地鐵區(qū)間盾構(gòu)多次下穿鐵路營業(yè)線施工技術(shù)研究

占凡

（中鐵二局集團有限公司城通分公司，四川 成都 610036）

盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為城市地鐵隧道工程施工中應(yīng)用較廣的一種施工方法，該方法具有施工速度快、安全性高、對周邊環(huán)境影響小等特點，廣泛應(yīng)用于地鐵區(qū)間隧道施工。又特別是在老舊城區(qū)施工過程中，采用盾構(gòu)施工穿越各種重要建構(gòu)筑物成為一種常態(tài)。本文通過某盾構(gòu)區(qū)間左右線多次成功長距離下穿鐵路為實例，保證了鐵路正常運營和施工安全，下文對施工過程的技術(shù)措施進行闡述。

1 工程概況

此次下穿鐵路盾構(gòu)區(qū)間為雙線地鐵隧道，區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑410 m、最大縱坡28‰、盾構(gòu)區(qū)間隧道頂埋深17.05～30.8 m，盾構(gòu)外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，采用中鐵裝備盾構(gòu)機進行施工。

1.1 鐵路簡介

道床及軌枕形式如下：下穿范圍段鐵路道床為碎石道床，由具有一定粒徑、級配和強度的硬質(zhì)碎石堆集而成；軌枕為混凝土。最高運行速度為城際200 km/h。

1.2 下穿鐵路位置關(guān)系及主要鐵路設(shè)施

鐵路位于地鐵區(qū)間以410/430 m曲線半徑上，第一次下穿鐵路3條鐵路股道及渡線道岔，另包括4個信號燈、2個道岔機、4根接觸網(wǎng)立柱等相關(guān)設(shè)備設(shè)施，如圖1所示；第二次下穿鐵路2股道及側(cè)穿一座鐵路橋、7根接觸網(wǎng)立柱，如圖2所示。左線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.7 m（第二次下穿凈距27.6 m），右線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.0 m（第二次下穿凈距28.4 m）。

圖1 第一次穿越平面位置關(guān)系

圖2 第二次穿越平面位置關(guān)系

1.3 下穿鐵路地質(zhì)情況

穿越鐵路段盾構(gòu)隧道頂埋深為25.0～28.4 m，左右線地層主要為<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖層強度為5.4～15.7 MPa；<7-3>強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖層強度為1.0～3.4 MPa。

2 技術(shù)重難點及應(yīng)對措施

該鐵路區(qū)間無法進行地質(zhì)勘察，勘察資料缺失，無法準(zhǔn)確判斷該段地質(zhì)情況，在盾構(gòu)掘進過程中缺乏指導(dǎo)性，存在盲目性。針對此情況，需要做到以下2點：①分析周邊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，為單斜構(gòu)造，覆蓋層為人工填土，下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖等，地內(nèi)無塌陷、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)體存在，綜合判斷穩(wěn)定性較好，根據(jù)隧道埋深判斷為強風(fēng)化或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；②在掘進過程中對渣樣進行分析，判斷地層情況。

城際列車以200 km/h高速通過，對沉降極為敏感，控制軌道沉降差極為重要。可通過試驗段總結(jié)掘進參數(shù)，采用同步漿液量和壓力雙控指標(biāo)、每環(huán)采用雙液漿進行補漿、每隔8環(huán)注止水環(huán)箍等措施控制沉降，同時采用AB料新技術(shù)控制沉降，申請對過站列車進行限速[1]。

鐵路絕大多數(shù)時間處于正常運營狀態(tài)，對軌道沉降監(jiān)測存在一定困難，鐵路運營期間非鐵路人員不得進入軌道范圍內(nèi)。鐵路部門配合檢查線路軌距、水平、方向等幾何尺寸，較大變形一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立即糾正；較小變形可利用夜間時段進行調(diào)整修復(fù)，避免沉降積累[1]。如變形繼續(xù)加大，立即改道，盾構(gòu)停機保壓，查找原因等措施；測量人員在軌枕上、路基上布置監(jiān)測點，在高架橋、屋頂?shù)雀呖瘴恢脤ζ溥M行監(jiān)測。

