盾構下穿京津城際鐵路施工技術研究

□文/易敏

盾構下穿京津城際鐵路施工技術研究

□文/易敏

隨著城市地鐵工程不斷發展，不可避免的出現地鐵建設與既有鐵路交叉的情況，由于鐵路運行過程中，對各種變形要求嚴格，這就要求地鐵的建設必須制定專項的技術措施進行應對。文章以天津地鐵某區間下穿京津城際鐵路為對象，進行了研究，提出了分析方法和施工應對措施。

地鐵；盾構；下穿；鐵路

1　工程概況

天津地鐵某區間盾構需下穿京津城際鐵路，京津城際鐵路共2股道，碎石道床，無縫鋼軌軌道。隧道左線與京津城際鐵路的交角約為30°，隧道埋深為18.2 m左右，通過城際鐵路時需穿下穿1根單鋼柱接觸網桿。隧道右線與京津城際鐵路的交角約為27°，隧道埋深為18.3 m左右，通過城際鐵路時需下穿道岔，其中隧道下穿2個道岔機器，側穿5個道岔機器以及側穿4根雙鋼柱接觸網桿。隧道右線與城際鐵路相交部位存在鐵路道岔，該道岔位置鐵路由2股道變為4股道，見圖1。

圖1　總體平面

根據鐵路運營及地鐵施工工程經驗、鐵道部《鐵路線路維修規則》等相關標準，穿越國鐵地段，施工引起的地面沉降和軌面沉降要求控制在±10 mm以內，每股軌線的兩條軌道高差≯4 mm。

2　地質情況

本區段地層有第四系全新統人工填土層（Qml）、新近沉積層（Q43Nal）、第Ⅰ陸相層（Q43al）、第Ⅰ海相層（Q42m）、第Ⅱ陸相層（Q41al）及第Ⅲ陸相層（Q3eal），巖性主要為粘性土、粉土及砂類土。地表遍布第四系全新統人工填土層（Qml），以雜填土為主，局部為素填土，其厚度及分布變化不大，其組成成分復雜，土質松散，密實程度差。

盾構穿越地段主要為軟土地層，地下水埋深較淺（約為3.77～4.01 m）地下水豐富，特別是緊鄰盾構隧道底部的4粉砂層，滲透系數較大，地下水具有微承壓性，對盾構施工影響大。

3　施工過程有限元分析

3.1計算參數

將土層分為3層并且每層土的參數均通過實際勘測資料標準值加權得出。根據施工實際情況，對鐵路運營有影響的區間隧道的盾構施工分為兩個階段：第一階段施工地鐵右線隧道，第二階段施工地鐵左線隧道。沿盾構施工方向，兩隧道的中線間距在穿越國鐵段由18 m逐漸變為18.4 m。兩隧道的埋深均約18 m。計算模型見圖2。

圖2　計算模型

3.2計算參數

每層土的參數均通過實際勘測資料標準值加權得出。

3.3荷載

模型中除自重外，還包括在地面上列車活載。列車活載采用特種活載模式，見圖3。

圖3　特種活載模式

軌道荷載P=54.4 kN/m，活載Q=250/1.6=156.25（kN/m），分布寬度為3.4 m，所以地面壓力q=（P+Q）/ 3.4=61.95（kPa）。

3.4邊界

模型中的6個面，除地面為自由面外，其他5個面均施加法向的約束。

3.5施工過程

計算中，每次進尺為1.2 m，開挖土體的半徑為3.17 m，管片的外側半徑為3.1 m。每次施工過程中，開挖土體后施做管片，每次施工完成對掌子面施加盾構機推力。右線隧道施工完后土體豎向變形見圖4，左線施工完土體豎向變形見圖5，施工完地面沉降曲線如圖6。地面上左右隧道正上方的點和隧道中間上方的點的沉降隨施工過程變化的曲線見圖7。

圖4　右側隧道施工完后豎向變形

圖5　土體最后豎向變形

圖6　施工完后地面沉降曲線

圖7　地面上3點隨施工過程變化

3.6計算結果

掘進右線隧道時，右線隧道上方地面沉降較其他兩處的大，而且沉降速度也比其他兩處快；當左線隧道開始施工時，右線隧道上方地面的沉降速度減慢，左線隧道上方地面的沉降速度要比其他兩處快；將近左線隧道施工完成時，中間的沉降開始比其他兩處的大，一直到施工完成。

施工及使用階段地鐵隧道能夠承受國鐵列車動荷載的影響，地面最大沉降值產生在兩隧道之間，為9.51mm。

4　施工技術

4.1施工參數控制

嚴格控制施工參數，減少對土體的擾動，保證盾構掘進的連續性，盡量減少盾構推進中的擠壓作用和同步注漿作用等施工因素對周圍土體的影響。

同步注漿時必須要做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”，在同步注漿壓力和注漿量方面進行雙控，做到適時、足量。具體注漿參數還需通過地面沉降信息反饋來確定。

