软土地区可拆解盾构侧穿铁道施工影响研究

时间：2024-12-27

李广伦，黄伟，廖韶军，丁智，董毓庆

（1.杭州天恒投资建设管理有限公司，杭州 310000；2.杭州市城市基础设施建设管理中心，杭州 310000；3.中铁隧道股份有限公司，郑州 450000；4.浙大城市学院，杭州 310015；5.杭州岩通科技有限责任公司，杭州 310000）

0 引言

盾构法施工作为城市地铁隧道的主流施工方法已在我国城市轨道交通领域广泛应用［1］。盾构法相较于传统开挖方式而言，具有施工进度快，自动化程度高，受天气影响小等优点。但是随着地下空间的高度开发和盾构尺寸越来越大，传统盾构机在过站过程中会面临部分车站会因先期施工预留条件不够，导致盾构机接收、转场时面临吊装孔预留空间不足而无法顺利吊出等问题，因此可拆解盾构设备和施工方法应运而生。

目前，传统的盾构拆解方法-刀盘拆除法是破坏性拆除，刀盘被拆卸后无法再次利用，造成设备损坏和设备资产的损失［2］。姚燕明等［3］对狭窄空间内可拆解式盾构过站施工技术及应用进行了分析与研究。李发勇［4］对可拆解盾构下穿既有桥桩磨桩施工影响进行研究。徐震［5］针对盾构刀盘的可拆解形式进行研究，得出了刀盘的拆解形式，解决了盾构刀盘在隧道内拆解受空间狭小、自身重量重和破坏性拆除难以再利用等问题。汤浩翔［6］利用有限元数值模拟结合现场监测数据，对盾构拆解扩大硐室加固技术及管片卸荷后的受力特性进行了分析与研究。

通过对已有的文献的总结，发现国内对可拆解盾构的研究相对较匮乏，地下环境复杂多变，目前已公开发表的文献中，还未见有针对软土地区可拆解盾构侧穿铁道对周围环境产生的影响的研究，因此文中以宁波地铁4 号线-柳西站-宁波火车站的施工进行研究，实测分析可拆解盾构侧穿铁道对地面沉降和路基沉降的影响。

1 工程概况

1.1 工程简介

宁波火车站为地铁2 号线与4 号线的换乘中心，在修建2 号线时已全部完工，仅预留给4 号线端头盾构接收的空间，使得盾构设备不能按照原设计进行调头施工。在此背景下，宁波轨道交通提出采用可拆解盾构过站方式解决空间有限的问题。

1.2 穿越杭深线的概况

宁波地铁4 号线柳西站-宁波火车站盾构区间要穿越杭深线铁路。沿苍松路走行时，上、下行线分别以R=350、R=360m 曲线避开柳汀街立交桥桩基、并行铁路祖关山立交桥后进入铁路宁波站。盾构区间在宁波站西端北侧祖关山立交桥附近并行穿越杭深线铁路，长度约144.5m。并行段铁路中盾构隧道边线与最外侧铁路隧道中心最小水平距离约22.3m，与祖关山铁路立交桥结构边线最小水平距离约8.3m。

盾构隧道与杭深线铁路剖面位置关系如图1 所示。并行段杭深线范围内路基采用旋喷桩加固，桩径0.5m，桩长20m，桩间距2m，正方形布置，桩插入硬塑黏土层不小于1m，其中原既有线部分采用花管注浆加固。并行段祖关山铁路立交桥范围内从市政框架桥梁下穿越，与祖关山铁路立交桥呈并行关系，铁路框架桥基础采用60cm高压旋喷桩加固，桩长16m。

图1 盾构隧道与杭深线铁路剖面位置关系图（单位：m）

1.3 工程地质及水文地质情况

隧道与杭深线并行段地质情况如图1 所示，基本位于⑤1b 粉质黏土中。工程不良地质作用主要为填土层厚、区域地面沉降以及软土地基强度低、稳定性差，导致土体易产生不均匀沉降，变形大等不良工况。盾构穿越厚层软土易出现不均匀沉降、管片上浮、变形大等问题。

施工区域为软土地区，地表水网密布，有潜水及承压水之分。孔隙潜水一般赋存于黏土上层及淤泥质黏土层中，富水性及透水性均较差，潜水水位变化受气候环境和地表径流影响显著，其排泄方式主要为蒸发。地下水位埋深在1.40～1.70m 左右。隧道穿越段主要为深部孔隙承压水，含水层厚0.6～3.9m，属涌水量少的微透水层的咸水，渗透系数约1.5～1.58×10-4cm/s，但隧道掘进过程中不受承压水影响。

2 施工技术措施

在距离铁道前120m作为可拆解盾构穿越铁道的施工试验区，通过地质条件及周围环境确定施工参数。隧道开挖后，对地表沉降进行实时监测，根据监测数据，优化盾构掘进参数，保证铁道正常使用。区间侧穿杭深线要通过盾构穿越前、盾构穿越中及盾构穿越后3 个阶段的施工管控，来确保盾构侧穿杭深铁路的安全。

2.1 试掘进技术参数

盾构施工试验区段依据地层参数确定盾构掘进参数的大小，以通过铁路之前的100环120m区段作为盾构施工试验段，根据数据分析监测地表变形的情况，及时对掘进参数进行一定的调整，根据经验参数把地表变形量变化范围控制在最小值内。合理制定盾构的各项掘进参数，保证开挖面的稳定与安全，为盾构侧穿铁路时盾构参数选择提供参考。在试验段施工过程中主要控制的施工参数如表1所示。

