盾構穿越既有線鐵路變形控制技術

王金峰/WANG Jin-feng

（武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430000）

地鐵建設不可避免地要穿越建筑物、管線、橋梁、河道、鐵路等，因此施工過程中對建（構）筑物的保護非常重要，不同地質所采取的措施及推進參數也有所不同。

對于盾構施工對地面沉降的影響，戴志成[1]等研究了盾構水下始發段掘進參數對地表沉降的影響；陳志亮[2]、李仲峰[3]、劉碩[4]、杜明芳[5]、代君[6]等研究了土壓盾構穿越箱涵、鐵路橋、框架結構等建構筑物時的沉降問題及控制措施；王曉普[7]、王住剛[8]、王曉靖[9]、宋軍[10]、雷楊[11]、劉暉[12]、鐘俊輝[13]等研究了鄭州、西安、寧波、長沙、福州等地不同地層中，盾構施工穿越既有線鐵路的施工技術和沉降控制措施；孫國慶[14]、賈培文[15]等研究了盾構穿越既有線鐵路時的不同加固方法及其作用。本文針對武漢地區長江Ⅰ級階地中的粉細砂地層，對盾構穿越鐵路期間的施工參數、監測數據變化的規律進行總結分析，提出盾構在武漢地區粉細砂地層中穿越鐵路施工的控制措施及建議，供類似地層盾構施工參考。

1 工程概況

武漢地鐵7 號線某區間線路長1 524m，區間設置3 個半徑R=450m 的平曲線，區間線間距10.9～105m，覆土厚度為10.5～17.85m，左線采用海瑞克S-217、右線采用中鐵28 號土壓平衡盾構施工。區間先后穿越二環線公路高架橋、民房群、漢口漢西聯絡線路基、滬蓉漢丹下行高架橋、客車技術整備所17 股道。

其中漢口漢西聯絡線主要行駛普通客車，行車密度較小，設計時速為120km/h，道床形式為有砟道床。區間隧道下穿漢口漢西京廣客線下行聯絡線坡面關系圖見圖1 所示。

圖1 隧道下穿聯絡線剖面關系示意圖

滬蓉、漢丹下行高架上分別為滬蓉下行線及漢丹下行線，盾構隧道左線從滬蓉、漢丹下行高架15 與16 號墩間穿過，右線從16 與17 號墩間穿過，盾構隧道與16 號墩最近距離均為6.3m（圖2）。滬蓉下行主要行駛動車及部分普通客車，漢丹下行線主要行駛普通客車及部分動車，行車密度較大，兩線設計時速為120km/h。橋梁結構形式為簡支梁橋，采用球形鋼支座，道床形式均為有砟道床。

圖2 隧道下穿高架示意圖

區間隧道下穿漢口客車技術整備所長度約為155m，隧道與鐵路夾角約71°（圖3），穿越該處2～18 號共17 條軌道，其中15～18 號軌道為碎石道床，9、10、13、14 號軌道為寬枕板道床、其它為整體道床。

圖3 隧道下穿漢口客車技術整備所示意圖

4、5、6、16、17、18 號道路基下為換填碎石處理，處理深度約1m，其它路基下方為粉噴樁處理，處理深度最深約10m。軌道上停留車輛形式為客車車底，車底進出場牽引方式為內燃機車，無接觸網桿。1、2 號軌道在同一庫棚內，庫棚為單層砼排架結構；3、4 號軌道在同一庫棚內，庫棚為單層輕鋼排架結構；7、8 號軌道在同一庫棚內，庫棚為單層砼排架結構。區間下穿的砼庫棚和輕鋼結構庫棚均為排架結構，基礎形式均為柱下獨立基礎，柱間距為9m，獨立基礎下方采用粉噴樁處理，粉噴樁長度最長約8m。整備所內燈橋柱采用獨立基礎，埋置深度約2m。

