盾構連續下穿多條高鐵路基沉降控制研究

周曉峰

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

盾構下穿施工過程中建構筑物發生沉降是比較常見的現象，因此，控制沉降及地層損失率是確保重要建構筑物安全的重中之重。引起建構筑物發生沉降的因素包括：地質水文條件、盾構機姿態、掘進參數、出土量控制以及二次注漿時機等。沉降是多種不利環境造成的結果，本文從杭州機場軌道快線下穿多條高鐵路基施工過程著手，提出下穿建構筑物的控制沉降措施。

1 工程概況

1.1 項目概況

杭州機場軌道快線新風區間風井5 至火車東站區間隧道設計起始里程為右（左）K29+809.331，終止里程為右（左）K31+703.672，右線長度約為1894.341m，左線長度約為1910.794m。為單圓盾構區間，采用盾構法施工，區間隧道管片外徑為6900mm，內徑為6100mm，環寬為1500mm，厚度為400mm，屬于通用型管片錯縫拼裝。區間采用2 臺鐵建重工ZTE7150 復合式土壓平衡盾構機掘進施工，從新風路風井5 大里程端頭始發，始發后490m 位置，左線以R=365m（右線R=360m）的圓曲線向南下穿杭州東站鐵路咽喉區，最后到達火車東站小里程端頭接收。

該區間左線于K30+300～K30+427（長127m，85環）、右線于K30+305～K30+432（長127m，85 環）段下穿杭州東站鐵路咽喉區（影響范圍包括下穿段前30m、下穿段127m、下穿段后30m、盾體長度9m，共計196m）。該處鐵路共計10 股軌道，其中包括：第1～7股道為高鐵軌道、第8～10 股道為普鐵軌道。第1～4股道為同一路基，路基全寬約為33m，有兩組接觸網；第5～6 股道為同一路基，路基全寬約為14m，有兩組接觸網；另外，第7～10 股道為同一路基，路基全寬約為37m。機場快線與鐵路線近似60.6～74.4夾角斜交。

機場快線下穿段杭州東站鐵路咽喉區既有路基均為碎石道床，路基約為4.6m 厚，路基下布設約為12m 深的水泥攪拌樁，水泥攪拌樁直徑為0.5m，間距為1.2m，同時設置20m 厚的塑料排水板樁，樁間距為1.2m，共20m 深地基加固。區間隧道與鐵路軌面豎向凈高差約為39～41.5m，隧道與鐵路路基加固土層底豎向凈距約為13.5～16.3m。

1.2 水文地質情況

盾構下穿范圍隧道縱向坡度為28.2‰，盾構下穿范圍地層從上到下依次為：碎石填土1-1、砂質粉土3-2、砂質粉土3-4、砂質粉土3-5、淤泥質粉質黏土4-2、黏土5-1、粉質黏土夾粉土5-2、粉質黏土7-1、粉質黏土夾粉土7-2、粉質黏土9-1、粉質黏土11-1、全風化凝灰巖20-1、強風化凝灰巖20-2、中風化上段凝灰巖20-3。盾構隧道穿越范圍內地層主要為：粉質黏土7-1、粉質黏土9-1、粉質黏土11-1，盾構穿越范圍不涉及承壓水。

地表及地下水：場區地表水主要為影響到該工程沿線的河流，該區間不涉及河流，無孔隙承壓水。

2 穿越施工情況

盾構區間左線于2021年8月1日～8月20日完成連續下穿，區間右線于2021年9月1日～9月16日完成連續下穿。

左右線下穿完成后第三個月監測數據，即2021年12月16日自動化監測數據情況如表1所示。

表1 左右線下穿高鐵路基自動化監測數據（2021年12月16日）

3 下穿高鐵路基沉降控制措施

3.1 設置試驗段總結參數

盾構施工過程中，掘進參數是隨著不同的土層、埋深等條件變化而變化的，故而施工期間施工參數是動態的。該區間左右線下穿高鐵路基前30m 設置為試驗段，根據試驗段推進過程中參數設定以及地面沉降監測情況，總結出滿足盾構連續下穿高鐵路基施工中沉降控制在設計要求之內的施工參數。根據掘進參數統計結果分析如下。

其一，盾構機總推力基本保持在1500～1800t，刀盤扭矩基本保持在1200～1800kN·m，土倉壓力遞增至2.4～3.5bar，推進速度穩定在35～50mm/min。

其二，試驗段洞身穿越的地層為粉質黏土7-1、粉質黏土夾粉土7-2，推進過程中渣土改良主要以泡沫為主，輔以分散劑、膨潤土改良黏土，泡沫參數根據實際土層中含水量進行調整，泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97%。泡沫組成：90%～95% 壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按開挖方量計算為300～600L/m。通過合理的渣土改良，推進過程中刀盤扭矩、總推力均可穩定在相應數值上。