表1 主要施工参数

2.2 穿越阶段控制措施

通过之前盾构试验段的施工，优化盾构推进参数减少地表变形，避免沉降对铁路正常使用产生影响。根据工程具体要求，合理制定刀盘转速、土仓压力、出渣量、注浆压力等施工参数，穿越杭深线萧甬铁路过程中采取的主要技术措施如表2所示。

表2 主要施工参数

根据试验段的施工效果得出，侧穿铁路阶段的土仓压力应保持在0.28MPa左右。在正式侧穿铁路段施工时，盾构机掘进速度大小控制在20～25mm/min。每班推进进度为5环，推进过程要保持匀速、有序推进的状态；要对土压及地面沉降进行实时监测并及时分析监测数据，根据分析结果对出渣量进行相应的调整。

进行二次注浆之前，先要适当提高上部注浆压力的大小，对二次注浆的时间、浆液类型及注浆压力要严格控制，注浆一般以压力控制为主，达到设计注浆压力即结束注浆。沉降变化较大区间，为减少沉降，可适当进行三次注浆，盾构姿态变化不能过大、过频。

每隔5 环检查管片超前量，超前量要控制在设计值内，隧道轴线和盾构轴线折角变化要小于0.4%，推进方向要做到不急纠、不猛纠。盾构中司机掘进过程中，密切关注掘进姿态的变化，及时地进行纠正，不可出现大幅度纠偏。施工段距离宁波火车站400m 左右，在施工期间建议列车行驶速度降到80km/h，以此保证列车安全行驶。限速计划影响范围为施工全段，限速时间为隧道施工期间。在穿越阶段，安排人员对地面情况进行24h监测，并及时告知相关技术人员。

2.3 盾构穿越后处理措施

在盾构穿越铁路并行段完成后，持续进行铁路路基、地表等监测，是否补充浆液是根据铁路路基、地表监测成果综合分析得出。注浆位置选择在管片上部180°范围，浆液水灰比为1：1，类型为水泥净浆。工程的工后补充注浆量根据随着地面监测数据变化进行调整，确保地层产生的变形量最小，保证隧道的安全。

3 位移监测

盾构侧穿杭深线铁路，监测的主要内容为铁路保护区段的路基和祖关山立交桥及地表发生的沉降等。按国家二等水准测量规范提出的要求进行沉降的监测，高程起算点为在施工影响区域以外100m 左右处（设置2～3个水准基点）。每个监测点与基准点形成闭合或附合水准路线，为了减少误差，取两次测定值的平均值为初始高程值。使用的测量仪器为S1 型精密水准测量仪。

3.1 测点布设

地表沉降：测点范围为盾构施工影响区至铁路围挡间，用冲击钻进行钻孔，钢筋埋入长度为400～500mm，直径为20～30mm，四周用水泥砂浆进行填充，测线布点如图2所示。

图2 侧穿区域监测点布置图

3.2 监测项目控制值

表3 各个监测项目控制值 mm

4 监测数据分析

把可拆解盾构侧穿萧甬铁路作为研究对象，随机选取三条地面沉降测线及路基沉降征进行相关分析，以此为例研究盾构机在该工况条件下对环境产生的影响。监测数据变化如图3～图5所示。

测线1的监测点为：SD385-1～SD385-3；测线2的监测点包括：SD140-1～SD410-3；测线3 的监测点包括：SD435-1～SD435-3。由图3、图4 沉降槽可知，测线1、测线2瞬时沉降的变化整体来看是较均匀的，整体呈隆起状态，在监测时间中期，SD485-1～SD485-2区段、SD410-1～SD410-2 区段出现较大的隆起，已超过预警值，如图6所示，但不是连续出现的，从监测点布置图可知，异常值出现的监测点是距离施工区域较近的点。由图5 可知，测线3 的瞬时沉降有明显的沉降特征，随着时间变化来看，前期和后期的沉降量较大，在SD435～SD435-3 出现最大沉降，从监测点布置图可知，最大沉降值出现在距离施工区域较远位置。针对沉降变化趋势而言，测线1、2排除异常值外，呈现较为稳定的状态；测线3最大累计沉降值为9mm，但仍处于可控范围内；整个监测线路整体位移随着时间变化呈现隆起-沉降的状态。

图3 测线1沉降槽随时间变化规律

图4 测线2沉降槽随时间变化规律

图5 测线3沉降槽随时间变化规律

图6 监测点累计沉降量变化

由各线路监测点的累计沉降量变化可以得出，在施工期间，沉降变化量的分布相对而言较为均匀（异常值除外），累计沉降值整体处于-10～+2mm 之间，施工实施阶段地面产生的沉降处于可控范围内；如图7所示，异常值并不是连续性出现，对整体施工和环境产生的影响相对较小。

图7 监测点沉降日变量变化

为进一步分析盾构侧穿对铁路的影响，分析路基沉降量的变化规律，如图8 所示。监测点由小到大沿着隧道掘进方向布置；由图可知由近到远来看，沉降整体分布趋势为“V”形趋势，近端表现沉降特征，而远端表现隆起特征，随着时间推移，各个监测点整体分布规律保持一致，但沉降量逐渐降低并趋于某个值，整体沉降量在-4～4mm之间，处于设计值内；且与地面沉降不同，路基在保持整体稳定性的同时并没有出现异常值，表明侧穿过程中可拆解盾构对运营铁路的影响相对较小。

图8 路基沉降随时间变化规律