盾構隧道下穿鐵路群路基保護與研究

張貫超

中國鐵路設計集團有限公司 天津 300142

隨著我國經濟的快速發展，也推動了城市軌道交通事業的發展，在進行地下軌道的建設時，盾構隧道的方式具有極大的優勢，其不僅對于周邊的環境不會產生極大的影響，同時，施工的精度也更高，因此，在城市軌道交通事業中，盾構隧道的重要性不言而喻。但是，盾構隧道在下穿鐵路，尤其是下穿鐵路群路基的工程中，施工過程引起的沉降變形往往會影響到路基的穩定和軌道結構的安全，進而導致鐵路交通難以正常運行[1]。因此，對于盾構隧道下穿鐵路群路基的保護進行研究有著重要的現實意義。

一、路基在盾構隧道施工過程中受到的影響

盾構隧道下穿鐵路路基的施工過程中，不可避免會對鐵路路基、軌道等產生結構方面的變形，而究其原因，主要有以下幾個方面：

第一方面，由于開挖面應力釋放引起彈塑性變形，使得地層反力大小與分布產生變化；第二方面，在施工過程中，地下水位下降等一系列變化引起了有效覆土層壓力增加，導致了固結沉降，導致垂直土壓力增大；第三方面，由于正面土壓力過大，產生的土壓荷載引起的彈塑性變形[2]；第四方面，由于盾構推進，對于周圍土體造成擾動，使得周圍土體出現結構變化，引起一系列的彈塑性下沉、蠕變沉降等，進而導致土體對樁基反作用力大小與分布的變化（見圖1）；第五方面，在下穿施工期間，由于路基及軌道本身的穩定性以及列車的不間斷運行，施工的影響不再是單一性質，在振動荷載的影響下，還會產生交叉影響；第六方面，施工工藝的影響，在開挖過程中，沒有采取措施保證開挖工作面穩定，很容易產生沉降問題，尤其是針對一些軟弱富水地層，工作面自穩能力差，盾構下穿施工極易發生掌子面涌水和失穩，因此需要結合現場的實際情況選擇合適的施工工藝[3]；第七方面，推進速度影響，事實上，沉降具有時空效應，工作面推進速度越快，各個工序的時間也會隨之縮短，隧道進行開挖裸露的時間減少，有利于對于地層的變位進行調整。

圖1 盾構隧道施工擾動示意圖

總之，盾構隧道施工會引起一系列的外部條件產生變化，會使鐵路路基和軌道道床受到影響，產生下沉或者傾斜等變化。由于影響因素比較復雜，導致路基出現變形的原因也有很多種，有時不僅僅是單一因素的影響，也存在多種因素的交叉影響。具體的影響程度需要結合工程地質條件、隧道的埋深、下穿位置關系、路基及軌道道床本身的結構形式以及強度等內在因素（包括界面的形狀、變形特性以及連接形式等）確定。

二、我國盾構隧道下穿鐵路群路基的保護措施

在隧道的施工方法中，盾構隧道近些年在我國的隧道施工中得到了廣泛的運用，因為相對于其他的隧道施工方法來說，盾構隧道對于地層的影響更小。也正是由于盾構隧道本身的優勢，為了能更好的發揮其作用，很多學者都對于盾構隧道下穿鐵路群路基的保護措施進行了研究。現階段，盾構隧道下穿鐵路群路基的保護通常會主動采用一些施工的控制措施，例如穿越前設置試驗段，優化盾構掘進參數，控制盾構掘進姿態，避免不必要的糾偏作業，及時注漿，加強跟蹤監測等，另外，在一些實際工程案例中，克泥效工法得到了廣泛的應用[3]。克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強調整劑兩種液體分別以配管壓送到制定位置，再將兩種液體以適當的比例進行混合，形成高黏度的塑性膠化體后，再通過徑向孔進行注入。混合后的流動塑性膠化體不易受水稀釋，可以進行軟硬的調整，并且其黏性不會隨著時間變化而產生變化。其優勢在于，混合后的液體呈粘稠狀，可以及時填充盾構機掘進引起的盾體與土體的間隙，受由于克泥效具有較高的抗沉陷性以及粘稠性能，能夠有效抵抗圍巖的變形，從而達到抑制地表沉降的目的。克泥效工法目前在盾構隧道下穿重大風險源時，對地面的沉降及結構變形控制要求嚴格的工程中廣泛采用，如北京地鐵14號線下穿既有線工程、淮安東站地鐵隧道下穿鐵路路基工程都有應用，并且控制效果顯著。

