盾構復雜線型上軟下硬泥巖地層下穿運營鐵路施工技術

梁夢秋

摘 要：隨著城市軌道交通建設快速發展，地鐵隧道盾構下穿既有鐵路施工已是常見工況，相關施工技術和影響分析研究論著較多。但在無設計預留通道和任何地面加固隔離措施情況下，盾構復雜線型上軟下硬地層下穿運營干線鐵路的案例和研究相對較少。廣州地鐵八號線某區間盾構大縱坡小半徑施工線性復雜，連續下穿多處地面建構筑物并在沉降敏感的上軟下硬泥巖地層下穿廣茂鐵路，過程中通過掘進參數實驗研究、綜合跟蹤注漿技術應用、天窗期掘進組織管理和信息化施工等措施，在無任何地面預加固隔離等輔助措施情況下，左右線盾構兩次成功下穿正常運營的廣茂鐵路并安全順利貫通。據此，對其關鍵施工技術研究和應用經驗進行總結，以供類似工程參考借鑒。

關鍵詞：上軟下硬;綜合注漿;下穿運營鐵路;沉降控制

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.098

0 引言

經過幾十年的蓬勃發展，我國城市軌道交通線網逐步完善，尤其是盾構施工技術應用成熟后，極大的促進了地鐵線網規劃及隧道線性設計的靈活性和合理性，總體呈現密集化、立體化特點。但隨之建設難度和施工風險也逐步增加，盾構上跨、下穿、臨近重要建筑物及運營線路等高難度高風險施工工況越發頻繁，絕大多數情況下必須采用預留盾構下穿結構通道、地面預加固隔離、扣軌托換、運營線路降速等措施降低安全風險后，盾構在均質地層中實現順利下穿。如四川省建筑科學研究院李成言等人以長株潭城際鐵路樹木嶺隧道工程為依托，提出了通過袖閥管注漿對隧道周圍一定范圍土體進行預加固后大直徑盾構下穿運營京廣鐵路控制技術;中鐵二局杜能勝對粉土粉砂質地層盾構下穿站場內鐵路股道施工技術進行了總結;河南工業大學趙文才等對大縱坡小曲線半徑盾構隧道下穿鐵路變形影響規律進行了深入研究，提出了一些關鍵結論也具有較高的參考價值。而在復雜線性沉降敏感的上軟下硬泥巖地層中，盾構無任何地面預加固等措施直接下穿運營干線鐵路案例少有。本文主要對廣州地鐵8號線某區間盾構在無任何地面預加固處理等措施情況下，通過掘進參數實驗研究、綜合跟蹤注漿技術應用、天窗期掘進組織管理和信息化施工等措施，在大縱坡小半徑復雜線型和沉降敏感的上軟下硬泥巖地層中兩次成功下穿廣茂鐵路施工關鍵技術進行研究總結，對類似工程具有較高的參考借鑒意義。

1 工程概況

廣州地鐵8號線某盾構區間在管片環號286～303環、長度約為23m的范圍內下穿運營廣茂鐵路，隧道與鐵路呈86°相交，共下穿5股有砟道床。下穿段隧道縱坡28‰，隧頂埋深15.9m，線間距為15m，平面曲線半徑R=400m。盾構機采用中鐵裝備φ6280mm復合式土壓平衡盾構機，配備四輻條面板式復合刀盤，綜合開口率35%。

盾構下穿段地層從上至下分別為雜填土、淤泥質粘土、全風化泥質粉砂巖，洞身范圍為強、中、微風化泥質粉砂巖，屬于典型的上軟下硬地層施工。強風化帶泥質粉砂巖呈半巖半土狀或碎塊狀，手可折斷，為極軟巖，遇水軟化失水沉降敏感。中風化帶泥質膠結，成厚層狀構造，呈碎塊狀或短柱狀，風化裂隙較發育，天然抗壓強度3.80～12.5MPa。微風化帶天然抗壓強度值為11.70～20.40MPa。地下水以基巖裂隙水為主，具承壓性，水頭埋深約為4.5米，根據試驗段掘進及管片滲漏情況判斷，該段地層地下含水量非常豐富。