3 施工前準(zhǔn)備

3.1 技術(shù)準(zhǔn)備

3.1.1方案編制審批

在穿越鐵路之前，編制《盾構(gòu)下穿鐵路專項施工方案》，組織專家評審；下穿前檢查刀具，做好盾構(gòu)機維護保養(yǎng)和刀具檢查更換，確保連續(xù)不間斷穿越；與鐵路相關(guān)部門聯(lián)動，采取測量巡視及列車限速措施；施工區(qū)間分為試驗段、穿越段和保護段，利用試驗段充分驗證掘進參數(shù)的可實施性，掌握不同參數(shù)和地面沉降之間關(guān)系，確保穿越段參數(shù)最佳。

3.1.2 AB料新材料新技術(shù)引進

在穿鐵前，引進漿液AB料，AB料屬于一種漿液的促凝劑。使用時A料可直接混合于正常的同步漿液中，B料需溶于水形成B液，在同步注漿時，將B液新增管路至盾尾與同步注漿管聯(lián)合。下穿鐵路時，同步漿液在AB料的輔助加持下縮短了漿液初凝時間，增加了漿液凝固后的強度，對抑制地表沉降起到了良好的作用。A、B料分別如圖3、圖4所示。

圖3 A料

圖4 B料

3.1.3 施工監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容為試驗段、穿越段和保護段范圍，即沿隧道方向到達鐵路圍墻前60 m到盾尾脫離圍墻20 m范圍。

本次穿越鐵路施工監(jiān)測主要分為自動化監(jiān)測、人工監(jiān)測和鐵路工務(wù)巡查檢修。自動化監(jiān)測按照圖紙實施，與此同時在盾構(gòu)下穿前，在鐵路股道旁、道岔旁、鐵路路基等位置提前清點，之后在旁邊的高架橋、鐵路人行天橋或是在鐵路旁居民2層房屋樓頂上采用全站儀進行監(jiān)測。同時鐵路監(jiān)測由工務(wù)段利用天窗點進行測量。鐵路測點布置如圖5所示。鐵路變形控制值如表1所示。

圖5 鐵路測點布置圖

表1 鐵路變形控制值

當(dāng)實際變形值達到控制值的80%，即為監(jiān)控的報警值，發(fā)出預(yù)警，達到控制值時發(fā)出報警，當(dāng)首次報警后，若測點以較大速度繼續(xù)變形，視情況繼續(xù)報警并加大監(jiān)測頻率。

3.1.4 開倉檢查

為確保穿越鐵路過程中刀具正常可控，在全數(shù)檢查刀具磨損和刀箱情況后，提高中心刀和面刀更換標(biāo)準(zhǔn)至8 mm，并根據(jù)刀具布設(shè)位置針對性地進行更換，清理刀盤上的泥餅，確保順利下穿運營鐵路。

3.1.5 技術(shù)交底

在到達試驗段前，將組織項目部和現(xiàn)場全體人員進行交底，使其詳細(xì)了解穿越的平縱斷面關(guān)系、下穿的具體環(huán)數(shù)、地質(zhì)情況、施工組織計劃和安全、技術(shù)措施等。

3.1.6 物資儲備

提前配備優(yōu)質(zhì)的進口巴斯夫泡沫劑和康達特的盾尾油脂，在下穿鐵路的穿越段使用，保證渣土改良和盾尾密封效果。

3.2 穿越前的施工組織

此次地鐵區(qū)間下穿鐵路施工主要分為施工前準(zhǔn)備、試驗段、穿越段和保護段幾個階段。左右線需分開穿越，左線先行下穿，在左線盾尾脫出保護段后，對鐵路影響范圍進行系統(tǒng)的壁后補償注漿，同時在確定鐵路設(shè)施的安全狀態(tài)良好后再進行右線隧道的掘進施工。

3.3 下穿鐵路數(shù)值分析

3.3.1 分析思路

應(yīng)用MIDASIT公司的GTS巖土與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，采用地層-結(jié)構(gòu)模型模擬分析隨著盾構(gòu)掘進，地表沉降和變形，評估地鐵施工對既有鐵路的影響。