其三，區間試驗段推進過程中每環出土量控制在71～72m之間，土壓根據理論埋深計算，輔助以地面監測數據進行調整，推進過程安全可控，土壓正常，地面沉降穩定。

其四，在推進過程中通過同步注漿輔助二次注漿進行封環注漿可滿足地面沉降要求。

綜上所述，根據下穿高鐵路基試驗段參數可指導下穿段參數設定。

3.2 下穿前的準備工作

其一，下穿前仔細對盾構液壓系統、泡沫系統、掘進系統、頂進系統及電路系統等設備進行檢查，確保穿越過程中設備零故障，進行不間斷施工。下穿所需要的材料及備品備件提前準備完成，確保施工順暢。

其二，下穿推進過程中，控制掘進速度，試驗段為7～8 環/d，下穿段6～7 環/d。

其三，掘進參數按照下穿段給定的參數進行微調，保持切削土體方量與螺旋機輸送方量平衡，確保開挖面穩定，每天對螺旋機雙閘門進行關閉測試，防止出現突涌情況。同步注漿壓注方量為6.5～7m，注足、飽滿，后期根據監測情況進行二次補注漿，控制注漿壓力達到6bar 且至少注入0.5m水泥漿時可停止注漿；盡可能減少地層損失率，控制在2‰之內，而且單次糾偏量≤1mm。

其四，施工中在地表布設監測點及在鐵路上布設自動監測系統，盾構施工期間加強對鐵路沉降、隆起的監測，每日進行盾構下穿高鐵路基碰頭會，對監測數據和影響因素進行分析，將分析結果及時反饋至專班群，確保隧道施工和鐵路行車安全。

3.3 下穿過程中的控制措施

其一，每天安排專業安全人員對下穿前后地面進行觀察和安全巡視，并積極做好應急措施。

其二，下穿杭州東站北側鐵路咽喉區段不具備地面加固條件，盾構下穿該段主要采用常規洞內加固措施。下穿段范圍機場快線管片全部采用多孔管片，對盾構隧道拱頂和拱肩范圍內地層立即進行注漿加固，注漿施工過程中根據監測反饋信息及時對注漿參數進行優化。

其三，盾構穿越期間，根據出土情況，適當加大改良泡沫劑注入量，改善開挖面土體和易性，如若推力增大、掘進速度降低、渣溫升高，及時通知地面值班人員，綜合判斷是否出現結泥餅現象，適時注入分散劑。

其四，在下穿段及前、后30m 范圍，K30+274～K30+461（311～435 環），盾構下穿段同步注入克泥效潤滑劑，1 桶（200kg）/環。

其五，自動化監測情況分析：因鐵路監測的特殊性，下穿杭州東站鐵路咽喉區為自動化監測平臺，監測頻率為2h 一次，整個下穿過程未發生沉降報警情況，高鐵路基沉降量均控制在2mm 及以下，滿足鐵路部門對盾構下穿時沉降量控制的要求，保證了盾構平穩有序穿越杭州東站北側鐵路咽喉區。

3.4 下穿過程中參數設定

下穿區間地層為粉質黏土7-1、粉質黏土9-1、粉質黏土11-1，隧道與鐵路軌面豎向凈高差39～41.5m，所處地層屬于不透水地層，盾構在此地層內掘進應在保證土壓平衡的情況下勻速掘進，減少對地層的影響。微擾動掘進模式即土倉壓力上下波動小（土倉頂部壓力波動幅度控制在0.2bar 之內）、刀盤轉速低。

掘進速度控制在30～40mm/min，推進過程中保證同步注漿量與推進速度匹配，漿液量為1.5 倍理論值為宜，及時填充飽滿，減少地層損失。

土壓平衡盾構機控制沉降的主要措施之一為土壓平衡，掘進進尺與出土量相匹配，確保出土不超排，是減少過程沉降的重要手段。施工過程中每環出土斗數一定，吊出土斗過程中用龍門吊進行稱重，每斗約37t 重，與每斗22m土換算重量相匹配，可通過重量估算法判斷有無超挖或欠挖。