本區間場地內地形相對平緩，為長江一級階地河流堆積平原區。區間隧道所穿越的土層主要為3-5 粉質粘土夾粉土粉砂、4-1 粉細砂、4-2細砂層，部分地段穿越3-4 淤泥質粉質粘土、3-5粉質粘土夾粉土、粉砂，隧道頂主要位于3-3 淤泥質粘土、3-5 粉質粘土夾粉土、粉砂，隧道底土層主要為4-1 粉細砂、4-2 細砂。

長江Ⅰ級階地承壓水主要賦存于3～5 混合層及下部砂層中，3～5 層為弱承壓、弱透水含水層，4 層及5 層為強透水層，主要接受側向地下水的補給及側向排泄；孔隙承壓水賦存環境相對比較封閉，主要接受側向補給與排泄，地下水位季節性變化較不明顯，水量較為豐富。根據武漢地區區域水文地質資料，Ⅰ級階地承壓水測壓水位最高標高一般20.0m 左右，年變幅為3～4m。根據勘察單位在本區間設置的水位觀測孔數據顯示，區間承壓水位埋深約6.30m。

2 盾構穿越既有線鐵路變形常見原因

既有線鐵路是指正在運營的鐵路線，根據鐵路部門提供資料要求，軌道累計沉降允許值為≤6mm，否則軌道沉降量超出允許值時可能造成地面不平整，影響列車及人員的安全。

2.1 盾構施工中不同階段地面沉降分析

盾構法施工對既有線鐵路的影響主要是由于盾構施工引起的地面沉降，盾構施工引起的地面沉降按時間可以劃分為5 個階段（圖4）。

1）前期沉降 土體因掘進時地下水流失而導致地表沉降，一般發生在刀盤到達切口前3～12 m 處。

2）到達時沉降 即由于開挖時土體壓力失衡發生彈性或塑性變形而導致的沉降，發生在盾構刀盤到達切口前3m 至切口后l m 處。

3）通過時沉降 即由于盾體和土層間的摩擦剪切力導致土體向盾尾后移而發生的彈塑性變形，發生在盾尾通過切口后1m 至盾尾脫出處。

4）盾尾空隙沉降 即由于盾體通過后建筑間隙增加且同步注漿不及時而導致的沉降，發生在盾尾脫出至繼續推進1m 處。

5）后期沉降 即由于土體產生的塑性變形導致的沉降，發生在盾尾通過后約100h。

圖4 盾構施工各階段引起的地面沉降示意圖

2.2 鐵路路基地基承載力評估

根據調查顯示，路基及整備所的路基在施工時已對地基進行了加固處理。高架橋墩樁基設計尺寸為?1.5m、樁長為56m，已入巖，地基承載力能滿足列車運行荷載。

2.3 整體安全性評價

在地鐵盾構施工期間安排專人值班盯守，過程中加大嚴密監測，及時反饋監測數據，信息化指導地鐵盾構施工，穿越完成后及時進行二次補注漿填充地層損失，可完全確保穿越期間既有線鐵路的安全穩定。

3 盾構穿越既有線鐵路施工技術

3.1 模擬推進參數及監測情況

3.1.1 階段一模擬情況

根據盾構穿越鐵路階段的埋深及地層情況，對推進速度、刀盤轉速、土壓力、盾構推力、出渣量、注漿壓力及注漿量等參數進行詳細計算，總結分析本工程已施工完成部分的掘進參數，初步確定的各項掘進參數如下。