運營廣茂鐵路是我國西南地區物資進入港澳市場、發展對外貿易和旅游事業的運輸干線，為有閘道床鐵路。據現場調查統計，下穿點每日共有100列各類火車始發或經過，其中貨運列車28列，旅客列車67列（含動車、城際高速列車33列，普通客運列車34列），車頭5列。動車主要為時速200km/h的“和諧號”動車組，往返廣東西南和云貴川等地區。列車運營空窗期大約為凌晨0點至4點之間。

2 主要問題及風險分析

廣茂鐵路為西南地區重要交通干線，線路運營繁忙，空窗期時間短。受運營單位管理程序限制，無條件在地面對鐵路進行預加固或扣軌加固等處理，無法進入軌行區進行即時監測，無法保障隨時維修。且該鐵路配合運營動車編組，對鐵路軌道沉降要求高，最大累計沉降控制為10mm，單次最大沉降值為3mm/d，盾構下穿施工容錯度低風險極大。分析主要有以下問題和風險需要解決。

（1）上軟下硬泥巖地層本身掘進風險高，稍有改良控制不當極易刀盤結泥餅造成掘進困難地面沉降失控，同時該地層失水地面沉降敏感，施工中必須采取一切措施避免在鐵路下方長時間停機開倉或水土流失等情況。

（2）復雜線型盾構掘進姿態控制難度加大，盾構糾偏和必要的超挖加劇地層擾動，隧道管片易破損滲漏水等，對掘進過程中和后期地表沉降影響較大，需采取措施控制。

（3）鐵路有大量動車組運營，社會影響大，對路基沉降及軌道平順度要求高，空窗期時間短，運營單位配合度及應急措施有限，對設備及人員組織管理配合容錯度極低。

3 下穿鐵路施工關鍵技術

結合類似工程施工經驗，經充分研究論證后確定盾構下穿運營鐵路總體方案思路。即在盾構機下井前首先對設備進行必要的檢修和適應性改造，確保設備渣土改良性能及跟蹤二次注漿條件;下穿前設置試驗掘進段，根據試驗段地面監控量測數據，總結修正盾構在上軟下硬泥巖地層掘進參數，制定下穿鐵路執行的控制參數;并在盾構下穿過程嚴格施工組織和信息化施工管理，考慮沉降滯后時間盡可能預留空窗期進行鐵路應急整修條件;掘進過程中和隧道貫通后采用綜合跟蹤注漿技術控制鐵路后期沉降直至完全穩定。

3.1 試掘進參數研究

將本區間下穿鐵路前水文地質情況相似的第170環～250環作為試驗段試掘進，試驗段地層理論計算參數并按經驗修正后設定總推力1200t、推進速度3～4cm/min、刀盤轉速1.5r/min、土倉壓力1.5bar、刀盤扭矩2000kN·m、同步注漿6m3、二次注漿壓力0.3MPa、出土量60～62m3。期間模擬正式下穿施工組織管理，試掘進過程中發現在上軟下硬地層中掘進參數易出現波動，土倉壓力有瞬時損失現象，最小土壓值為1.32bar，同時刀盤前方地面單次沉降超出了允許值3mm/d。如圖2、3所示。

通過對試驗段的施工參數進行統計分析和研究，分析原因并采取措施如下：①土倉壓力出現瞬時損失現象分析主要原因為管片防水條在拼裝時破損，二次注漿沒有及時跟進，導致漏漿泄壓情況。后續加強管片拼裝質量控制的同時，在盾構機1號車架前平臺設置雙液注漿機及拌漿設備，掘進過程中按需對脫出盾尾的管片及時進行二次跟蹤注漿。②地層含水豐富裂隙水補給快，由于土倉壓力與計算靜水壓力基本一致或稍低，掘進過程中盾體周圍地下水大量匯集涌入，影響土倉改良效果和土壓平生導致螺旋機出土存在噴涌、土壓波動。隨即將掘進土壓提高至1.7bar（比理論計算土壓高出0.2bar），保證土倉壓力略大于開挖面靜水壓力，避免盾構周圍地下水向土倉匯集影響掘進。

