地铁盾构穿越既有铁路营业线的加固和监测方法

骆培明

(杭州地方铁路开发有限公司, 浙江杭州 310007)

在地铁盾构穿越既有铁路施工前,对既有铁路路基进行注浆加固是常见的地基处理方法。但是,在注浆加固和地铁盾构穿越既有铁路施工时,必须及时掌握并严格控制既有铁路的隆起、沉降和水平移位等变形情况。本文以杭州地铁1号线穿越艮山门站铁路加固工程为例,介绍注浆加固方案和施工注意事项,并采用实时监测的方法指导施工,保证铁路运营安全。

1 注浆加固

1.1 工程概况

杭州地铁1号线艮山门站—闸弄口站线路呈东西走向,区间盾构在里程约K18+171～K18+634处穿越铁路艮山门辅助编组站,穿越长度为463 m左右,穿越股道包括艮山门正线(1～4股道)、动车组检修库(5～12股道)、到达场(13～18股道)及货场(20～21股道)。地铁穿越处铁路正线里程为沪昆线K196+925,铁路与地铁隧道中心线的交角分别为52°～72°不等；覆土厚度为11～15 m不等,穿越土层为淤泥质粉质黏土。现列车运行速度为客车200 km/h,货车120 km/h,每天运行80对,远期规划为客车250 km/h；1、4道线路外侧有电化杆，各线路之间路基埋设有铁路的通讯、信号、电力电缆等管线。

本区段内地铁盾构隧道管片外径6.2 m,内径5.5 m,盾构机外径6.39 m,两隧道水平中心间距为11.5 m。

1.2 注浆加固方案

根据地质钻探资料,在盾构穿越范围内为淤泥质粉质黏土，具有高压缩性、低强度、弱透水性、高灵敏度等特点,易产生流变和触变现象,工程性质很差。在这种地质条件和列车振动荷载作用下进行盾构掘进施工,处理不好很易造成地层大的下沉甚至塌陷。必须进行加固,才能保证盾构掘进的安全和控制地表的沉降。

根据各种地基加固方法的优缺点和工程实际情况,本工程采用注浆加固方式。地基加固采取分块加固方案,即分为主加固区、旋喷桩加固区、次加固区。铁路两侧采用二重管高压旋喷桩加固,桩径为1.5 m,搭接20 cm；旋喷桩之间为主加固区,采用劈裂注浆加固,注浆加固后的静力触探指标Ps≥1.0 MPa；正线西面旋喷桩外侧5.2 m、东面旋喷桩外侧3.2 m为次加固区,采用压密注浆加固,注浆加固后的静力触探指标Ps≥0.8 MPa。加固区自地面至④2层顶面至⑥1层底部(如图1、图2所示)。

图1 注浆加固区域平面(单位：cm)

图2 注浆加固区域截面(单位：cm)

1.3 注浆加固施工注意事项

施工前应对施工范围内的地下管线和电缆设备做一次详细的调查,明确各类管线的位置,同时与各相关设备管理部门签订安全协议,加强设备和管线的监管。施工前制定切实可行的应急预案,预备充足的抢险材料,确保施工期间的线路安全畅通。做好施工组织,优化施工方案,力求尽可能减少路基面沉降和隆起,降低对线路运营行车的影响。旋喷桩施工期间,防护人员加强监护瞭望,防止施工机具侵入铁路限界,并随时检查线路状况,出现异常时立即采取相应应急措施。施工区段必须对列车进行限速,客车限速90 km/h,货车限速50 km/h,减小行车对土质的扰动,同时也确保行车安全。施工人员尽量避免上道作业,确有需要需上道时,应指派专门线路防护人员,确保施工期间的人员安全。

注浆施工时遵循浆液先稀后稠、压力先小后大的原则,并随时监测地表和线路的变形情况,必须将变形控制在允许范围内,每次注浆隆起量不得超过2 mm,要特别加强对铁路线路轨面几何尺寸监测工作,当观测数据超限时,立即停止施工,并进行线路养护作业,确保行车安全。

2 监测方案

2.1 监测目的

根据上海地铁下穿铁路研究结论以及施工经验,针对两种工况进行严格监控测量,其一为注浆加固阶段,其二为盾构下穿推进阶段。两阶段的施工必然会引起铁路基床的变形,从而影响轨道的平顺性,对铁路的运营安全直接造成影响。施工过程对附近建筑物、构筑物,铁路两侧电力、通信等管线也会带来一定影响。该处的管线在具体施工过程中比其他工况下的施工更需要严格控制其变形,否则管线毁坏的后果不仅仅是管线本身毁坏,其间接影响铁路的运营甚至不得不停运后果更加严重。

为避免以上严重后果的发生,必须加强施工过程中的监控测量,把施工引起的一系列动态变化信息及时反馈到施工单位,使之能够在现场及时调整施工参数,改进施工方法,以避免危及铁路行车运营安全的事故发生。

