张俊杰1,2
1.中山市轨道交通有限公司广东中山528400 2.福州大学福建福州350000
摘要：我国城市交通建设正在蓬勃发展，各类铁路交通线路交织的情况经常发生，盾构法因具备施工速度快、环境影响小的优势被广泛应用于铁路交通建设。但是，在盾构区间下穿既有运营铁路时，由于既有铁路对围岩变形敏感，盾构施工存在一定风险。鉴于此，本文以南中城际中山站－张家边站区间下穿广珠城际为例，首先分析了该工程盾构下穿既有铁路的施工难点，然后对可能出现的风险因素进行了评估分析，最后提出了针对性的设计与施工保护措施，以期为今后类似工程的设计施工提供参考和借鉴，保障盾构区间下穿既有铁路的施工安全。
随着我国经济的快速发展，铁路建设也取得了长足的进展。截至2023年，我国铁路运营总里程已超过9.24万km，铁路路网密度达到156.7km/万m²。我国拥有规模巨大的铁路网络，为人民群众出行提供了便利。在这种背景下，城际铁路盾构区间下穿越既有铁路及建筑物的现象也变得普遍。为保证既有铁路及新建铁路区间的运营与建设安全，进行合理有效的风险管控至关重要。
1工程概况
南沙至珠海（中山）城际线路（万顷沙－兴中段）全长47.6km，设车站12座，初期开通9座。中山站为该线第5站，位于中山市世纪一路南侧、广珠城际中山站前广场北侧，为地下两层车站。车站与广珠城际中山站实现换乘，也与规划的中山3号线、规划广中珠澳高铁、在建深茂铁路实现换乘。中山站东接张家边站，西接岐江新城站。中山站有效站台中心里程为YWCK36+497.1，车站设计总长284.5m，站台宽26.4m，长202m，采用明挖法（局部采用盖挖法）施工。车站底板埋深21-22.7m，设3个出入口、1个安全出入口、4组风亭和1个冷却塔。中山站至张家边站区间全长约2068m，为双洞单线隧道。隧道主要埋深在10.4-116.3m之间，覆土主要为淤泥、粉细砂、砂质黏性土、花岗岩强风化带和中风化带。区间施工采用盾构法，设置3个联络通道，采用矿山法施工。本区间西段以砂质黏性土和花岗岩强风化岩为主，东段以花岗岩中风化岩为主。区间左右线下穿既有广珠城际中山站桥墩，最小净距仅2.4m。初步预计2023年7月中山站开始土建施工，2024年10月盾构从中山站始发，10-11月盾构下穿广珠城际中山站。
2施工难点分析
中山站-张家边站盾构区间下穿既有广珠城际铁路中山站特大桥的主要施工难点如下：
2.1地质条件复杂，易造成管片扭曲变形
该区间地质主要为粉细砂、残积土和花岗岩的全强中风化带，风化程度差异大，地层力学参数变化复杂。软弱粉细砂层易造成管片扭曲；残积土抗剪强度低，岩石间接触面滑脱可能使管片错位。地质条件复杂增加了施工风险,需要提高管片控制精度。
2.2对既有铁路桥梁结构安全性要求高
盾构管片与既有桥桩最小净距仅2.4m，施工对桥桩稳定性影响大。既有桥梁为简支梁结构，刚度较低，对结构变形控制要求更高。需要采取有效措施保护桥桩，确保桥梁结构安全。
2.3对既有线路运营影响大，施工风险高
广珠城际为在运高铁线路，对其安全运营要求高。盾构施工会对铁路产生振动影响，需要控制轨道变形。同时，既有线路运营状态复杂,应急响应时间有限。这都使得下穿既有运营铁路的隧道施工风险很大[1]。
3数值计算分析
3.1数值模型
在施工前，针对本次南中城际中张区间下穿广珠城际中山站特大桥可能对铁路产生影响的情况，采用MidasGTSNX对施工过程进行模拟，通过模拟来研究分析地下区间施工对铁路的影响。
根据实际模型计算需求，模型尺寸为550m（X轴）×250m（Y轴）×60m（Z轴），单元数为172491个，节点数为100245个。有限元模型中，采用实体单元模拟土层、桥身、桥墩、承台及桩结构，采用板单元模拟开挖基坑围护墙及管片隧道结构。为了消除模型尺寸对计算结果的影响，计算模型范围以车站开挖基坑及盾构区间隧道的外轮廓为基准，外扩一定距离后而建立，模型深度按城际隧道埋深的约3倍建立。图1为计算模型示意图。
