张 宁 任建喜

(1.西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安; 2.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者，工程师)

黄土地区盾构下穿陇海铁路及金花隧道的施工安全控制技术

张 宁1任建喜2

(1.西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安; 2.西安科技大学建筑与土木工程学院,710054,西安∥第一作者，工程师)

以西安地铁3号线胡家站—石家街站区间盾构下穿陇海铁路及金花隧道工程为例，研究相关的盾构施工安全措施。陇海铁路路基采用注浆加固，线路钢轨采用扣轨加固，盾构下穿陇海铁路施工时密切监测沉降数量。工程施工实测结果表明,由于采取了合理的掘进参数及地表加固措施,盾构安全下穿了陇海铁路及金花隧道。

地铁; 黄土盾构; 盾构下穿铁路; 安全控制技术

有关黄土盾构下穿既有建(构)筑物变形规律的研究一直是地铁盾构隧道施工安全技术问题之一。而如何降低黄土地区盾构下穿既有建(构)筑物施工带来的地表沉降及地层位移是保证盾构施工安全的关键技术问题。本文以西安地铁3号线胡家庙—石家街区间盾构下穿陇海线及金花隧道为工程背景,采用风险辨识及地面沉降分析等方法研究黄土地质条件下盾构施工安全控制技术,目的是为盾构隧道安全通过陇海线及金花隧道提供必要的技术支撑。

1 工程概况

西安地铁3号线胡家庙站—石家街站区间(以下简为“胡石区间”)隧道盾构自胡家庙站沿金花北路向北掘进。胡石区间隧道在里程K32+600—K32+878.368处,其左右线分别以700 m和500 m为半径的曲线下穿陇海铁路及东二环金花隧道(如图1示)。左右线盾构隧道距二环金花隧道的最近距离分别为12.4 m和18.5 m。

图1 盾构与陇海铁路线及金花隧道关系图

胡石区间隧道下穿陇海铁路处地层组成自上而下依次为:人工填土、新黄土(水上)、饱和软黄土、古土壤、老黄土(水下)及粉质黏土,局部可能存在砂层夹层。隧道穿越的地层主要为老黄土(水下)及古土壤地层,拱顶覆土厚约12.1～14.5 m。 下穿区域地下水类型主要为潜水,且主要赋存于中、上更新统黄土、古土壤、粉质黏土层及砂土夹层中。场地内地下潜水稳定水位埋深为5.20～14.00 m(部分地段高差变化大)。含水层的厚度大于50 m,砂土夹层透水性良好。平水位期地下潜水稳定水位埋深为10.9～12.00 m,年变幅2 m左右。地下水主要接受大气降水、侧向地下水径流补给。

盾构隧道下穿既有铁路线路过程中不可避免会造成开挖面周围土体的扰动,进而引起地表变形,使既有铁路线路发生隆沉变形。确保铁路及金花隧道运行正常的同时使隧道顺利穿越是本工程施工难点。由于过大的变形会影响铁路的运营安全,因此,在盾构隧道下穿施工前应对下穿陇海铁路工程进行施工安全风险评估。

胡石区间隧道盾构下穿既有铁路工程的主要施工风险控制点为:铁路正线、辅线(取送线及临修线、整备线)、金花隧道及管线。

2 盾构施工安全措施

2.1 陇海铁路路基采取注浆加固

应沿陇海线两侧对地层注浆加固，同时还应控制盾构掘进速度与注浆压力,以减小施工对铁路的影响。注浆期间须对陇海铁路进行监测,并根据监测结果适时调整施工参数,同时让铁路产权单位对既有线路及时养护。陇海铁路路基下部注浆加固的工序为:

(1) 分层注浆加固的第一层采取斜孔注浆。地面与注浆孔的夹角控制在25°～30°。注浆采用水泥水玻璃的复合浆液,可缩短胶凝时间,控制扩散范围和注浆压力,以降低注浆对路基基床的影响程度。

(2) 待第一层斜孔注浆施工完毕后,实施深层注浆加固。深层注浆的注浆压力和注浆速度可根据铁路变形的监测数据及时调整,其隆起量应控制在2 mm以内。应根据地表建筑物情况，在铁路外侧的过渡区范围内进行适当二次的注浆加固。

(3) 沿铁路路基两侧15 m范围内的加固区域分为主、次加固区。主加固区为沿铁路路基两侧10 m范围内;次加固区为主加固区两侧5 m范围内。主、次加固区的加固深度均为饱和软黄土层底至隧道底部以下1.5 m范围。加固注浆范围如图2所示。

