軟土地區盾構隧道長距離穿越鐵路群組施工技術研究

李曉龍（上海東華地方鐵路開發有限公司，上海 200071）

盾構隧道穿越既有鐵路群組和高鐵時，如何保證既有鐵路和高鐵的運營安全是施工控制的重點，需采取有效的安全技術措施以減小盾構穿越期間的擾動，確保既有鐵路設備穩定。本文以嘉興市域外配水工程盾構穿越鐵路群組和高鐵工程為例，通過盾構掘進試驗、變形監測等手段，確定合理的盾構施工參數，研究解決盾構長距離、小半徑、大埋深、大坡度穿越鐵路群組和高鐵施工時地表沉降控制難題，以期對類似穿越既有鐵路工程的設計、施工提供技術支撐和借鑒。

1 工程概況

1.1 盾構隧道線路概況

嘉興市域外配水工程起點為杭州仁和節點，終點為嘉興市各受水水廠。其中涉鐵工程引水線路標段主要為D 4-1～D 5～D 6 盾構井的供水盾構隧道區間，D 4-1～D 5全長 2957.677 m；D 5～D 6 全長 1900.915 m。線路出D 4-1 盾構井后，先后穿越滬昆鐵路上行線、杭州北車輛段、喬司編組站、滬昆鐵路下行線及滬昆高鐵，然后線路以410 m 半徑曲線隨杭浦高速向東北調整，之后沿著杭浦高速敷設到達 D 5 盾構井。線路出 D 5 盾構井后，沿杭浦高速向東北與滬昆高鐵并行敷設到達 D 6 盾構井。

1.2 盾構隧道穿越鐵路情況

盾構隧道分別穿越普速鐵路和高速鐵路，其中普速鐵路段全長 382.9 m，依次穿越滬昆鐵路上行線 2 股道約25.1 m、杭州北車輛段 17 股道（含道岔）約 170.7 m、喬司編組站出發場出發線 11 股道約 76 m、滬昆鐵路下行線 2股道約 18.1 m；穿越滬昆高鐵段（473、474 號橋墩間）全長 92.4 m。越穿段最小平曲線半徑 300 m，平面夾角為57°～89°，最大坡度為 4.175%，埋深為 25.6～40.0 m。管片襯砌采用標準環＋左右轉彎環襯砌，管片內徑為5500 mm，外徑為 6200 mm，厚度為350 mm，環寬為1200 mm，左右轉彎環楔形量 49.6 mm。該區間具有穿越鐵路線路類型及群組眾多、距離長、大埋深、坡度大、小半徑等技術難點。盾構越穿普速鐵路群組和高鐵時的縱斷面位置如圖 1、圖 2 所示。既有鐵路相關情況見表1。

圖1 盾構隧道穿越既有鐵路群組縱斷面圖

圖2 盾構隧道穿越高鐵橫斷面圖

表1 盾構穿越既有鐵路群組相關情況統計表

1.3 工程地質條件

盾構隧道穿越既有鐵路群組的地層包括 ②1 砂質粉土、②2 淤泥質粉質黏土、③1 粉質黏土、③2粉質黏土、④1 粉質黏土、④2 粉質黏土、⑤1 粉質黏土、⑤2 粉質黏土、⑥1粉質黏土、⑥2 黏質粉土、⑥3 粉質黏土。盾構隧道穿越高鐵地段地層主要為 ⑤1 粉質黏土。盾構隧道穿越段地質縱剖面分別如圖 1 和圖 2 所示。

2 盾構穿越鐵路群組及高鐵施工技術方案

2.1 盾構機選型

本工程采用加泥式土壓平衡盾構，其主要技術參數如表2 所示。

表2 盾構機主要技術參數

2.2 盾構施工參數選取

2.2.1 盾構施工參數計算

盾構穿鐵路群組時覆土深度為 36.16～39.7 m，穿越滬昆高鐵時覆土深度為 25.6 m。

（1）土倉壓力：土壓力理論值按朗肯經典公式計算如下。

盾構正常段掘進時，同步注漿量按理論管片壁后空隙填充量的 150% 控制，即 K=1.5，由上式可得 Q=2.84 m3。盾構穿越既有鐵路群和高鐵過程中，同步注漿量按理論管片壁后空隙填充量的 180% 控制，即 K=1.8，由上式可得Q=3.41 m3。