模型采用位移边界作为计算边界条件，即除上表面为自由边界外，其余各外表面均约束法线方向的位移。先开挖车站主体，再开挖风亭附属，最后盾构施工自西向东掘进，先掘进左线，后掘进右线，左右线错开一个月。
3.2计算工况
针对研究目的，隧道盾构施工作用下，考虑对地层及承台桩的影响进行研究。隧道施工工况为首先施工中山站主体基坑，之后施工车站附属结构风亭处基坑，最后以此施工盾构隧道左线及右线[2]。具体计算模拟施工步骤如下：
（1）初始地应力场平衡；
（2）激活既有铁路桥梁承台及桩基；
（3）激活既有铁路土体以上桥体结构；
（4）车站主体明挖基坑施工；
（5）车站附属明挖基坑施工；
（6）区间左线盾构施工；
（7）区间右线盾构施工。
3.3结果分析
由上述位移计算结果可知，盾构下穿施工引起的桥墩最大竖向位移为0.27mm，出现在24#桥墩的承台处；引起的桩身最大水平位移为0.32mm，位于22#桥墩中部承台桩身处；引起的铁轨最大竖向位移为0.54mm，位于中间两条股道，水平位移为0.35mm。表1为主要变形统计。
4区间穿越设计保护措施
4.1加固的实施条件
广珠城际铁路桥净高5.5m。区间左线从22#与23#桥墩之间穿过，地面环境为世纪一路，交通流量较小。区间右线从23#与24#桥墩之间穿过，地面环境为为绿地。
4.2加固方案
根据工程情况，采用微型钢管桩加固方案。该方案的主要内容如下：
（1）加固布置。在盾构隧道两侧各0.6m的位置，各打设一排Φ219mm的钢管桩，钢管桩的间距为0.6m。同时，在钢管桩之间还布置一排袖阀管，横向设置0.6m×0.8m的连梁，起到连接固结的作用。钢管桩与桥桩的平面净距采取1.6m。
（2）施工设备。钢管桩的施工设备采用钻机，考虑到桥下净空高度仅为5.5m，钻机的单节钻杆长度控制在2m以内。设备运行过程中最大高度不超过5m，满足桥下净空限高要求[3]。
4.3施工工艺
整个桥下加固的施工工艺流程为：场地平整→钢管制作→测量放线→定位钻孔→钻孔机就位→钻孔→孔内清洁→注浆填充→钢管下放→钢管内灌注水泥浆。
4.3.1场地准备
由于区间穿越位置地面环境较好，场地准备主要包括清理杂草杂物和进行平整处理。考虑到区间穿越长度约40m左右，平整范围采取钢管桩外侧2m进行处理，平整面积约100m²。平整要求高差在50mm以内，保证钻机运行的稳定性。
4.3.2钻孔
根据设计，钢管规格为Φ219mm，厚度6mm，第一个环节是制作钢管。由于数量不大，采用定制方式在工厂提前制作好后运至施工现场。钢管总长度约50m，分为1.5m的单根进行。在场地平整完成后，进行钢管桩的测量放线。由于钢管间距仅0.6m，放线要求高度精确。放线采用全站仪进行控制，确保钢管桩位置符合设计要求，最大允许误差控制在20mm之内。根据放线位置，将钻机就位。本工程选用螺旋钻机，最大钻径250mm，单节钻杆长度2m。考虑到现场环境和桥下净空，钻机采取支腿收放式，运行高度控制在4m以内。钻机就位后开始钻孔。由于周围为花岗岩地层，预计钻孔速度为18-25m/h。每个钢管桩设计长度为8m，预计每个钻孔时间在20-30min之间。钻孔时要注意冲去岩屑，保证孔壁平整。钻孔完成后进行清孔，主要清除钻孔底部残留的岩屑，采用风机吹扫结合人工清理，直至孔内基本干净[4]。
4.3.3安装钢管
钢管安装是在钻孔完成后进行的。单根钢管长度为1.5m，现场通过焊接连接为整根长度的钢管。连接要求焊缝处满焊，不得出现空隙。整根钢管下放到预钻孔中，要求竖直度偏差不大于1%。钢管下放深度根据设计预制钻孔深度。
4.3.4注浆
钢管安装完成后进行注浆。采用水泥砂浆，砂浆比设计为1:1。先从钢管底部进行打堵，然后从上部灌注浆料。要控制灌注速度，保证钢管与围岩之间没有空隙。同时要注意浆料外渗，必要时进行收集处理。钢管内浆料养护3—7天后达到设计强度。