图2 加固注浆的范围示意图

2.2 陇海铁路的扣轨加固

当盾构下穿陇海铁路时,如轨面下沉量超出预警值,则应对陇海铁路的钢轨进行加固处理。在地铁隧道与陇海铁路交叉区域右线右侧30 m及左线左侧30 m范围内采取扣轨的方法对钢轨进行加固。加固的单线线路总长为750 m。加固具体方案如下:

(1) 采用3-7-3的方式扣轨,在掘进施工前对线路进行加固。3-7-3扣轨采用12.5 m标准轨。其中，正线采用P50轨，站线及牵出线采用P43轨。

(2) 在线路加固施工前,需先与铁路产权部门签订施工安全协议。在正式施工前应提前“请点”,并要求在施工期间上下行列车限速均控制在40 km/h以内。

(3) 线路的加固、抽换枕木及倒料应在列车间隙期间进行,扣轨可在“天窗”期间进行。线路铁轨加固使用的3-7-3扣轨方式,选用∠63×63×6的角钢与φ22 U型螺栓以50 cm的间距将轨束夹紧，并使用U形螺栓和扁铁制成的扣板,将枕木和轨束连接起来。加固方案如图3所示。

图3 线路扣轨加固示意图

2.3 盾构隧道下穿陇海线过程监测

在盾构穿越陇海线前,需对地基和线路进行预先的加固,并加强施工过程中的监控量测。将既有铁路线在施工期间发生的变形情况第一时间反馈给施工单位,以及时调整盾构施工参数,从而确保盾构机穿越陇海铁路施工及铁路运营的安全。

为保证，盾构隧道施工质量、减少对环境的影响,地表沉降监测应点根据影响因素和变形特点来合理设置。故不仅要沿盾构轴线方向布置沉降监测点,而且还要在隧道中心轴线两侧的沉降槽范围内布设横向监测点。监测点设置，见图4。

陇海线正线采用了根D型钢梁加固,包括1根长24 m的主梁和2根长16 m的次梁。主梁横跨隧道中心轴线,其梁体的最大变形也发生在主梁中部。本文选取左线隧道上方梁中部3个监测点1-1、1-2、1-3进行沉降分析。监测点沉降量统计如图5所示。

图4 地面监测点布置图

图5 胡石区间左线隧道监测点沉降量统计

3 施工效果

在整个盾构穿越过程中,陇海铁路路基采取的注浆加固及铁路轨道的加固等一系列有效措施取得了较好的效果。从图5可以看出,各监测点的沉降量均在警戒值以下, 最大沉降量为7.47 m,最小沉降量为1.94 m。沉降量在监测期间较为稳定,且各监测点沉降变化基本一致。在采取较为有效的安全保障措施后,地表沉降量及周边建(构)筑物沉降均在设计要求控制范围内。

4 结语

黄土地区盾构隧道穿越既有铁路及隧道的施工安全与其工程地质情况及施工风险密切相关。这主要包括了土体的物理力学性质、隧道埋深、地下水,以及盾构机选型、施工参数等因素。本文以西安地铁3号线胡石区间盾构下穿陇海铁路及金花隧道为工程背景,阐述了黄土地区盾构下穿陇海铁路及金花隧道时的施工安全控制技术。目前,该盾构已成功下穿陇海铁路及金花隧道。这表明盾构施工采取的一系列措施安全有效。

[1] 任建喜,李龙,郑赞赞,等.黄土地区地铁盾构下穿铁路变形控制技术[J].铁道工程学报,2013(5),57-62 .

[2] 曹振.西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术[D].西安:西安科技大学,2013.

[3] 曹振,雷斌,张丰功.黄土地区地铁下穿既有铁路的施工风险及其控制措施[J].城市轨道交通研究,2013(4):49-53.

[4] 石舒.盾构隧道下穿铁路工程风险及对策[J].现代隧道技术,2012(49):1

Deformation Control Technology for Metro Construction Crossing under Longhai Railway and Jinhua Tunnel in Loess Area

ZHANG Ning, REN Jianxi

Based on of Jinhua tunnel construction Xi 'an metro Line 3 that Crosses under Longhai Railway, the related shield security control technology are discussed from aspects of railway bed grouting reinforcement, rail fasterning technology and settlement mmonitoring during shield tunneling. Engineering practice shows that,by adopting reasonable tunneling parameters and surface reinforcement measures, the security control during shield costruction under Longhai Railway and Jinhua Tunnel proves very effective.

metro; loess shield; tunnel crossing under railway; security control technology

Xi′an University of Science and Technology,710054,Xi′an,China

U 458.1

10.16037/j.1007-869x.2017.03.027

2016-03-28)