（3）注漿壓力。注漿壓力宜控制在 3～5 Bar，以避免注漿壓力過大造成盾尾密封處漏漿。

（4）出土量 V 計算如式（3）

表3 盾構穿越既有鐵路群組和高鐵時掘進參數初步控制表

2.2.2 試驗段盾構施工參數與地表沉降量的關系

為保證盾構施工安全順利穿越鐵路群組，在穿越滬昆鐵路上行線前設置試驗段，長度為 120 m，平均日進度11.2 環/d，通過分析相關參數與地表沉降關系，總結形成盾構穿越鐵路群組施工參數，指導盾構穿越既有鐵路群施工。在穿越滬昆高鐵前設置試驗段，長度為 120 m，平均日進度8.3 環/d，以穿越既有鐵路群的施工參數進行試驗段施工，地表沉降觀測結果滿足設計要求后，可指導盾構穿越高鐵施工。試驗段盾構推進速度、出土量與地表最大累計沉降量的統計關系如圖 3 所示，試驗段盾構土倉壓力、注漿量及注漿壓力與地表最大累計沉降量的統計關系如圖 4 所示。

圖3 推進速度、出土量與地表最大累計沉降量關系

圖4 土倉壓力、注漿壓力及注漿量與地表累計最大沉降量關系

（1）推進速度、出土量與地表沉降關系。由圖 3 可知，掘進速度在 50～73 mm/min 時，地表累計沉降量介于2.39～ -2.08 mm，遠遠 ＜±10 mm 的控制標準。掘進速度在 60 mm/min 時，地表沉降量介于 0.14～0.65 mm，沉降較小。由此可見，當穿越鐵路群組過程中，須適當降速，以達到“慢推快過”的要求，推進速度控制在 30～50 mm/min為宜。出土量為 37.7～38.2 m3/環，控制在理論值 38.1m3/環上下變化，相應的地表累計沉降量均在 2.5 mm 以內。

（2）土倉壓力、注漿壓力、注漿量與地表沉降關系。由圖 4 可知，土倉土壓力控制在 2.7～3.2 Bar，與理論計算值 2.73～3.09 Bar 基本相符，地表累計沉降量介于2.39～-2.08 mm，地表沉降情況控制良好。故穿越鐵既有路群組時可按 2.9～3.2 Bar 進行控制。注漿壓力在 8 Bar上下擺動，最小值約為 5 Bar，最大值約為 11 Bar；地表累計沉降量介于 2.39～-2.08 mm。由于縱斷面處于大坡度（2.66% 下坡），注漿困難，增大注漿壓力才能保證同步注漿，但是當注漿壓力過大（≥8 Bar）時，易導致盾尾刷被擊穿、地層失穩等情況。綜合考慮，穿越既有鐵路群組過程中，保證同步注漿壓力為 5～8 Bar，如遇注漿困難情況，可采用少量多次方式進行同步注漿，以保證地層穩定，從而控制地表沉降，并根據實際掘進和監測情況作適當調整。同步注漿量在 3 m3上下擺動，最小值約為 2.7 m3，最大值約為 3.4 m3；相應的地表累計沉降量和隆起量分別介于0.82～2.08 mm 和 0.11～2.39 mm，當同步注漿量控制在范圍時，大部分地表累計沉降量和隆起量在 ±1 mm 以內，地表沉降控制情況良好。

在盾構施工參數初步控制值的基礎之上，根據試驗段盾構施工參數與地表沉降數據綜合分析，得出盾構穿越鐵路群組施工參數為：推進速度，30～50 mm/min；土倉壓力2.8～3.1 Bar；注漿壓力 5～8 Bar；注漿量 3～3.4 m3；出土量 37.7～38.2 m3。

2.3 克泥效工法

克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強調整劑（水玻璃）兩種液體以一定比例混合后，瞬間形成為高黏度、不會硬化的可塑性黏土。通過專業的變頻器設備向盾體與地層的空隙注入特殊的高強度塑性材料克泥效，該材料具有永不凝固和有一定承載能力的特性，克泥效工法不會因材料凝固而卡住盾體，還能有效填充掘進產生的空隙，起到支撐上方土體結構穩定。在盾構機中盾上方十五點和一點鐘方向一邊掘進一邊交替注入填充空隙。