除此之外，盾構隧道在穿越鐵路施工時，根據現場不同的環境條件還會采取以下措施，包括地基加固措施、扣軌加固措施以及復合地基加固措施等。

（一）地基加固措施

針對于地基加固措施來說，方法有很多種，包括旋噴樁、MJS、洞內深孔注漿等[4]。

旋噴樁地基加固技術，是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆至土層的預定位置后，利用高壓設備使漿液成為高壓水流從噴嘴中噴射出來，對于土體造成沖擊破壞，同時，鉆桿會以一定的速度向上提升，將漿液與土粒強制攪拌混合，當漿液凝固后，會在土中形成固結體。通過利用旋噴樁地基加固技術進行地基加固工作，施工比較方便，且施工工藝簡單，地基加固見效快，耐久性好，施工工期短，并且采用旋噴樁加固樁前地基能夠顯著提升其側向抗力，有效抑制樁身水平變形的情況出現。該地基加固技術主要適用于軟土層厚度比較大、沉降控制困難或者有其他技術要求（例如鐵路橋）的地基加固。

MJS工法是將高壓水力噴射切割技術與化學注漿技術相結合，形成加固地基的施工方式[5]。在施工的過程中，會利用噴射器將高壓水泵送入到地基土中，在噴射的范圍內進行切割，對于原狀的土體進行破壞，同時將固化的材料以液態的方式或者干態方式噴入到破壞的土體縫隙中與土體攪拌，噴入的漿液與原狀土混合，形成新的土體混合結構。MJS工法的優點在于可以進行水平、傾斜、垂直等各個角度各個方向的施工，特別是其固有的排漿方式，使得在富水土層、需進行孔口密封情況下進行水平施工變得安全可行。其缺點在于施工工藝復雜，施工效率低，且施工成本更高，這些缺點也決定了MJS工法更加適用于環境復雜、變形要求嚴格的工程。

洞內深孔注漿是通過外界壓力將漿液壓入到土體中，經滲透及劈裂作用，使土體粒子間的水或空氣被強行排擠出加固范圍之外，并且填充土粒之間的空洞、孔隙，利用膠凝材料將周圍的土粒膠結為一個整體，改善土體的物理力學性能，提升土體強度和地層的整體穩定性，降低地層的滲透性，阻斷地下水滲透的通道，從而保證地基的穩定，保證施工及周圍環境的安全。使用該施工方法，投入的機械設備較少，工期比較短，并且注漿材料水泥用量不大，投入勞動力較少，能夠有效降低工程的成本[6]。

（二）扣軌加固措施

扣軌加固技術是會把短橫穿扣軌梁作為原有線路上的軌枕，放在縱向扣軌梁上，作為主梁來承擔橫穿軌道傳來的線路荷載，再把荷載向支墩傳遞。在縱向扣軌梁于短橫穿扣軌梁一般會采用工字鋼、D型梁或者鋼軌。支墩則一般采用人工挖孔的素混凝土樁，會設置在兩條軌道之間。扣軌加固措施主要適用于對于運營鐵路設施的保護，這種措施非常的安全可靠，由于受力點被擴散的比較均衡，在盾構隧道的施工過程中不會影響到列車的運行，但是進行加固的過程中，對于道床的破壞會比較大。

（三）復合地基加固措施

復合地基加固技術主要是會在天然的地基中設置加筋材料，而加固區主要會采用基體和增強體這兩部分組成的復合地基。結合地基中增強體的方向，還可以把增強體區分開來，分為水平增強體和豎向增強體地基[7]。水平增強體主要是加筋土地基，也就是混凝土板，豎向增強體地基則是主要采用樁基。復合地基的樁體形式分為以下幾種:第一種是微型鋼管灌注樁，是由鋼管和混凝土組合成的，樁上的荷載由鋼管和混凝土一同承受;第二種是樹根樁，也叫微型樁，主要是進行就地灌注，形成小直徑的鋼筋混凝土樁，可以豎向或者斜向設置，在分布上來看，就像是樹根一樣;第三種是注漿樁，這種施工工藝的種類比較多，一般分為前處理注漿和后處理注漿。由于盾構隧道穿越既有鐵路路基時，對既有鐵路路基加固往往受現場環境因素的制約，施工難度一般比較大，且采用復合地基加固技術投入的費用也相對較高，因此一般應用比較少。但是，若能統籌鐵路與隧道的施工，復合地基加固方案可以為遠期的盾構穿越預留一定的條件，后期盾構的施工對鐵路的影響會有明顯的降低。

結束語

在盾構隧道下穿鐵路群路基的施工過程中，不可避免地會給路基和軌道結構造成一定的沉降和變形影響，不利于保護鐵路運行的安全，也會帶來一定程度的安全隱患。因此，對于盾構隧道下穿鐵路群路基的保護工作尤為重要。而我們通過對盾構隧道下穿鐵路群路基的保護措施的深入研究，充分發揮施工技術的優勢，并結合工程現場的實際情況輔以一定的輔助措施，將鐵路路基和軌道結構的沉降變形維持在允許的指標范圍內，從而保障盾構隧道穿越過程中鐵路路基的穩定和安全，為列車的正常穩定運行提供良好的條件。