地铁区间下穿广深铁路方案研究

2023-02-15

1 工程概况

广州地铁21号线工程棠东站~黄村站区间下穿广深铁路4股轨道, 根据资料, 广深铁路等级为一级, 正线数目为4线, I线、Ⅱ线铁路为高速铁路, 运营速度200km/h, Ⅲ线、Ⅳ线铁路为普通铁路, 运营速度120km/h, 盾构下穿范围为路基段, 路基形式为路堤, 道床为普通碎石道床, 目前每日开行旅客列车217对, 高峰期平均每10分钟1对。

区间采用盾构法施工, 下穿铁路范围位于东环高架与广园快速路交叉口西侧, 共4股轨道, 轨面高程为8.23~8.09m, 区间下穿路段运行时速120~160km/h。地铁盾构轨面标高约为-11.3m, 埋深18.0~18.9m, 线间距34m;左右线分别与铁路线路夹角约为62°、64°。广深铁路轨道道碴为一级碎石道碴, 厚度50cm, 60kg/m钢轨。

2工程水文地质

盾构区间穿越广深铁路范围的地层主要有〈1〉素填土、〈4N-2〉粉质粘土、〈3-2〉粗砂厚5~6m、〈5N-2〉残积土厚5.5-6.1m、〈6-3〉全风化岩厚2.9-4.4m、〈7-3〉强风化岩, <8-3>中风化岩。隧道拱顶覆盖〈5N-2>、<6-3〉, 隧道洞身地层为<6-3〉、<7-3〉、<8-3〉全强中风化泥质粉砂岩地层。

场地地下水类型主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水, 主要含水层为冲洪积粉细砂层<3-1>、中粗砂层<3-2>。砂层为中等透水, 强~中风化岩为裂隙水, 弱~中等透水地层。

3 盾构区间下穿铁路影响分析

区间斜穿广深铁路, 与铁路空间交叉形成复杂的三维空间模型, 其“空间效应”显著。基于区间隧道与广深铁路的空间位置关系、隧道与铁路路基的几何尺寸、场地岩土体的高程特性等条件, 采用MIDAS/GTS大型计算分析软件对盾构区间下穿铁路安全影响进行模拟分析, 考虑列车动荷载, 建立隧道开挖对铁路路基影响的数值模型, 如图3所示。

模拟计算分析表明: (1) 隧道掘进引起的地表位移均为沉降, 没有地面隆起现象, 整体呈现出一个“w”的形状, 两盾构隧道上方地面沉降最大, 其它地方沉降相对较小。由于盾构隧道与既有铁路的相互不利影响, 导致铁路路基处的沉降值明显大于其它普通地段盾构隧道开挖引起的地表沉降值。最大地表沉降为-6.3mm, 轨面最大沉降为-5.6mm, 大于经常保养小于临时补修的标准, 需做好轨面监测, 必要时进行保养。 (2) 各股轨道相邻钢轨的钢轨沉降差均小于1mm, 满足经常保养标准的6mm控制值。 (3) 轨道最大水平位移值为1.2mm, 各股轨道的相邻钢轨轨距差处于-0.2mm~0.2mm, 满足经常保养标准的-4~+6mm控制值。 (4) 10m钢轨长度内轨面高程差最大值为2.6mm, 满足经常保养标准的控制值6mm。

综上所述, 盾构施工下穿广深铁路, 能够满足铁路运营进程保养标准, 可不考虑扣轨或地层加固措施, 但作为地铁施工承包商有必要采取一些可行的措施确保铁路部门运营的安全, 降低风险。

4 下穿铁路的保护措施

1) 采用盾构法施工。盾构施工掘进进度快, 对地面交通、沿线建筑物影响小, 通过调整切削与出土速度、跟踪注浆和补充注浆等手段, 地面沉降或隆起易于控制在允许范围内。本工程采用两台全新海瑞克盾构机完成本区间掘进任务, 根据盾构机过广深铁路前40米处的现场实际掘进及地表沉降情况, 进行精细化的计算和参数调整。

2) 线路调整措施。为了确保广深铁路的运营安全, 盾构区间应尽量在稳定地层下穿广深铁路。通过优化线路纵坡, 将盾构埋深由16m增加至18m, 区间尽量避开较差的<6-3>全风化泥质粉砂岩地层, 有利于降低盾构掘进风险, 减小土层扰动。

3) 优化施工参数。 (1) 严格控制土仓压力, 确保渣土改良和土压平衡的密封性。 (2) 严格控制出土量, 碴土的出土量必须与掘进的挖掘量相匹配。避免因出土量过大超挖导致水土流失, 造成地面塌陷。 (3) 加强同步注浆和二次注浆控制。盾构引起的地层损失、盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的土层再固结以及地下水的渗透, 是导致地表沉降的重要原因。为减少和防止地表沉降, 在盾构掘进过程中, 在脱出盾尾的衬砌管片背后, 尽快同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙。

4) 建立试验段。

本区间隧道盾构先下穿车陂路再下穿广深铁路, 隧道下穿车陂路段的水文地质条件与下穿广深铁路段的类似, 因此把盾构施工下穿车陂路段作为试验段, 建立地面沉降量与盾构掘进参数之间的关系, 为盾构下穿广深铁路时盾构掘进参数的准确设定提供最直接的依据。

5) 下穿铁路掘进前盾构机的检查。在下穿铁路前50米停止掘进, 对所有设备进行彻底的检查和维修 (刀具、注浆系统、尾刷等) , 特别是土压计的检定, 以确保盾构机以良好的状态顺利穿过轨道群。

6) 信息化管理施工。盾构穿越广深铁路过程中及之后, 均应有效监控铁路路基沉降情况, 同时以监测数据指导盾构掘进参数的设置, 信息化施工。信息化施工是做好盾构下穿广深铁路的有效保障, 协同铁路相关部门制定专项监测方案, 有效监控铁路的变化情况

7) 施工期间建议

建议地铁盾构下穿铁路期间, 受影响段列车限速运行, I、Ⅱ线高速铁路限速80km/h, Ⅲ、Ⅳ线普通铁路限速60km/h, 降低铁路运行风险。

广深铁路车次频密, 为保证铁路运行安全, 施工前地铁施工承包商协调配合铁路部门, 做好对铁路安全保护区范围内的地面沉降、轨道形态等项目的监测, 并信息共享, 以指导盾构施工。

针对施工中可能出现的情况, 建议盾构下穿铁路施工前, 地铁施工承包商协调铁路运营部门做好应急预案。