3.3.2 計算模型

計算模型尺寸為150 m（長度）×100 m（寬度）×50 m（地面以下深度），如圖6所示，地層采用實體單元模擬，盾構(gòu)管片采用板單元模擬。劃分網(wǎng)格時，采用混合網(wǎng)格生成器，管片和開挖土體單元尺寸取1 m，其余單元尺寸取2 m。盾構(gòu)區(qū)間與既有鐵路空間位置關(guān)系如圖7所示。

圖6 計算模型

圖7 盾構(gòu)區(qū)間與既有鐵路空間位置關(guān)系

3.3.3 巖土參數(shù)

巖土參數(shù)如表2所示。

表2 巖土參數(shù)

3.3.4 工況分析

上述盾構(gòu)開挖區(qū)域所屬地層為<8-3>中風(fēng)化巖，盾構(gòu)掘進過程中，考慮左右線錯開180 m距離。初始狀態(tài)如圖8所示。各開挖工況位移統(tǒng)計如圖9所示。

圖8 初始狀態(tài)

圖9 各開挖工況位移統(tǒng)計

3.3.5 數(shù)值分析結(jié)論

根據(jù)不同工況數(shù)值分析，盾構(gòu)掘進對股道的最大沉降未超過5 mm，滿足要求。

4 下穿鐵路技術(shù)和管理措施

4.1 掘進參數(shù)管控

4.1.1 參數(shù)預(yù)警

參數(shù)預(yù)警如表3所示。下發(fā)異常參數(shù)預(yù)警表，不得超過規(guī)定限值。

表3 參數(shù)預(yù)警表

4.1.2 試驗段參數(shù)設(shè)置

鐵路段平均埋深26 m，地質(zhì)整體為<7-3>強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，采用“半倉土，氣壓輔助掘進”模式，與全倉土壓模式相比，半倉土具有減小盾構(gòu)負(fù)荷、減慢刀具磨損、降低渣溫的優(yōu)點，保護刀盤處于良好的工作狀態(tài)是順利穿越鐵路的關(guān)鍵。

“半倉土，氣壓輔助掘進”模式主要是自然空氣注入到土倉內(nèi)來平衡掌子面的壓力。氣源主要為隧道自然空氣，通過空壓機注入量來調(diào)節(jié)倉內(nèi)壓力，通常為泡沫劑和空氣混合物。該模式主要通過頂部和掌子面的地質(zhì)條件來確定倉內(nèi)渣土界面高度；頂部為富水砂層及淤泥土，不使用該種模式；頂部為可塑狀黏土且具有短時穩(wěn)定能力，倉內(nèi)渣土超過土倉高度1/2；頂部為穩(wěn)定巖層，倉內(nèi)渣土液面高度不應(yīng)低于1/3，為了保持螺旋機出土需要，也為了防止地質(zhì)突變帶來風(fēng)險，在掘進過程中不宜頻繁改變渣土面高度[2]，避免對掌子面形成負(fù)壓，從而引起坍塌。

通過整理穿鐵試驗段掘進參數(shù)，并根據(jù)各種類似地層進行對比分析，擬定了穿越參數(shù)，如表4所示。

表4 掘進參數(shù)

4.1.3 穿越段、保護段參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化

在試驗段掘進十分順利的情況下，將試驗段參數(shù)應(yīng)用到穿越段以及保護段，在第一次成功穿越完成后及時總結(jié)參數(shù)，為后續(xù)3次穿越提供數(shù)據(jù)，并且每日根據(jù)不同的地層、地下水及監(jiān)測等情況，每日下發(fā)盾構(gòu)管控掘進指令單動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)。

穿越過程中加大地面巡查至每1 h一次，嚴(yán)格控制出土量，并采用方量計算以及龍門吊稱重進行核算。每環(huán)采集渣樣2次，測量渣溫2次，并及時反饋給地面。如發(fā)現(xiàn)渣溫過高，需及時調(diào)整渣土改良參數(shù)，防止刀盤結(jié)泥餅。如渣溫過高未及時調(diào)整參數(shù)，在泥質(zhì)粉砂巖掘進中刀盤容易結(jié)泥餅，使刀盤扭矩變大，刀具磨損加快，刀具易偏磨，速度變慢，掘進效率降低，容易引起較大的沉降。

