同步浆液主要用于填充刀盘开挖形成的空间与管片之间的空隙，按照理论计算量乘以合适的充填系数进行设定。当注浆量过大时，浆液挤压周边土体会造成地面隆起，反之则会造成地面沉降。由于浆液作用于盾尾，因此当监测数据显示盾尾出现变化时，可以认为是同步注浆造成的。
        2.1.3盾体挤压土体
        盾构机在转弯或上下坡时，由于盾构姿态的不断变化，盾构本体会在土体中发生侧向位移或滚动，对土体产生挤压作用。因此，当监测显示盾构体上方发生变化时，盾构体是由土体挤压引起的。
        2.1.4管片挤压土体
        当盾构机向前推进时，推力来自于管片所提供的反作用力，管片在受力后会发生位移，对土体造成挤压，特别是在转弯或变坡时。除了管片受盾构机推力造成位移，自身上浮时也对上方土体有挤压作用，因而当监测数据显示后部成型隧道上方变化时，可以认为是管片挤压土体造成的。

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        2.2施工方法的制定
        盾构施工参数设定时，虽然部分参数可以通过计算得出，但无法保证能够完全适合当前工况，故应选取合适位置进行试推进，通过试推进检验预先设定的参数，提前进行调整以得出最合适的一套参数。在选取试推进位置时，应考虑土层、埋深、线路情况等，力求与穿越铁路段相类似，这样才能更好地发挥预测作用。
        在工程施工时，选取此区间前半部某一段作为试推进段，此段与实际穿越段相比：（1）土层分布相似，部分开挖断面为全段面1黏土，部分为1黏土和2砂质粉土地层；（2）埋深类似，实际穿越段埋深12.9～16.4m，试验段埋深12～14m；（3）线路情况部分类似，实际穿越段为右转弯和上坡，试验段为左转弯和下坡。平面线形同为转弯，可以较好地反映转弯段掘进情况，纵坡条件不同，不具有明显参考意义。通过试推进段施工，得到一套施工参数：土仓压力0.20～0.21MPa，推进速度20～30mm/mim，推力10000～11500kN，刀盘转速1.1r/min，刀盘扭矩2300～2600kN•m，出土量37.5～40m3，同步注浆量3.3～3.7m3。
        2.3施工参数设定及调整
        在刀盘距离京沪普速铁路20环时，考虑到试推进段与当前段埋深不同，土压继续按照当前保持，其他参数按照试推进段所取得的参数进行掘进，同时关注监测数据，实时调整，在此选取其中一次调整过程进行阐述：
        2.3.1当掘进至472环时，盾构机位于沪宁城际高铁下方，地面监测数据显示3股道出现隆起，单次变化量已接近预警值，有继续增加的趋势。
        2.3.2对当前施工参数收集：推力为11000～13000kN、掘进速度为20～30mm/min、土压为2.1～0.23MPa、注浆量为4.0～4.2m3、注浆压力为0.3～0.32MPa。
        2.3.3研判当前监测数据，发现出现隆起的监测点多数位于盾尾，初步推测同步注浆量过多。另有少部分监测点位于刀盘附近，由于当前处于上坡阶段，因此埋深不断减小，推测土压设定值偏高。
        2.3.4根据初步推测，土压减小至0.20～0.21MPa，同步注浆量调整为3.6～3.8m3，其他暂不调整。
        2.3.5以此参数推进1d后，发现隆起的监测点增多，一部分仍为之前的监测点，隆起速率有所降低，另一部分为新出现的，距离盾尾较近。据此分析，在盾构刚进入高铁时，仅有盾构前方向上的分力间接作用于混凝土板，随着盾尾进入高铁下方，盾构机后方管片径向应力逐渐产生，在两个应力作用下，原有混凝土板结构受力平衡被打破，后方监测点变化速率加大，采取措施后，逐渐降低，趋于平稳，随着脱离筏板下方，作用在筏板上的垂直分力和后方管片径向应力逐渐消失，最终平衡后稳定。
        2.3.6根据以上分析，需要减小盾构机对后方管片的作用力，降低推进速度，从而减小推力，同时将推进过程分为3次完成，每推进0.4m后停机10min，推进完成后交替收回推进油缸，借此释放推进油缸与管片之间、后部相邻管片之间应力，减小盾体和后方隧道对土体的挤压。
        2.3.7采取上述措施后，监测数据恢复正常，后监测点变化率明显下降，说明原因分析正确，调整措施得当。
        结束语
        在施工过程中，单次和累计隆沉变化值未达到预警值，铁路运行正常，盾构隧道施工质量和进度符合要求，整体施工成功，总结如下：（1）在穿越既有铁路线路施工前，通过选择工况相似的断面进行超前试验，获得一套成熟的施工参数，可用于指导后续施工。（2）密切关注监测数据，发现异常及时组织分析，根据分析结果进行第一次参数调整，然后使用监测数据进行验证，根据情况重新调整，直至数据恢复正常；（3）注意影响地基变化的关键施工参数，如土压力、同步注浆量等。这两个参数对土体有直接影响，对地面的隆沉变化有很大影响；（4）结合具体工况，考虑盾构体和管片对土体的受力，调整推进和装配方式，以适应当前施工条件。
        参考文献
        [1]伍鹏李,王春凯,齐明山.非均质岩层引起的偏压对盾构隧道受力影响分析[J].现代城市轨道交通,2020(9):51-56.
        [2]吴道沅.复杂地质条件下地铁盾构施工关键技术[J].工程技术研究,2020,5(14):99-100.