西安地铁下穿陇海铁路盾构隧道施工技术

【摘要】结合西安地铁二号线一期工程安远门-北大街盾构隧道下穿陇海铁路工程，从铁路线路安全控制标准、轨道加固措施、盾构掘进参数选择及监控量测等方面介绍了西安地质条件下盾构下穿陇海铁路施工技术，并通过各项监测数据及地面沉降分析，证明该措施安全有效，能有效控制地面沉降，保证了既有铁路的正常运行，可为后续同类工程提供有益参考。

【关键词】盾构；陇海铁路；施工技术

引言

在城市地下工程施工中，受施工场地、道路交通、市政建设，既有铁路等城市环境因素的限制，传统隧道施工方法难以普遍适用，而盾构法施工因其交通影响小、地层适应性强、地表沉降易于控制、管线干扰小等优点，使其工法得到了广泛的应用。随着城市建设的发展，地铁下穿既有铁路越发普遍[1，2]，地铁施工过程中为控制铁路区段特殊沉降要求及行车安全，应采取铁路预加固措施[3]，优化盾构施工参数，保证工程施工及铁路行车安全。

1、工程概况

西安地铁二号线安远门-北大街区间左线ZDK11+319.2～+341.54、右线YDK11+322.803 ～ +345.823区段盾构隧道下穿陇海铁路轨道群，位置关系及隧道纵剖面如图1、图2所示。

隧道穿越地层主要为古土壤和老黄土，黄土湿陷等级为I级（轻微），覆土约为16.5m，地下水位为4.6～7.6m，隧道选用管片外径6m，厚度300mm，采用土压平衡盾构机施工。铁路轨道群共5股，其中2股为正线采用60kg/m钢轨，3股为配线，采用50kg/m钢轨，正线及配线均采用预应力混凝土轨枕碎石道床。

2、工程风险及铁路控制标准

尽管盾构施工对地层扰动较小，地表沉降易于控制，但盾构施工势必引起地表的移动及变形[4]，且运营铁路对沉降较为敏感，若沉降量超出铁路行业沉降控制标准，则造成铁路整体轨道或轨道沉降差异过大、轨道前后高低不平顺及损害铁路设备等，给铁路运营带来极大风险。而铁路线路的不平顺将加大轮轨间的冲击力，路基内动应力加大，增大隧道结构附加动应力，危及地铁隧道结构安全。

因此盾构施工时必须采用一定的预防加固措施，并研究合理的盾构施工技术，以减小铁路轨行区沉降量，确保铁路运营安全及隧道结构稳定。

相对地铁施工沉降控制标准+10～-30mm而言，铁路行业有更严格的沉降控制标准及线路维修规则，如表1所示。

3、施工措施

3.1铁路轨道预加固措施

根据盾构施工引起沉降槽宽（30m）以及西安地铁二号线下穿陇海铁路地段的最大线间距（90m），确定陇海铁路每股道线路防护的长度均为150m，即地铁与铁路交叉范围南侧的右线右侧30m及左线左侧30m范围以内，防护设计的单线总长为750m。具体铁路轨道加固具体措施如下。

1）盾构下穿前全面检查钢轨、扣件及道床等，使铁路轨道状态满足《铁路线路修理规则》要求，并详细记录无缝线路锁定轨温以及纵向位移情况。

2）根据《铁路线路修理规则》中相关轨温技术要求，将施工影响范围内无缝铁路更换为准轨线路。

3）列车通过时限速为45km/h，位于沉降槽中部的每股线路均设置373扣轨防护措施（如图3所示），并预埋注浆管以备沉降超限时注浆。

4）预先加固接触网线杆及地面光（线）缆、给水井及管道等。

3.2盾构施工措施

为保证盾构穿越陇海铁路时减少盾构下穿施工时地层损失及周围土体的扰动，采取如下措施：

1）制定详细的盾构及后配套设备的检修保养计划，在到达铁路群前20m处停机检修保养，确保盾构连续穿越铁路。

2）选取相近地质及工况区段实践，优化施工参数。在穿越铁路前50m范围内，选取与铁路下方相近地质及工况区段作为实践推进区。根据开挖面土压力理论[5]、工况相近段实践及沉降分析，并考虑到土仓压力的波动和衰减，初步确定盾构下穿掘进土压为0.15～0.18Mpa，停机土压在0.15Mpa以上。