4.2 姿態(tài)調(diào)整

穿越段平面線性為曲線段，縱斷面為28%的下坡，盾尾間隙單側(cè)為35 mm，為保證穿越鐵路的安全及成型隧道質(zhì)量，盾構(gòu)水平姿態(tài)控制在﹣30～﹣20 mm以內(nèi)；考慮到管片后期上浮等情況，垂直姿態(tài)控制在﹣40～﹣30 mm以內(nèi)，以此嚴(yán)格要求盾構(gòu)機掘進，有效減小盾構(gòu)機對地層的擾動。同時堅持“勤糾、緩糾”的原則，每環(huán)姿態(tài)不宜變化過大，每環(huán)調(diào)整量在5 mm以內(nèi)，同時根據(jù)管片姿態(tài)測量的情況調(diào)整掘進方向。

4.3 渣土改良

在穿越鐵路過程中，為保證最好的渣土改良效果，選用進口的巴斯夫牌泡沫劑，測泡沫發(fā)泡效果、發(fā)泡倍率、持泡時間，并明確當(dāng)渣溫大于34℃時預(yù)警。渣土改良配比如表5所示。

表5 渣土改良配比表

4.4 出土量控制

每掘進1環(huán)進尺的理論出土量為：V=L×πd2/4=46.4 m3，根據(jù)前期掘進經(jīng)驗和查閱《建筑施工手冊》，泥巖類取松散系數(shù)k=1.40～1.45（65～67 m3）比較合理，每掘進1環(huán)進尺的出土量應(yīng)控制在65 m3。

掘進出土管控由方量控制、質(zhì)量控制、行程控制3方面進行控制，并相互佐證：①方量控制。每掘進1 500 mm，<7>號地層小于60 m3，<8>號地層小于65 m3，<9>號地層小于67 m3。②質(zhì)量控制。每掘進1 500 mm，<7>號地層小于120 t，<8>號地層小于130 t，<9>號地層小于135 t。③行程控制。每箱土（12 m3），<7>號層大于300 mm，<8>號層大于280 mm，<9>號層大于270 mm。

4.5 同步注漿

同步注漿管控由質(zhì)量控制、壓力控制、方量控制3方面進行控制：①質(zhì)量控制。初凝時間根據(jù)地層、地面環(huán)境控制在2～4 h，漿液比例為1.7～1.8，擴展度控制在26～29 cm。②壓力控制。注漿壓力易控制在2～3 bar。③方量控制。注漿方量根據(jù)地層、地面環(huán)境考慮，根據(jù)中鐵裝備盾構(gòu)機刀盤外徑算得理論注漿量為V=（π6.282/4－π62/4）×1.5×1.5=6.07 m3，原則上不能低于6 m3，但考慮到損失和地層中有裂隙存在，在下穿鐵路段每環(huán)注漿量加大至7 m3[3]。

在同步注漿的同時啟用AB料，通過試驗段開孔檢查漿液質(zhì)量的實驗得到，當(dāng)每方漿加入A料15 kg、B料20 kg時，同步漿液的初凝時間約28 min，滿足現(xiàn)場施工。同步漿液配比如表6所示。

表6 同步漿液配比表（單位：kg）

隧道掘進過程中，注漿量根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地表監(jiān)測情況進行動態(tài)調(diào)整。每環(huán)的壓漿量大于建筑空隙的150%，注漿壓力漸近增加以滿足注漿量為上限值，原則控制在0.3 MPa。為保證穿越段施工質(zhì)量，項目對同步注漿配合比重新進行試驗，選擇最優(yōu)配合，初凝時間控制在2 h內(nèi)，管片上浮量在20 mm以內(nèi)。測擴展度如圖10所示。壓力控制如圖11所示。

圖10 測擴展度

圖11 壓力控制

4.6 二次注漿

4.6.1 二次跟蹤注漿

為使隧道周圍土體徹底固結(jié)，控制土體后續(xù)沉降，確保鐵路運營安全，在盾構(gòu)掘進的時候不斷進行二次跟蹤注漿，管片脫出盾尾第10～12環(huán)附近頂部開孔，采用純水泥單液漿，水灰比為1∶1時進行二次注漿。

