粉質砂土層盾構隧道下穿既有運營鐵路施工技術研究

李東陽

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概況

1.1 設計情況

北京地鐵6號線二期工程物資學院站-北關站區間設計里程為K32+377.8-K34+741.6，采用盾構法(?6.25 m的土壓平衡盾構機)施工。該盾構下穿京承鐵路通縣西-張辛區間上下行線，與京承鐵路交角為62.5°，盾構埋深為軌道下16.66 m；右線盾構與鐵路相交處鐵路里程為京承線下行K20+048.3，左線盾構與鐵路相交處鐵路里程為京承下行線K20+064.5，下穿京承鐵路保護區域為80 m。

1.2 工程地質

勘探最大孔深49 m深度范圍內所揭露地層，按成因年代分為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q41al+pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)等三大層，按地層巖性進一步分為8個小層。下穿京承鐵路隧道地質主要為粉質粘土④層，局部有透鏡式粉土層④2層，斷面底部主要為粉細砂⑤層，如圖1所示。

圖1 下穿地段右線地質縱斷面

1.3 水文地質

本段線路賦存四層地下水，地下水類型分別為上層滯水(一層)、潛水(二層)、承壓水(三層)和承壓水(四層)。

1.4 工程難點

(1)下穿的京承鐵路為正在通車的電氣化復線鐵路，必須確保通行列車的運行安全，盾構穿越施工時的保護標準要求很高。

(2)盾構下穿區域掌子面主要為粉質粘土，局部夾雜粉細砂，地下水控制不當會發生水砂齊涌的潛蝕、管涌、流砂等危害，圍巖極易坍塌變形。推進時盾構姿態稍有改變就會對周圍的土體產生影響，從而對控制地面的沉降造成很大困難。

(3)京承鐵路路基沉降控制標準高，軌面沉降最大值不能超過10 mm，路基最大隆起不得超過5 mm。

2 運營鐵路線路防護

2.1 路基注漿加固

為保證盾構下穿鐵路路基的穩定及行車安全，對盾構影響范圍內的路基進行注漿加固處理。路基注漿加固區域范圍為線路中心外寬5.0 m，路基下高2.0～5.0 m，長度46.2 m，如圖2所示。

圖2 路基注漿加固平面

2.1.1 小導管制作

注漿用小導管采用壁厚3.5 mm的?48 mm熱軋無縫鋼管，管身布設?8 mm溢漿孔，孔間距150 mm，沿管身梅花狀布置。管頭100 mm范圍設30°錐體，管尾500 mm長不開孔，作為止漿段。

2.1.2 漿液制備

漿液采用雙液水泥-水玻璃漿，配合比根據現場試驗進行實時動態調整[1]，按要求的比例同時注入雙液混合器內使其充分混合。A液，水∶水玻璃=1∶1，水玻璃濃度40 °Be′；B液，水∶水泥=1∶0.8；A液∶B液=1∶1。

2.1.3 注漿施工

每組孔分別由A(孔深7.5 m)、B(孔深7.5 m)、C(孔深8.0 m)、D(孔深8.0 m)、E(孔深9.5 m)、F(孔深9.5 m)、G(孔深10 m)和H(孔深10 m)8個孔組成，角度如圖3所示。注漿孔直徑?70 mm，注漿擴散半徑0.8 m，注漿凝結時間30 s～60 min。單側注漿作業面上，注漿孔豎向間距400 mm，沿線路縱向間距800 mm，每行前后錯開200 mm。

圖3 路基注漿加固斷面

注漿順序為從外到內，采用隔孔跳注。為減少注漿施工對行車安全的影響，在線路兩側對稱布置注漿設備[2]。通過外圍先注漿，調整凝結時間，有效控制跑漿、冒漿、漏漿的發生，提高加固效果。

2.1.4 注漿壓力控制

注漿過程中，如果注漿壓力過高，可能會導致軌道隆起，反之則無法達到填充目的。因此將軌道外側及附近注漿壓力控制在0.3 MPa左右，孔內壓力控制在0.5 MPa左右，最終壓力穩定15 min后，即可結束該孔注漿施工。

2.1.5 注漿效果檢測

(1)注漿后土體單軸抗壓強度應達到0.7 MPa，并通過取芯檢查注漿效果。

(2)采用雷達對路基注漿區域進行實際注漿效果檢查，防止鐵路線下出現空洞，影響鐵路運輸安全。

2.2 線路加固

線路加固長度100 m，加固采用3-5-3扣軌加固法。加固段全換成長木枕，木枕規格200 mm×220 mm×3 000 mm，并在軌底增設木墊板，以加固軌面。

2.2.1 抽換木枕

在線路加固范圍內將混凝土枕更換為木枕，采取隔六換一方式從隧道中線部位向兩側對稱進行。更換木枕后應先振搗密實，再更換相鄰的鋼筋混凝土枕，更換完成后對線路進行全面檢查。

