地鐵盾構隧道下穿鐵路框架橋沉降控制技術

李盤石

中鐵十六局集團地鐵工程有限公司

1 工程概況

杏濱站～內茂站區間起訖里程為右YDK11+219.819～YDK11+821.499、左ZDK11+219.819～ZDK11+821.499。區間隧道右線長度為599.482m，左線長度為593.102m，其中左線短鏈為8.578m，右線短鏈為2.198m。本區間結構覆土范圍為9.98m～14.28m，穿越鷹夏鐵路框架橋及內茂立交橋，區間采用盾構法施工，盾構始發、接收場地由相鄰車站提供，區間無設置聯絡通道。

2 穿越段風險預估

首先綜合考慮此次施工會出現的各種意外，提前預判，根據各種可能存在的問題制定應急方案再正式開始盾構穿越施工。表1為列舉出的問題和對應的方案：

表1 可能遇到的主要問題及處理措施

3 沉降控制

3.1 控制掘進參數

（1）土倉壓力：隧道覆土厚度9.98m～14.28m，地下水位埋深1.90m～3.50m，標高2.34m～5.21m，浮動水位1m～3m。計算土壓時依據計算淺埋隧道的土倉壓力的方式。

（2）總推力控制在1200t～1400t；降低推進速度，控制在20mm∕min～30mm∕min；扭矩≤2000kN·m；刀盤轉速控制在0.8rpm～1.0rpm。為了讓地面盡可能不發生變形，降低土體被盾構的擾動。

依據監測到的數據及時反饋，從而調整推進的相關參數，保證掘進高效進行，當發生圍巖突變的意外事件時，由盾構司機及時詳細反饋推進情況，以便專業人員調整參數。

3.2 控制出土量

每環理論出土量（實方）為39.55m3∕環。為達到改良土體的目的，加入泡沫劑，由于出土松散系數為1.2，計算可得每環出土量為47.46m3。需將出土量的范圍調整到98%～100%，即46.51m3∕環～47.46m3∕環。推進時配備專業人士控制出渣方量，同時判斷渣土車自身的容量，一般安排工程師觀察即可。11-1殘積砂質黏性土、17-1全風化花崗巖是盾構下穿框架橋區域的兩種主要地質。按照理論計算每環出土重量為85.43t∕環。

3.3 同步注漿控制

同步注漿、二次注漿這兩道工序是盾構穿越施工中控制后期沉降的重要環節，后期變形很大程度上受到漿液注入量、質量以及當時壓力的影響。

（1）注漿量。本工程盾構開挖外徑Φ6480mm，管片外徑φ 6200mm，行程長度為1.2m；每推進一環的建筑空隙為3.34m3；注漿量為（1.3～2.5）×建筑空隙。由此可知，4.44m3～8.35m3是向前推進一環所需的注漿量，一般情況下同步注漿量保持在5m3，具體施工時還要調整。

（2）注漿壓力。加強對盾尾刷的保護，當注漿壓力達到0.3MPa，約等于靜止水壓的1.1～1.2倍。為了防止注漿管因過久停留的漿液出現堵塞現象，應分段進行注漿。

（3）注漿時間。當盾尾脫離管片時結束注漿，同時掘進速度和注漿速度保持在同一狀態。如果不當拖延注漿時間，管片和盾尾會出現脫離現象，此時上部土體會發生突沉，所以應同時把握管片脫片和漿液壓入的時間。掘進時，為了更好地控制沉降，可按照中、前盾徑的方向將膨潤土由注漿孔填入到盾體四周。

（4）漿液配比及性能指標。同步注漿漿液每m3初步配比見表2。

表2 同步注漿配合比（每m3原材及用量）

漿液性能要求：塌落度24cm～26cm；稠度10cm～12.5cm；凝結時間12h～16h；7天強度≥0.15MPa，28天強度≥1.0MPa。以上參數根據施工情況調整。

3.4 保壓掘進，保持盾構開挖面的穩定

當工程進入到鷹廈鐵路時，依據地質參數確定盾構機土倉壓力。應結合推進過程分析理論土壓值和實際所設定的土壓力之間的關系，當土倉壓力控制值提升時，將壓力增加0.01～0.02MPa，依據監測到的沉降結果調整土壓力，實際土壓力不得大于設定值的10%。

3.5 二次注漿管理

當穿越鷹廈鐵路時，為了減少安全事故，依據監測數據展開二次注漿。通常注漿配合比為水玻璃按1∶3稀釋，水泥漿水灰比為1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1，水玻璃模數2.6～2.8，濃度39～48。

通過盾構，開始對添加在管片后的注漿孔進行加固，一般向管片周圍3m范圍展開即可。此時保持0.4MPa的注漿壓力，注漿量每一環均為1m3，注漿時先從隧道頂部開始最佳。該過程中遵循密實填充、少量多次的原則，同時防止地面過渡隆起，對此要隨時監控相關數據。依據同步注漿的具體要求把控二次補漿的質量好壞，施工過程中注意周邊環境，盡量減小對其余建筑物的消極影響。