盾構穿越既有鐵路群組和高鐵時均在同步注漿前采用克泥效工法，通過前盾上帶閥門的預留注漿孔注入克泥效漿液，但是克泥效工法采用的 A、B 液配比有所不同。盾構穿越既有鐵路群地段時，A液為特殊膨潤土液，配合比為：膨潤土∶水=2∶11；B液為水玻璃原液；A 液∶B 液=20∶1（體積比）。盾構穿越高鐵地段時，A 液為特殊膨潤土液，配合比為：膨潤土∶水=400∶825；B 液為水玻璃和水的混合液，比例為：水玻璃∶水=1∶1（體積比）；A 液∶B 液=12∶1（體積比）。克泥效漿液注入壓力設定為 0.3 MPa，每環理論注入量可按下式計算：

α—填充系數，根據不同的地質條件與克泥效漿液配比而定，這里既有鐵路群地段取 1.2，高鐵地段取 4。

將 D1=6.36 m，D2=6.34 m 代入上式，可得既有鐵路群地段 v=0.24 m3；高鐵地段 v=0.8 m3。實際注入量和注入壓力可以根據不同的地質情況，結合地面沉降監測適當調整。

2.4 盾構穿越鐵路群組的施工技術保護措施

（1）盾構穿越既有鐵路群組和高鐵時均采用克泥效工法，在既有鐵路群組路基段，注入量為 0.24 m3；高鐵地段，注入量為 0.80 m3；注入壓力均為 0.3 MPa，以對穿越過程中造成的空隙進行及時填充，并快速凝固，控制盾構機開挖及通過過程中的土體下陷。克泥效工法范圍與管片增開注漿孔范圍一致。

（2）在隧道管片上增設注漿孔（增設 10 個/環），二次注漿加固且范圍為管片外 2 m，施做整環、縱縫嵌縫，抑制盾構通過后沉降對鐵路運營的影響。盾殼脫離管片 4～5環，及時打開注漿孔進行二次補充注漿，進一步抑制既有建構筑物變形。

（3）盾構穿越滬昆高鐵之前，在穿越范圍施工隔離樁及冠梁支撐進行防護。隔離樁直徑為 1 m，間距為 1.2 m，頂部由混凝土冠梁連接，并設置混凝土支撐。

（4）盾構在既有鐵路線路中心 30 m 范圍內掘進時，普速鐵路限速 60 km/h 通過，高鐵限速 200 km/h通過，加強巡道養護，加強監測。

3 盾構穿越期既有鐵路群組和高鐵變形監測結果

3.1 變形控制標準及報警值設置

依據相關規范和設計要求，穿越既有鐵路群和高鐵地段的施工變形控制值為：既有鐵路群路基水平位移、豎向位移變化速率 ≤±2 mm/d，累計變化量 ≤±10 mm；高鐵水平位移、豎向位移變化速率 ≤±1.0 mm/d，累計變化量 ≤±2 mm。

3.2 施工變形實測數據分析

（1）盾構穿越既有鐵路群組階段，路基水平位移基本為零，路基累計最大沉降量在 -3.5～3.3 mm 之間變化，滿足 10 mm 沉降變形控制標準。

（2）盾構穿越高鐵時，高鐵橋墩的單天最大位移速率為±0.4 mm/d，累計最大位移量為 -0.3 mm 和 -0.5 mm，滿足高鐵橋墩位移量控制要求。

4 結 語

對盾構穿越既有鐵路群組和高鐵施工技術進行研究分析，得出如下結論。

（1）盾構穿越既有鐵路群組可通過增加隧道埋深、加強隧道結構設計、采用克泥效工法等措施，不再對既有鐵路群組進行預加固來減小對路基加固和盾構穿越施工對既有鐵路運營的影響。盾構穿越高鐵橋時提前設置隔離樁及冠梁支撐防護以減小對高鐵的影響。

（2）盾構穿越既有鐵路群組前應選擇合適的試驗段，通過試驗段盾構施工參數及地表沉降監測數據分析，為盾構穿越既有鐵路群組提供了合理的推進速度、土倉壓力、注漿壓力、注漿量和出土量等施工參數控制指標。

（3）盾構穿越既有鐵路群組前，在同步注漿前通過前盾上帶閥門的預留注漿孔注入克泥效漿液，以減少盾構同步注漿的漿液滲透到土層中，使同步注漿能達到更好的填充作用。克泥效注入壓力設定為 0.3 MPa，既有鐵路群組路基段，克泥效注入量為 0.24 m3；高鐵地段，克泥效注入量為 0.80 m3。注入壓力和注入量結合地面沉降監測進行適當調整。

（4）盾構穿越既有鐵路群組期間，推進速度控制在8～12 環/d，列車限速 60 km/h；盾構穿越高鐵期間，推進速度控制在 7～8 環/d，列車限速 200 km/h。