二次注漿是對同步注漿未填充密實處進行再次注漿補充，此過程根據沉降數據確定持續時間，可少量多次進行，注漿時機為盾構脫出盾尾后，需要3～5環注漿空間。

其一，注漿壓力。二次注漿壓力在0.2～0.4MPa，實際壓力根據計算及現場注漿效果最終確定。

其二，注漿量。二次補強注漿量根據地質情況及注漿記錄情況，分析注漿效果，結合監測情況具體確定。

其三，注漿順序。為保證環箍效果，應從下往上對稱注漿；建構筑物下方采用增設注漿孔的管片，漿量與壓力雙控。

其四，注漿結束標準。補強注漿以洞門滲漏情況和壓力控制為主，達到設計注漿壓力且洞門無滲漏則結束注漿。

3.5 注入克泥效漿液

該工程采用的盾構機刀盤直徑為7.18m、盾體直徑為7.15m，理論上開挖直徑與盾構機殼體之間存在著均勻的縫隙（約為3cm），等再往前推進后，采用同步漿液進行填充，存在時間差，此3cm 的縫隙會造成高鐵路基產生沉降，為減少此過程對周邊土體的擾動，操作人員選用凝結較快的克泥效漿液，利用預留在盾構機外殼上的徑向孔注入克泥效漿液，快速填充該間隙。同時，克泥效漿液有良好的止水性能，不易流失，可阻斷周邊水向刀盤流動。通過快速填充地層與盾體之間縫隙，達到控制高鐵路基沉降的效果，也是下穿高鐵路基的重要措施之一。

4 危險源分析及處理措施

4.1 鐵路路基變形過大的處理措施

盾構機通過東站鐵路咽喉區路基段可能引起沉降，造成軌道下沉過大、軌道變形，發現該情況時，采取的措施為：停止盾構向前掘進，采取跟進注漿的方法進行二次補充注漿施工以確保管片與地層之間的空隙能夠及時填充并且快速固結。具體步驟如下：

其一，將二次注漿設備前移至控制室車架前的通道平臺上。

其二，預先在管片上設置注漿孔和接口。

其三，在管片脫出盾尾5～10 環后，如建構筑物監測顯示仍有沉降，則用二次注漿機向管片壁后注入雙液漿，使管片壁后填充保護層迅速強化，補充地層開挖損失并承載壓力。

其四，注漿壓力及注漿量根據地面建構筑物沉降監測數據確定。二次壓漿時指派專人負責，對壓入位置、壓入量、壓力值均做詳細記錄，并根據地層變形監測信息及時調整，確保壓漿工序的施工質量。

4.2 洞內掘進設備風險處理措施

其一，處理盾尾漏漿措施如下。

一是掘進過程若出現盾尾漏漿，則司機立即停止掘進，采用手動注脂的方法進行處理，此位置和相鄰位置增加油脂注入量，若泄漏較大，則調大油脂注入量，直至完全密封住。滲漏停止后繼續推進，并且掘進班應安排專人在盾尾處觀察，司機時刻關注泄漏處的注脂壓力變化，前后人員隨時保持聯系。

二是若在掘進結束后發生盾尾漏漿，則需要迅速完成管片拼裝，并且在拼裝時應在管片外弧面底粘貼2 道150mm×150mm 的海綿條、管片環面上粘貼70mm×120mm 的海綿條（背離撐靴的環面），同時應連續進行盾尾油脂的注入。

其二，盾尾涌水涌砂。為防止盾尾出現涌水涌砂現象，穿越前準備厚度為5mm 的圓弧形薄鋼板，備用長度為30m、直徑為6cm 的膠管。如遇特殊情況，用弧形鋼板將膠管填壓至盾尾和管片間隙中，在推進過程中采取每5 環兩側各貼1 環整環海綿的方式，并對盾尾部位封堵，加大盾尾油脂用量。同時，在盾尾脫出后5 環的位置注入雙液漿封堵。

5 結論

綜上所述，本研究通過盾構下穿多條高鐵路基控制沉降的工程實例，總結出以下沉降控制措施：

其一，設置好試驗段，總結出滿足沉降要求的施工參數。

其二，下穿前對所有設備、系統進行檢查，保證盾構平穩推進也是控制沉降的關鍵。

其三，做好出土量控制，同時確保同步注漿飽滿以及二次補漿及時，是重要的管理措施之一。

其四，克泥效工法，通過快速填充刀盤外徑與盾殼之間的空隙，及時穩定地層，減少地層損失，控制高鐵路基沉降。

通過杭州地鐵連續下穿多條高鐵路基盾構施工，研究人員不僅驗證了試驗段總結參數及下穿前所有設備檢查的必要性，而且在施工過程中參數應隨監測數據變化而實時調整，還要確保同步注漿飽滿和二次注漿及時，減少地層損失，同時，下穿過程中使用克泥效工法推進有效減少了地層損失，控制沉降效果明顯，保證了高鐵路基沉降安全可控，該工程順利完成，為后續類似地層盾構連續穿越高鐵路基施工打下堅實的技術及管理基礎。