洞中進行反向掃描，二次漿液的強度達到要求后，先行探測隧道頂120°范圍以內管片背后的詳細注漿情況，通常會用到高頻雷達天線，具體由1條主線、2條輔線組成，便于及時、精準反饋管片四周的漿液密實狀態。當存在脫空時立即補漿。

3.6 渣土改良

土體改良時，具體需要將之前不符合土壓平衡盾構施工切削土的土體通過調整組成進行改良，使該土體方便盾構進行開挖，讓出土更加便捷。通常要求改良后的土體擁有塑性流動性的特征。

（1）土體改良的目的。土體改良后可提升其土壓平衡效果，對地表沉降起到抑制作用；渣土的止水性也會得到提升，從而避免地下水的過多流失；渣土進入土倉的速度有所加快，排土變得更加順利；避免刀盤和渣土之間不當黏結；還有利于組織排土過程中螺旋輸送機的意外噴涌；起到降低刀盤扭矩的作用，此時由于螺旋輸送機的磨損被大大降低，掘進的效率也得到提升。

（2）土體改良的方法。所用的添加劑最好用知名品牌泡沫劑，也可選用品質較高的鈉基膨潤土。泡沫劑添加量的具體指標如下：使用知名品牌土壓平衡盾構機專用泡沫，1∕3≤粉細砂斷面＜1∕2時，添加量≥10kg∕環；1∕2≤粉細砂斷面＜2∕3時，添加量≥12kg∕環；粉細砂斷面≥2∕3時，添加量≥15kg∕環。利用盾構機的泡沫系統注入泡沫。

3.7 姿態糾偏

3.7.1姿態糾偏對地表的影響

對盾構的姿態進行糾偏時受到不同推力的影響，盾構的前進方向呈現曲線，因此會大面積進行開挖，還會導致沉降；該過程中由于軸線開挖面和刀盤之間存在夾角，導致開挖會出現欠挖或超挖，從而導致沉降。糾偏時，如果把縱坡進行數次調整或者過度糾偏，推進軸線便會發生改變，對地層產生影響，變形也會隨之加劇，引來更嚴重的沉降；糾偏時，由于盾構軸線和管片軸線的差異較大，導致管片和盾尾發生脫離，形成間隙，從而對地面沉降造成影響。

3.7.2姿態糾偏控制標準

根據《盾構法隧道施工及驗收規范》（GB 50446—2017）：盾構軸線偏離隧道軸線應≤±50mm。按照下列標準對本工程穿越建筑段進行糾偏，從而盡可能避免由于糾偏引發的地表沉降。

設計軸線和盾構姿態之間的夾角不能超過0.3%，更詳細來說，由于盾構機主機達到了8658mm，計算可得上述兩者的偏差值不能超過26mm（8658×0.3%）。所以掘進段控制盾構姿態應保持在±26mm之間，當然特殊狀態下應留出±24mm的曲線富余量。

進行姿態糾偏時，將千斤頂油壓控制在5MPa以下，而推力不能超過300t。同時盾尾和管片之間的間距不能大于15mm。

3.7.3姿態糾偏控制措施

（1）當施工進展到鷹廈鐵路段時，需要綜合考慮各種信息，包括地質變化、隧道埋深、設計坡度、轉彎半徑、軸線偏差情況、地面荷載、地表沉降、盾構機姿態、刀盤扭矩、千斤頂推力、測量數據等，以便技術人員所下達的指令合理、準確。

（2）將盾構姿態和設計軸線之間的偏差控制在±26mm時才能進行盾構穿越，這樣使得盾尾和管片的間隙符合要求。在操作時司機必須遵守指令，一有誤差立即糾正，防止誤差過大導致糾偏不及，始終把握快速糾偏、高頻糾偏，對于盾構的糾偏量也要符合設計規范。

（3）糾偏時還可通過調整盾構千斤頂組合的方式進行，千斤頂油壓差不能超過5MPa，同時為了避免出現盾構機過分糾偏，即保持在5mm以內，伸出長度應保持在2cm內，該措施還能把土體由推力形成的擾動和擠壓降低到最低。

（4）當姿態處于最佳狀態時，提前預估軸線在前進過程中有可能存在的偏差，方便精準迅速地調整管片和盾構，使管片軸線和盾構軸線始終處于同一條水平線，保證盾構機身和設計線路的夾角不超過0.3%。

（5）認真觀察正面實際土壓的變化情況，仔細把控盾構的出土量，避免出現欠挖或超挖現象。結合監測到的地面沉降調整刀盤轉速，控制盾構機推進的速度。

4 監控量測

盾構掘進施工時隨時監測鐵路和框架橋的情況。結合上述設計思路，盾構隧道穿越既有鐵路的工程順利完成，分析監測數據后發現，完成穿越后的鐵路、框架橋最大下沉了1.69mm，根據相關指標顯示風險源變形也在合理范圍之中。

5 結束語

我國城市發展水平日益提升，軌道交通建設也日漸增多，因此不可避免會出現穿越鐵路的地鐵隧道工程。本文結合實際案例，分析研究地鐵盾構隧道下穿鐵路框架橋沉降控制技術，希望通過研究為相類似工程提供理論和實踐上的幫助。