5区间穿越施工保护措施
5.1区间前的准备措施
根据预计分析，盾构施工可能会导致既有铁路桥梁产生沉降和水平位移，并引起轨道变形，严重影响铁路的安全运营。因此，在盾构施工前，需要做充分准备，确保施工过程中的变形控制。首先，需要向铁路部门收集详细的设计资料、施工资料和竣工资料，全面了解现有桥梁和轨道的情况，尤其要收集过往的变形监测数据，以此确定合理的变形控制标准值，经铁路部门认可后作为后续变形控制的目标。其次，要综合各种资料，研究区域内的地质情况，考虑本次穿越的深度、覆盖厚度等具体情况，并参考类似工程的实际盾构参数和监测数据，科学合理制定本次盾构的掘进参数，如推进速度每小时20-30mm，掘进扭矩小于20000kN·m，出土量控制在300-500m³/h等。制定的参数方案需要经过专家论证，确保其合理性。另外，具体的施工设计方案需要提交给铁路部门审批，施工单位要选择通过资质审查、并与铁路部门签订监测协议的第三方监测单位进行监测。在设备方面，要对盾构机进行全面检修维护，确保所有系统可靠工作。人员方面，要安排设备制造商进行现场跟进，运维人员、司机都需要丰富经验。只有做好充分准备，才能确保后续的盾构穿越施工顺利进行。
5.2区间穿越过程中的控制措施
区间盾构穿越既有铁路过程中，需要采取科学合理的措施严格控制施工参数，确保盾构掘进面的稳定性，减小对既有铁路的影响。具体控制措施包括：
（1）调节掘进参数，平衡掘进面压力。主要掘进参数包括刀盘压力、土仓压力、排土量、推进速度、千斤顶推力、浆体压力、坡度、掘进方向等。这些参数相互制约、相互影响，需要根据实际情况精确调控，使刀盘与覆土压力保持平衡，防止过大压力引起地面沉降或管片上浮。例如根据监测数据，如果出现地面下沉，可以适当降低推进速度，减小土体扰动；如果出现管片上浮，则可以略增排土量，减小掘进面压力[5]。
（2）加强同步注浆和二次补充注浆，充实掘进扰动区。在管片安装后，要及时向环空注入墙体背面的浆液，并在管片后进行二次补充注浆，用优质浆料填充土体空隙，最大程度减少地层损失，控制地面沉降在±10mm以内。浆液配比要科学合理，确保注浆质量。
（3）严格控制管片安装精度，杜绝接头漏浆。要充分考虑隧道走向变化，精确测量管片位置，严格控制拼装偏差在±10mm以内。充分预留管片间隙，注入充足环形密封胶，避免接头漏浆导致涌喷、地面陷落等事故发生。一旦发现漏浆，要立即补充注浆处理。
（4）优化刀具配置，配合地层调整掘进参数。不同孔隙率的土层，掘进参数要进行调整。例如在粉砂段，可以增加泡沫比例，改善排土性状；在粘性土层，可以加大液压脉冲器频率，防止粘土粘连刀具。还要严格控制推进速度在2-10mm/min，监测出土量，防止过快掘进造成地层损坏。
（5）做好现场监测，及时反馈调整掘进参数。在轨道、桥墩等重要部位增加监测频次，实时反馈掘进数据。监测中心、盾构机司机室、场地指挥部保持时刻沟通联系。一旦监测数据异常，立即暂停掘进，会同相关专家研判，制定调整方案。
（6）制定完善的应急预案，与铁路部门保持良好配合。重点防范管片漏浆、地面沉降超限等情况出现。一旦发生，立即启动应急预案，采取补救措施，同时与铁路部门紧密配合，确保既有铁路安全。
6结束语
综上所述，通过对南中城际中山站-张家边站区间盾构下穿既有广珠城际的详细技术研究分析，我们可以看出盾构下穿既有运营线路施工难度较大，可能产生的风险不容忽视。为确保施工安全、保证既有线路正常运营，必须做好充分准备，制定科学合理的设计方案和严密的施工监测体系，同时预案各种应急措施以应对突发情况。只有建立完善的技术支撑体系，才能确保这类复杂工程的施工质量和安全性。
转载文献来源：中国知网-路桥隧道
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