3）在盾构穿越过程中对监测点连续监测并进行沉降分析，及时优化调整各项施工参数。

严格控制土仓压力和推进速度，减小盾构刀盘前方沉降；在推进过程中根据地面沉降情况，严格控制注浆施工，及时调整注浆部位、注浆量、注浆压力、浆液配合比及凝固时间，并在距盾尾4.5米处对管片进行二次注浆，以控制后期沉降。

4）严格控制盾构姿态。在穿越铁路群之前必须将盾构姿态调整自最佳，在掘进过程中按照线路要求，做好姿态预判及控制，减少纠偏调整量。

5）保证管片拼装质量。在盾构下穿铁路前后，根据线路特点及掘进趋势，优化管片选型、拼装点位及拼装质量，并多次复紧管片螺栓。

4、施工监测及沉降分析

4.1监测内容与频率

盾构下穿陇海铁路施工监测由隧道内检测和周围环境监测两部分组成，主要包括隧道拱顶沉降及收敛、地面沉降、轨面沉降，并在盾构下穿铁路前后需对铁路进行动态跟踪检测，在距铁路50m左右取得基准数据，在铁路群前后20m范围之内监测每2小时1次，在铁路群前后20～50m范围内监测每天2次，在在铁路群前后大于50m范围监测每周2次。

4.2监测点布设

按照地铁施工设计，地面沉降点原则上要在盾构下穿铁路的整个区段推进轴线上每4.5米布置一排地面沉降监测点，但在铁路轨道范围内布设监测点难度大，且此段陇海铁路南侧紧挨绕城高速，经反复对比研究，最终确定选择在铁路轨道以外并尽可能靠近铁路北侧布设地表沉降监测断面，如图4、图5所示。隧道拱顶沉降及收敛按每环（1.5米）布设，监测频率同上。轨面沉降等项目则有铁路部门监测，并将监测数据及时反馈给地铁盾构施工单位，以及时进行盾构施工参数调节。

4.3监测数据沉降分析

为便于分析研究，地面沉降点选取靠近铁路的左线Z29-4、Z30-6、及Z30-7等7个点及右线Y36-4、Y36-5及Y36-6等4个点作为研究监测点，其左右线地面沉降与盾构掘进关系如图6、7所示。

从图6、7可看出，盾构下穿铁路引起的线路沉降与一般情况下盾构推进引起的地面沉降数值有较大的差距，但趋势基本相同，盾构在到达监测点之前扰动土体，地面略有下沉，在到达监测点点附近，地面出现隆起现象，随着盾构掘进及管片脱出盾尾，沉降明显加大，当刀盘经过检测点约50m开始，沉降基本趋于稳定。盾构右线Y36-4监测点沉降最大，累计沉降为-3.8mm；因左线盾构通过时间晚于右线，对原地层进行了二次扰动，故施工引起的沉降值较右线大，Z31-8点沉降最大，累计达-7.8mm。根据铁路部门对铁路轨道监测显示，轨道沉降小于4.2mm，且未引起轨面不平顺等情况，为此预埋的注浆管并未启动沉降超限注浆措施，陇海铁路运营未受到影响。

5、结论

本区间施工通过采取各项技术及管理措施，左右线盾构机分别于2009年8月和9月安全通过陇海铁路轨道群。为此，地铁盾构隧道穿越既有铁路前，应根据水文地质、隧道埋深、铁路状况等因素，制定合理的轨道及路基预加固方案，控制盾构施工引起的地表变形和轨道位移，应对穿越过程进行全程严密监控，及时反馈监测数据并进行数据沉降分析，实行动态管控，保证工程施工及既有铁路的行车安全。