4.6.2 環(huán)箍設(shè)置

為提高同步注漿質(zhì)量，避免已成環(huán)管片背后的地下水大量涌入土倉，每隔8環(huán)對管片背后進行整環(huán)二次注漿，形成一個由凝固雙液漿構(gòu)成的止水環(huán)，截斷管片背后來水。采用雙液漿，初凝時間30 s以內(nèi)，注漿壓力控制值在0.5 MPa以下。

4.6.3 工后補償注漿

在盾尾脫出鐵路保護范圍后，對整個穿越范圍的管片壁后每3環(huán)頂部開孔，進行一次系統(tǒng)的工后補強注漿，控制隧道后期沉降，再次確保運營線安全。采用純水泥單液漿，注漿壓力控制值在0.6 MPa以內(nèi)[4-5]。

4.7 盾尾密封

盾尾密封雙控原則為質(zhì)量控制、壓力控制。

油脂量控，根據(jù)掘進速度變動，為保證盾尾密封質(zhì)量,在盾構(gòu)下穿鐵路段加強盾尾油脂的注入[3]，原則上每環(huán)質(zhì)量不小于45 kg，增加至60 kg。注入壓力，盾尾油脂靜止壓力不小于3 bar。管片粘貼海綿條及丁基橡膠薄板，能有效防止盾尾漏水、漏漿、漏氣，同時控制同步注漿的壓力。輔助措施如圖12所示。

圖12 輔助措施

4.8 盾構(gòu)掘進參數(shù)預(yù)警制度控制

嚴(yán)格控制出渣量，每環(huán)掘進完成后出渣量大于規(guī)定值的±2 m3，門吊承重大于規(guī)定值的5 t，確保運營鐵路安全；每環(huán)檢測渣溫至少2次，渣溫34℃時為警戒值，當(dāng)渣溫達到警戒值或每環(huán)溫度變化超過3℃時，立即分析判斷原因并采取措施；每環(huán)同步注漿有效注漿量保證在7 m3以上，同時確保注漿管路暢通，一旦出現(xiàn)2根以上管路堵塞時，必須立即保壓停機進行疏通。

5 穿越成果

區(qū)間左右線盾構(gòu)按計劃先后2次順利下穿鐵路，未發(fā)生長時間停機等異常情況，成功安全、快速、連續(xù)、順利地下穿鐵路，成果如下：①左線下穿鐵路。第一次歷時6 d，下穿鐵路91.5 m，平均每天12.25 m；第二次歷時11 d，下穿鐵路138 m，涉及92環(huán)，平均每天12.5 m。最大沉降為﹣4 mm，未出現(xiàn)監(jiān)測報警情況。②右線下穿鐵路。第一次歷時7 d，下穿鐵路138 m，平均每天19.7 m；第二次歷時11 d，下穿鐵路112 m，平均每天10.2 m。最大沉降為﹣7 mm，未出現(xiàn)監(jiān)測報警情況。

6 總結(jié)及建議

在城市中進行盾構(gòu)施工時，尤其是老舊城區(qū)中，由于周邊環(huán)境極其復(fù)雜，區(qū)間隧道線路受到車站站位以及周邊建構(gòu)筑物的影響，不可避免地將下穿眾多重大風(fēng)險源。盾構(gòu)成功下穿4次鐵路，得出以下結(jié)論及建議。

穿越區(qū)段坡度為28‰大縱坡，地下水向掘進方向匯集稀釋同步漿液且存在盾尾同步漿液流失現(xiàn)象，采用AB料這種新技術(shù)可縮短同步漿液初凝時間，減少同步漿液流失控制地面沉降效果明顯；采用自動化及人工測量相結(jié)合的監(jiān)測手段，能快速獲取沉降信息，為調(diào)整掘進參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐；合理的施工組織措施能實現(xiàn)盾構(gòu)快速、勻速穿越，避免長時間停機引起地面沉降；加強信息共享，下穿運營鐵路這種重大風(fēng)險需要同鐵路部門加強信息共享，確保鐵路運輸安全。