2.2.2 鋪設吊軌

組裝型式為3-5-3扣設吊軌，鋼軌(50 kg/m)接頭錯開1.0 m以上。采用?22 mmU型螺栓將吊軌與其下的枕木連接在一起[3]。

3 下穿京承鐵路的盾構施工技術

盾構左右線K33+150-K33+230處下穿京承鐵路，盾構管頂覆土約為13 m。下穿京承鐵路主要施工控制措施是盡量減少隧道施工對地層的擾動，減少盾構施工引起的沉降，優化施工參數，保持勻速、平穩推進。盾構下穿京承鐵路施工的主要參數為：推力6 000～8 000 kN；扭矩1 000～1 500 kN·m；刀盤轉速0.8～1.0 r/min；土倉壓力1.3～1.5 bar；螺旋機轉速10～15 r/min；注漿壓力1.8～2.5 bar；注漿量4～5 m3/環。

3.1 壓力控制

3.1.1 土壓力

根據下穿段京承鐵路下方的地質條件，將盾構掘進土壓力控制在0.13～0.15 MPa，確保土倉壓力與開挖面水土壓力平衡，不產生過大波動，并根據物北區間優化段的掘進參數，對土壓力進行調整。

3.1.2 注漿壓力

綜合考慮注漿處、后方及開挖面來水的水壓力，在注漿處水土壓力基礎上提高0.01～0.02 MPa，漿液不得進入土倉，擠壓管片，避免因注漿壓力過大而隆起[4]。

3.2 出土量控制

盾構開挖過程中嚴格控制出土量，不得大于理論開挖碴土量[5]。掘進過程中，觀察并記錄碴車的裝載量，嚴禁出土超量。一旦發現問題，立即采取措施處理。推進500～520 mm出1斗土(土斗容量17 m3)，推進1.2 m出土量控制在39～43 m3，即推進1.2 m出2.4斗土。

3.3 掘進姿態控制

盾構隧道軸線控制是下穿京承鐵路施工的重要環節。為了控制隧道軸線的方向，建立了嚴格的人工測量和自動測量控制系統，通過系統配備的導向、自動定位、掘進程序軟件和顯示器動態顯示盾構機當前位置與隧道設計軸線之間的偏差和趨勢，對盾構姿態進行監測。盾構掘進姿態控制調整應控制在±4 mm范圍內，不宜過大過頻，應減少偏差修正，避免對土體的超挖和擾動。

3.4 同步注漿

根據盾構施工經驗，同步注漿采用單液漿(水泥采用42.5抗硫酸鹽水泥)。在地層自穩性較好和風險源地段(漿液固結時間要求快速)，分別采用不同配比(具體如表1所示)。同步注漿壓力控制在0.16～0.18 MPa。

表1 同步注漿材料配比 kg

同步注漿速度與掘進速度應相匹配，平均注漿速度應根據盾構完成一環掘進時間內完成當環注漿量來確定。

3.5 二次注漿

二次注漿應從第一環開始，直至穿越風險源結束。通過管片中部的注漿孔補充同步注漿的未充填部分和體積縮小部分，從而減少盾構機穿越后土體的后期沉降，降低隧道的防水壓力，提高止水效果[6]。

(1)每一環都進行二次注漿，脫出盾尾10環后開始對管片進行二次注漿。

(2)注漿區域為隧道頂部兩側的管片，即3點至10點之間。

(3)二次注漿量為0.3 m3，注漿量要根據現場實際監測數據進行調整，補漿壓力3 bar(1 bar=0.1 MPa)，以注漿壓力控制為主。配合比為：A液，P.O42.5水泥∶水=750∶500(kg)；B液，水玻璃∶水=115∶250(kg)。

(4)二次注漿時當滿足壓力或注漿量兩個條件之一時，立即停止補漿，防止壓力過大造成隆起。

4 施工效果分析

4.1 路基加固效果

采用地質雷達對鐵路路基加固注漿進行效果檢查，注漿效果如圖4所示，穿越段鐵路路基加固密實，不存在空洞現象。對注漿地段進行取芯檢查，注漿前后取芯對比如圖5所示。

圖4 地質雷達掃描效果

圖5 鐵路路基注漿前后取芯對比

4.2 穿越段沉降監測

通過對穿越段區域進行監測，形成沉降曲線，如圖6所示。可以看出，最大沉降值為2.36 mm，滿足軌面沉降最大值不能超過10 mm的要求。

圖6 沉降監測曲線

5 結束語

經過4 d施工，盾構成功穿越京承鐵路，整個下穿過程平穩連續，極好的控制了京承鐵路路基沉降，確保了京承鐵路安全運營，提前5 d實現了成功穿越京承鐵路的目標。