采取措施后試掘進地面監測數據穩定正常，修正總結制定下穿段各項施工參數如表1。

3.2 鐵路遠距離監測

正常環境情況下，盾構下穿鐵路等建構筑物自動化監測或人工監測技術手段已非常成熟，測量精度和數據計算反饋及時性完全滿足施工要求。但廣茂鐵路平均每天往返車次高達12min/列，全天僅凌晨0～4點為空窗期，根據運營單位強制管理規定，鐵路運營期間人員禁止直接進入軌行區實時監控量測，禁止在軌枕上安裝自動化監測棱鏡（防飛濺撞擊列車），不能滿足盾構下穿信息化施工要求。

故綜合比選采用遠距離人工監測的方式對鐵路進行監控量測，即在鐵路附近人行天橋上設置固定測站架設1s全站儀，在鐵路軌枕、接觸網立桿、周邊房屋基礎特征點上布設高精度小棱鏡進行三維坐標測量，計算測點位移情況進行對比分析。根據盾構掘進單環施工循環時間，監測頻率控制在3h/次左右，必要時靈活調整監測頻率和監測范圍，減小監測工作量及時反饋數據。

3.3 專項施工組織措施

針對盾構低容錯度和高風險下穿施工，嚴格施工組織管理確保技術措施執行到位、問題發現和處置及時有效是關鍵。在試掘進段調整責任心強、有豐富施工經驗的管理人員到關鍵崗位負責實施，項目領導人員到現場全程24h帶班組織，專家現場駐點指導，確保管理體系運轉順暢、現場問題處置果斷及時。并采取以下施工組織措施確保順利下穿。

（1）針對下穿段大縱坡小半徑施工，為確保施工連續性和控制洞內運輸車運行速度，調整電機車編組采用單環單列編組，并增加配備一列車備用。

（2）調派盾構機及配套設備廠家專業技術人員到現場值班，并提前落實了同型號設備整機配件來源，確保現場備件之外的配件能夠及時到位排除故障。

（3）盾構機操作室、現場監控室、各主要工作面配備有線電話、對講機通信，建立手機即使通訊工作群，視頻監控和參數監控與公司遠程監控中心進行互聯，確保公司后臺和項目管理人員信息聯動，實時掌握分析盾構施工參數快速響應。

（4）調整全天盾構施工組織節奏，盡量利用晚間和天窗期客運列車減少時段快速掘進。協調鐵路站段工務班組幫助配合，根據每天監測數據和軌檢情況，按需在天窗期時間內對下穿段道床進行整修恢復，確保列車正常運營。

3.4 下穿掘進關鍵技術

通過試驗段試掘進研究和下穿鐵路段實踐應用，左右線盾構兩次下穿掘進相關技術和經驗總結如下。

（1）綜合上軟下硬泥巖地層特性及試驗段掘進參數總結分析，在盾構下穿鐵路掘進采用局部氣壓輔助模式推進。即土倉壓力值比計算理論值高出0.2bar，控制倉內渣土面在頂部以下1.5m左右，上部主要為泥漿和泡沫混合物，可有效扼制了地下水流失匯集涌入土倉，保障渣土改良效果的同時穩定地層，為地面沉降控制起到關鍵性作用。

（2）盾構推進參數選擇按照試掘進總結控制參數執行，下穿過程中根據地面監測情況微調。需特別說明的是，為確保盾構盡快完成下穿，盡早提供洞內注漿等沉降控制措施條件，盾構掘進按照正常速度3～4cm/min控制。通過試掘進和下穿掘進分析看，合適均衡的掘進速度更利于設備綜合性能匹配和控制，過慢的掘進速度反而影響渣土改良、土壓穩定易造成螺旋機噴涌等情況。

（3）泥巖地層中膠結物含量超過45%，稍有控制不當極易結泥餅。通過試驗段和下穿鐵路掘進過程中每環篩洗分析渣樣分析總結，泡沫劑原液濃度3%，發泡率控制在11倍左右，選擇刀盤中心2個和周邊1個噴口進行改良，單管流量控制在120L/min左右改良效果最好，施工過程中未發生噴涌和土壓大幅度波動現象，渣土改良流塑性好。