1）刀盤轉速 刀盤轉速控制在1.6～1.8rpm，現場根據情況適當調整。

2）土倉壓力 盾構2#、3#土倉壓力控制在1.3～1.5bar，土倉壓力變化值控制在0.2bar，在保證土倉壓力的情況下穩步推進。

3）出土量 出土量控制在47.1～48.5m3/環。

4）外加劑 在刀盤扭矩大導致無法正常推進時，加入泡沫劑改良渣土。

5）推進速度 正常掘進時，推進控制在50～60mm/min，以減小盾構掘進對地層的擾動，從而有效控制地面沉降,使盾構勻速推進。

6）同步注漿量 注漿量為建筑間隙的180%～200%。

7）二次注漿 采用雙液漿，在盾構上增設注漿作業平臺，根據監測情況實時注漿。

8）盾構姿態 盾構的姿態水平偏差小于30mm,高程偏差小于20mm，當水平偏差大于30mm 或高程大于20mm 時要及時調整。

根據第一階段模擬推進后，對掘進參數和監測數據進行分析，發現盾構推進過程中，掌子面前方有較小沉降，盾體上部地面有沉降，盾構通過后地面沉降較大，沉降時間主要集中在通過后48 小時以內，持續沉降時長約4～5d，穩定后地面沉降最大-10.3mm（圖5），最小-6.9mm，部分測點在拖出盾尾48 小時后日變量會完全處于報警狀態，左、右側很有可能產生不均勻性的沉降，需對初步設定的盾構掘進參數進行調整優化。

根據階段一盾構掘進及地表沉降情況進行分析，原因如下。

1）土壓過小，盾構刀盤內土壓小于土體自重及外部側壓力。

2）刀盤轉速及掘進速度較快對土體擾動大；同步注漿未及時填充建筑間隙，漿液凝固時間較長，上部土體無法穩定，導致地表整體沉降。

3）推進過程中，盾構的前、后端姿態趨勢較大，對土地擾動性較大。

3.1.2 階段二模擬推進情況

根據階段一盾構掘進及地表沉降情況，對掘進參數進行了調整如下。

1）刀盤轉速 刀盤轉速控制在1.2～1.4rpm，現場根據情況適當調整。

2）土倉壓力 盾構2#、3#土倉壓力控制在1.4～1.6bar，土倉壓力變化值控制在0.2bar，在保證土倉壓力的情況下穩步推進。

3）出土量 推進出渣量控制在47.1～48.5m3/環。

4）外加劑 在刀盤扭矩大導致無法正常推進時，加入泡沫劑改良渣土。

5） 推進速度 正常掘進速度時，推進控制在30～40mm/min。

6）同步注漿量注漿量為建筑間隙的200%～250%。

7）二次注漿采用雙液漿，在盾構上增設注漿作業平臺，根據監測情況實時注漿。

8）盾構姿態盾構的姿態水平偏差小于30mm,高程偏差小于20mm，當水平偏差大于30mm 或高程大于20mm 時要及時調整姿態。

階段二和階段一掘進參數比較主要是降低推力、速度和刀盤轉速（減小刀盤轉動對土體的擾動）、優化了漿液配合比（減少漿液初凝時間）、增加注漿量、增加泡沫劑的使用量、使用氣壓保壓進行掘進。按照調整后的參數進行掘進，較第一階段地面沉降減小，最大沉降量-4.7mm（圖6），最小沉降量為-3.5mm，滿足盾構穿越鐵路控制要求。

3.1.3 掘進參數的確定

根據階段一和階段二掘進情況及監測數據，確定將階段二的掘進參數作為穿越鐵路時的施工參數，施工過程嚴格按照既定參數進行掘進，并根據監測數據進行動態調整。

圖5 第一階段地表沉降曲線圖

圖6 第二階段地表沉降曲線圖

圖7 漢口漢西聯絡線路基沉降曲線圖

3.2 穿越鐵路施工及監測情況

根據階段一和階段二掘進確定的施工參數進行穿越鐵路時的施工控制，在穿越鐵路前啟動應急預案，按照要求的監測頻率對鐵路軌道、路基等進行自動化監測，由鐵路部門安排專人在地面24h 進行巡視，并隨時向隧道內反饋監測情況，動態化施工。