2.2 普通部位的沉降和水平位移监测

(1)沉降监测

根据现场条件,沉降监测点按等级依次布置基准点、工作基点、沉降监测点。监测点与基准点形成闭合或附合水准路线,取两次测定值的平均值作为初始高程值。日常观测水准线路符合于工作基点或基准点,观测时各项限差宜严格控制。监测仪器采用：电子水准仪。

(2)水平位移监测

采用小角度观测法,如图3所示,基点1、基点2稳定性检测合格后,用电子全站仪依次测量各点与基准线的小角度及距离,计算各点与基准线的偏差,偏差的变化量即为垂直线路方向的位移量。

图3 水平位移测点布置方法与测量原理示意

2.3 重点部位沉降观测

在该工程重点部位(正线股道)采用电水平尺法进行沉降观测。

(1)监测系统的组成

沉降自动监测系统由设在道床上的电水平尺和随电水平尺就近安装的CR10数据自动采集器,以及设在附近的主控计算机组成(如图4所示)。

图4 CR10系统构造原理

(2)电子水平尺性能与特点

电子水平尺安装时紧贴被测对象(道床),不影响行车；又可以自动读数,因此特别适合在行车时封闭路段中进行连续的沉降监测。

高分辨率：电水平尺能检测到微小至1″的倾角变化,相当于一根1 m梁两端发生0.005 mm的高差(位移)变化。

可靠的测量数据：当电水平尺的长度确定后,其倾角的变化量就可简单且精确的换算成梁端的(10-2) mm级位移量,而与结构物本身的刚度无关。将多个电水平尺首尾相连,则能计算出绝对位移并推断出沉降断面。

安装简单：电水平尺因其外形设计简单,使得它在很多地方都可以进行安装使用。尺的长度可根据结构物不同而改变。

简单且牢固：电水平尺内部的电解质倾角传感器无活动部件,其绝缘的外壳能保证热量分布均匀,以避免温度升高和辐射热量产生的影响。

遥控测读：一般情况下,电水平尺可连接到数据采集器上测读,能持续监测沉降变化；若检测到过大的沉降量则会发出报警信号(如图5所示)。

图5 电水平尺外形及构造

(3)数据自动采集

将“尺链”上各个电解质倾斜传感器输出的信号均接到一台CR10型数据自动采集器上,并可通过电缆直接从采集器输送到一台计算机中,用监测软件完成数据的传输、整理计算和实时显示监测图形,一旦采集到的数据达到或超过预先设定的“报警值”,计算机就会以色彩和音响发出报警信息。

2.4 报警指标

为了确保盾构推进的安全性,同时存在不确定性因素的影响,必须进行同步跟进实时监测。本工点为非道岔地段,监测报警值如表1所示。

表1 施工监测报警值

注：线路沉降及方向偏移报警数据根据《铁路线路维修规则》中“线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值”的规定,按“正线,时速200≥v>120,临时补修”标准编制。

线路加固期间：对于线路加固期间每次注浆后均须进行线路沉降观测,注浆隆起量按3 mm控制,超过3 mm则立即报警。

3 监测数据及分析

3.1 监测数据统计

本工程加固施工期间各项目监测数据统计成果如表2所示。

表2 最大日变化量和累计最大变化量

注：方向偏移负值为向西方向偏移,正值为向东方向偏移。

3.2 重点部位监测数据

运营正线Ⅱ、Ⅲ道通过电子水平尺观测的监测数据如图6～图9所示。

图6 杭州地铁1号线穿越艮山门站国铁加固期间线路代表点沉降时程(一)

图7 杭州地铁1号线穿越艮山门站国铁加固期间线路代表点沉降时程(二)

图8 杭州地铁1号线穿越艮山门站国铁加固期间线路代表点沉降时程(三)

图9 杭州地铁1号线穿越艮山门站国铁加固期间线路代表点沉降时程(四)

3.3 监测数据分析

本次铁路加固工程(包括高压旋喷桩和注浆施工)对股道及周边环境造成了一定影响。但是采用实时监控、即时提供的监测数据,施工单位及时地调整控制施工进程和施工参数,影响的区域和程度都能得到有效的控制,在列车减速慢行的情况下,没有对铁路的运营安全造成影响。

4 结束语

注浆加固后,大大提高了路基土体的承载力,满足了地铁盾构穿越的要求,在注浆加固施工过程中虽对加固区域铁路路基和周边环境造成了一定影响,但没有影响到列车的正常运行。通过对铁路路基、轨面和周围建筑物的实施监测,监测数据为施工提供了有效的服务和指导作用,保证了铁路营业线的安全。

[1] 铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，1998

[2] 邱卫宁，等.测量数据处理理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2008