盾構在軟土地層穿越既有鐵路施工技術

謝銀虎

前言

隨著我國社會經濟的不斷發展，城市交通的規劃建設也隨之呈現出向下層空間延伸的趨勢，直接導致盾構穿越既有鐵路的工程項目數量越來越多。但是由于穿越底層的地質狀況具有不可控的復雜特點，盾構施工極易造成地面的沉降和變形，對周圍建筑物和地下管線產生十分嚴重的影響，如果不對其加以重視，甚至還會威脅到人們的生命安全和社會的可持續發展。因此，如何保證盾構穿越既有鐵路施工技術的科學合理性已經成為工程建設中高度重視的關鍵問題，也是當前相關部門研究的重要課題。

1 工程概況

某市10 號線的一區間隧道采用土壓盾構施工方法，其中盾構直徑為6.32m，管片內徑長為5.3m、外徑長為6.2m、環寬1.2m，并選用兩臺盾構同向推進的方法；在距離始發井258m 的位置處，盾構需兩次穿越正在運行的鐵路，且此處的隧道頂埋深約為14.3m。鐵路在此段中是雙線四股道，為碎石道床和混凝土軌枕結構，設計火車最大時速為120km/h，客車為250km/h；穿越位置的地層自上而下分別為：雜填土、1 褐黃色粉質黏土、2 灰黃色粉質黏土、1 灰色粉質黏土、1-1 灰色黏土、1 暗綠色粉質黏土，且施工區域的地下水條件為潛水，靜止水位為0.5m。

圖1 穿越處道床結構和地層分布示意圖

2 風險分析

利用有限元模型對鐵路的工況進行模擬分析，有限元模型的長40m、寬28m、高30m，網格中的上部為鐵路路基，下部為兩個即將開挖的下穿隧道，同時結合已有的量測資料，在模擬中選定30%的應力釋放率。對旋噴樁加固的兩種情況進行比較，對盾構的掘進過程進行了模擬，通過與鐵路路基沉降槽的變化進行對比來反應出旋噴樁加固對既有鐵路沉降的實際控制效果。在沒有旋噴樁加固的前提下，下行隧道中心的最大沉降值為6.5mm，超出了鐵路正常運行的實際要求；在有旋噴樁加固的條件下，下行隧道中心的最大沉降值為3.2mm，符合鐵路正常運營的標準。在完成上行和下行隧道開挖之后，旋噴樁加固可以使得鐵路的沉降值減小約55%，由此說明加固是必要的。

3 地基預加固

3.1 加固設計

在盾構穿越之前，對鐵路路基和兩側的土體進行加固，平面范圍為41m×28m，受到隧道下部地層條件的影響，加固深度至1-1 灰色黏土層底。主加固區和次加固區均采用壓密注漿的方法，其中住加固區的Ps＞1MPa，次加固區的Ps=0.9MPa；在主、次加固區之間設置旋噴加固區域，使其Ps≥0.8MPa，以發揮隔斷和控制變形的作用，并在加固結束后的1 個月進行盾構穿越。

3.2 加固施工

地基預加固的施工順序為旋噴樁-主加固區-次加固區。其中，旋噴樁施工采用二重管工藝，樁徑為1500mm、樁深18m，共設置三排樁，且水泥的摻入量為20%，將水泥漿的壓力控制在22～25MPa 的范圍當中，提升速度控制在12～15cm/min，且旋轉速度設為12r/min，為了避免因震動造成的路基下土體位移，要先選擇靠近鐵路的一側進行施工，并且每2h 對軌道變化進行一次監測。

圖2 旋噴樁樁位布置和施工示意圖

主加固區采用復合漿液和單液漿分層注入的方式，對地面以下3m 的區域進行復合漿劈裂注入，對其余的部分進行單液注漿，并且采用打設斜孔的方式，注漿孔呈梅花形，且彼此之間距離為1m；對靠近鐵路的一排空先進行施工，然后對外圍注漿孔進行施工，最后完成中間孔，需要注意漿液的無限制擴散問題的發生，同時按照“施一跳四”的順序進行施工，避免地面隆起過度，并設置泄壓孔以便泄壓。次加固區采用垂直孔注漿的方式，每次注漿的提升高度為0.5m，漿液的膠凝時間在3～10min 之內。

4 盾構穿越控制

4.1 穿越準備

選取盾構穿越鐵路之前的100 環來作為模擬段，根據地表變形的監測數據對盾構的掘進參數進行及時的調整，對施工工藝進行不斷的完善；當盾構機進入到加固區的5 環之前時，保證機械、材料和人員等都做好了充分的準備，并完成對設備的徹底檢修，以保證盾構的連續穿越。

4.2 施工工藝

在進行盾構穿越的過程中，根據模擬段的參數來確定土倉壓力值，將盾構正面土壓力波動控制在0～20kPa 的范圍當中；根據土壓傳感器的數據來控制千斤頂的推進速度，將其控制在2～2.5cm/min，盡量保持推進穩定，每天推進6～8 環，確保注漿速度、推進速度和出土速度三者相適應；將出土量控制在98%左右，使得盾構切口上方的土體隆起不超過1mm，與部分土體的后期沉降相抵消；同步注漿的漿液選擇可硬性漿液，將注漿量控制在建筑空隙的200～220%范圍當中，將注漿壓力控制在0.3MPa 左右，并且根據軌線沉降的監測數據來對注漿量和壓力的初始值進行確定。

表1 同步注漿配比表（單位：kg）

盾構姿態的變化切不可以過大和過頻，嚴格控制每環的糾偏量不超過10mm，變坡程度不大于1‰，以減少地表沉降；在穿越的過程中，要使用刀盤上的加泥孔對前方的土體加入肥皂水來對土體進行改良，以提高土體的流塑性；在管片脫出盾尾5 環的時候，要進行二次注漿，選擇水泥——水玻璃雙漿液，將壓力控制在3～5bar 之間，使得地層的變形量最小。

5 檢測和信息化施工

5.1 監測

在地基預加固期間，保證監測頻率為2h/次，在盾構穿越前為3 次/d，當軌面變形較大的時候要適當的加大監測頻率；盾構通過之后的地面監測要根據變形點的變形速率和變形量進行必要的分析；對報警值的設定要根據相關的設計要求來確定，每2h的線路軌面變化為±3mm，24h 線路軌面變化量為±8mm，保證地面沉降累計不超過30mm。

5.2 信息反饋

監測資料要以報表的形式進行提交，主要包括變化量、施工工況、測點號以及地表環境等內容；同時，根據監測結果壓迫建立三級預警制度，如圖3 所示，當監測結果小于報警值的2/3 時為Ⅲ級管理；當監測結果大于報警值的2/3，且未超過報警值的時為Ⅱ級管理。經過研究發現，兩臺盾構都順利的穿越了既有鐵路，保證了鐵路的順利提速；在盾構穿越期間，軌線的最大沉降為4.6mm，滿足相關規范的實際要求。

6 結束語

圖3 三級預警管理示意圖

綜上所述，在城市化建設進程不斷深入的當下，盾構穿越施工已經成為當前城市交通規劃中較為常見的建設方案，在本文當中，通過結合具體的工程實例，對盾構在軟土地層穿越既有鐵路的風險進行了分析，同時還針對土體改良技術、地基加固技術、監控測量技術以及掘進參數優化技術等方面進行了探討，為其施工建設提供了理論和技術上的支持，以促進盾構穿越既有鐵路施工目標的順利實現，保證城市交通運輸的安全性，最終實現城市的可持續發展。

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