3.2.1 穿越漢口漢西聯絡線路基期間軌道沉降及水平位移情況

穿越路基期間，采用模擬推進確定的施工參數進行施工，沉降數據分析見圖7，地面沉降量最大為-5.7mm，盾構穿越鐵路期間軌道及路基沉降無報警，巡視未發現裂縫，滿足鐵路沉降控制要求。

3.2.2 穿越鐵路橋梁期間沉降情況

穿越期間，采用模擬推進確定的施工參數進行施工，沉降數據分析見圖8，地面沉降量最大為-0.4mm，盾構穿越鐵路橋梁期間橋墩及軌道無報警，巡視未發現裂縫，滿足鐵路橋梁沉降控制要求。

3.2.3 穿越整備所期間沉降情況

穿越期間，采用模擬推進確定的施工參數進行施工，沉降數據分析見圖9，地面沉降量最大為-4.5mm，盾構穿越整備所17 股軌道期間無報警，巡視未發現裂縫，滿足整備所軌道沉降控制要求。

3.2.4 鐵路沉降、水平位移變化規律分析

1）鐵路沉降變化規律 鐵路的沉降和地表沉降變化規律是一致的，按時間先后可以分為5 個階段：先期沉降、盾構到達、盾構通過、盾尾間隙及后期沉降，這里不再闡述。

2）鐵路軌道沉降變化規律 隨著盾構的推進，軌道在刀盤前方時的變形速率基本為零，當盾構到達及通過期間變形速度不斷增大，同時沉降值達到最高峰，待盾構通過后48h 內并進行二次注漿后，軌道變形量會逐漸向反方向變形，反向軌道變形速度由最大逐漸變為最小，之后進入平穩期。

3.3 保證注漿量質量

在穿越該區域段掘進過程中，同步注漿量嚴格按照要求控制在5m3，并在管片脫出盾尾后8～10 環的位置再次進行二次補強注漿，每環注漿量不小于1m3，以增大管片背后填充率，保證土體穩定性。

3.4 隧道軸線控制

在盾構掘進施工時要及時地調整掘進方向，使隧道軸線與設計的軸線一致，掘進過程中控制盾構左右組油缸推力的差值，使盾構保持在設計線路的切線方向上掘進。由于盾構下穿鐵路段處于隧道線型曲線段，因此在掘進過程中及時地調整盾構姿態，防止超限；盾構推進過程中嚴禁左右來回大幅度糾偏，大幅度糾偏會造成刀盤切削不穩定，容易超挖，其次在來回糾偏過程中，容易造成地層不穩定，所以在掘進過程中要“小糾偏，勤糾偏”，控制好盾構姿態。

3.5 穿越后評估

對盾構穿越鐵路線時的監測數據進行分析，鐵路軌道、路基、橋梁等沉降未達到報警值，整體穩定。

在盾構穿越鐵路3 個月后及監測數據穩定的情況下停止了對鐵路軌道的沉降監測，并組織鐵路相關部門共同對軌道進行了調查，與穿越前的調查情況進行對比，穿越鐵路期間軌道、橋梁、路基等未出現不均勻沉降及沉降數據預警情況。

圖8 滬蓉漢丹下行高架沉降曲線圖

圖9 客車技術整備所沉降曲線圖

4 結語

1）為保證開挖面的穩定，有效地控制地表沉降和鐵路的安全運行，要對以下7 個管理指標來進行掘進控制管理：①土倉壓力；②掘進速度；③總推力；④出渣量；⑤刀盤轉速和扭矩；⑥注漿壓力和注漿量；⑦渣土改良效果。

2）鐵路運營期間安全監測關系重大，施工中要嚴密進行監測數據分析、嚴格控制掘進參數，及時反饋監測結果，根據監測結果適時調整掘進參數。

3）通過合理選擇掘進參數，以及嚴密的沉降監測，盾構順利穿越了鐵路。盾構穿越鐵路路基施工過程中最大累計沉降量為5.7mm，小于鐵路相關規范要求，不影響列車運行。