（4）采用同步注漿和按需多次二次注漿的綜合跟蹤注漿技術，確保在地層沉降反應時間內有效填充土層損失控制沉降。通過現場試驗研究和下穿應用，同步注漿4孔同步注入，配置漿液初凝時間不大于10h，泌水率不超過5%（體積比），28天抗壓強度不小于2.5MPa，漿液稠度10cm時地面沉降和管片上浮控制效果較好，漿液配比參考如表2。

因采用氣壓輔助掘進，需在同步注漿的基礎上，同步進行間隔二次注漿補強管片頂部可能存在氣囊空隙，并按需跟蹤注漿控制工后沉降。①下穿運營鐵路段隧道管片增設注漿孔10個，與管片吊裝孔配合使用，全環合計16個注漿孔，根據監測數據及管片姿態綜合選擇二次雙液注漿點位，控制管片上浮及地層沉降。②在1#臺車前方平臺固定設置小型液壓雙液漿注漿機和拌漿設備，在車架上堆放適量水泥等注漿材料，推進過程中每班在盾尾后3～5環進行二次補強注漿。水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃溶液∶水泥漿=1∶1（體積比，水玻璃溶液為35波美度水玻璃與水1∶1混合溶液），注漿量每孔控制在0.2m3左右，注漿壓力不超過0.4MPa，注漿完成后間隔半小時檢查注漿效果，確保開孔無滲漏。③在盾構尾部臺車上再增設一套雙液注漿機和拌漿設備，按需對管片開孔注入雙液漿填充管片背后空隙，形成止水環隔斷隧道外縱向涌水通道，有效控制工后沉降。④在雙液注漿過程中設置管片頂部排氣孔，安裝注漿單向逆止閥，注漿時打開球閥直至出現冒漿時關閉，10min后檢查注漿效果，如仍有水氣溢出，應對該孔進行再次注漿。

4 結論及建議

通過掘進參數實驗研究、綜合跟蹤注漿、掘進組織和信息化施工管理等關鍵技術措施應用，區間左右線盾構在無任何地面預加固處理等措施情況下，先后兩次安全順利下穿廣茂鐵路，分別歷時4天，左線鐵路路基最大累計沉降8.2mm，右線最大累計沉降9.5mm，滿足鐵路10mm的沉降控制要求，得到了廣州地鐵集團及鐵路運營單位的高度評價，是一次大膽的創新和嘗試，對類似水文情況下盾構無地面措施和設計預留通道下穿運營鐵路具有較高的參考借鑒意義。

但在下穿過程中，也出現了一處土倉壓力波動較大，導致鐵路單次沉降超過3mm/d的情況，現場立即調整了施工參數予以控制。總結相關關鍵技術應用和經驗教訓，有以下建議可控參考。

（1）正式下穿前在相似水文地質段設置試驗段十分必要，可通過地面沉降規矩總結修正得出合理的下穿施工參數，并充分暴露施工組織和管理方面的具體問題并提前解決。

（2）在地下水豐富的上軟下硬泥巖層盾構掘進，土倉壓力應控制在理論計算值以上0.2bar，確保地下水不進入土倉影響渣土改良，同時防止地層失水沉降。同時應嚴格做好每環渣樣篩洗分析，實時掌握地質和改良掘進情況。

（3）隧道內綜合跟蹤注漿是控制地表沉降的關鍵有效手段。同步注漿采用總量控制，二次注漿和跟蹤注漿采用量壓雙控，按需注入確保管片背后填充密實形成止水環，阻斷地下水控制管片上浮。

（4）務必協調鐵路站段和工務班組積極配合，增加地面巡道頻率，實時反饋軌道沉降情況指導行車調度和空窗期修整，確保行車安全。

（5）盾構下穿運營鐵路施工風險和社會影響極大，權屬單位審批和論證時間普遍半年以上，應在工程進場時提前啟動完善相關審批手續。同時在類似上軟下硬地層時，建議盡量優化線路加大隧道埋深到全斷面硬巖，或采用地面預加固隔離、扣軌等措施降低風險。

參考文獻

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