控制好盾構軸線與盾構糾偏幅度，避免軸線控制引起的超挖現象。單環軸線糾偏幅度控制在4 mm之內。同時針對曲線段超挖，通過加大盾構鉸接裝置的使用力度，預先計算好曲線偏轉量，控制曲線超挖和曲線掘進擾動，以利于沉降控制。然后根據每環的測量結果和管片四周間隙情況，對盾構機下一環的推進提供精確依據，及時調整各區千斤頂的伸長量。

盾構施工中不減速施工；對沉降嚴格控制，只允許下沉，不允許隆起，最大不得超過7 mm，掘進開挖初期（1～2 d）沉降速率＜-2～-4 mm/d，其余時間沉降速率＜-1 mm/d。

盾構機操作人員嚴格執行指令，謹慎操作，對初始出現的小偏差及時糾正，盡量避免盾構機走“蛇”形，以減少對地層的擾動并為管片拼裝創造良好的條件。

4.2土體改良

1）使盾構機前方土壓計反映的土壓更加準確；

2）減少螺旋出土扭矩，確保螺旋機出土順暢；

3）減少盾構前方土體的擠壓，及時填充刀盤旋轉之后形成空擋，對控制盾構機前方土體壓力機地面沉降有利；

4）大幅減低土體與刀盤摩擦系數，具有潤滑保護刀盤的作用；

5）加強出土控制與觀察，注意出土中是否有混凝土塊并適當調整盾構掘進參數及渣土改良工作。

4.3徑向注漿

國內外大量的實測資料及理論分析結果表明：就單條隧道而言，沉降槽曲線似正態分布曲線。從縱向來看，沉降主要發展規律：一是盾構掘進面的前方可能產生較大的地表隆起；二是施工沉降除土體損失引起的沉降外，還存在盾尾空隙沉降，見圖8。

圖8　盾構施工過程中地面隆陷縱斷面曲線

由圖8可見，盾構機在通過時的沉降比較明顯。為了保證盾構通過期間鐵路穩定，利用平徑向注漿孔（位于盾構機中部），通過盾構機內膨潤土系統進行注漿，采用優質膨潤土填補盾構機掘進時刀盤與盾體之間產生的間隙，減少土體的沉降。

4.4盾尾防漏

盾尾密封油脂是防止漏漿的關鍵因素，在穿越鐵路時要控制好油脂的注入時間與注入壓力，保證其連續不間斷注入。如發生漏漿現象，應暫停掘進，連續泵送盾尾油脂直到不再漏漿后方可連續掘進。

發生漏漿現象后，如果在不能阻止漏漿，將現場配備的海綿條實施應急封堵，即將海綿條沿環向全周圍嵌入盾尾殼體與管片間的縫隙，防止繼續漏漿而造成地面沉降。海綿條單塊長度=管片長度+100 cm，尺寸為150 mm×150 mm。

4.5同步注漿與補漿措施

1）同步注漿。考慮曲線施工，提高注漿填充率至200%～250%，按照該注入率，每環注漿量為7 m3左右，同時適當提高同步注漿壓力，注漿壓力控制在0.25～0.4 MPa，注入操作嚴格按照操作規程進行，保證注漿設備工作正常、時常檢修與保養并注意注漿作業結束后對管路的清洗，避免管路堵塞現象的發生。

因此在盾構掘進時，應注意掘進與注漿的同步性，堅持“掘進時及時注漿、不注漿不掘進、保證漿液質量和同步注漿數量和壓力雙控制”的原則進行同步注漿工作，減少和消除沉降的發生。

2）二次注漿與跟蹤注漿。考慮對隧道結構影響，二次注漿壓力控制在0.6 MPa之內，注漿量隨注漿壓力進行控制，持續注入。考慮到對盾尾的影響以及注漿影響范圍，二次注漿位置選取在盾尾后5環以后的位置。當盾尾脫出位置單次沉降超過1.5 mm以上或盾尾發生滲漏現象，選取盾尾后部5～15環位置進行注漿加以控制。

下穿城際鐵路和道岔時，變化量＜1.0 mm/d時，沉降地段每環注入漿液3 m3，注漿以單液漿為主。變化量在1.0～1.4 mm/d時，先注入單液漿，后注入雙液漿，以雙液漿為主，注漿量＞5 m3。變化量＞1.8 mm/d時，立即停止掘進，全力進入搶險階段。

根據地面沉降檢測反饋，及時對沉降明顯地段進行跟蹤注漿，跟蹤注漿位置選取在沉降位置附近，由兩側開始向中間補充注入。注漿壓力控制在0.6 MPa之內。跟蹤注漿堅持平穩、持續的注入原則，以地面沉降檢測情況為指導，保證持續對沉降進行控制，注漿壓力逐步提升，先低后高、平穩注入。

同時，在鐵路范圍內，做好連續補漿準備，搭設移動平臺，保證車架通過后同樣能夠及時控制，二次注漿在過鐵路及特殊部位時要遵循“及時、少量多次”的原則。

3）注漿壓力控制措施。嚴格控制注漿壓力，注漿過程中，安排專人嚴格對注漿壓力進行控制并記錄并觀察隧道結構變化。同時對注漿作業進行監督，避免注漿壓力過大影響隧道結構造成不良后果，同時防止注漿壓力過高導致漿液突竄至地表污染道床。

4.6軌道修復措施

在盾構機通過該區域過程中，向鐵路部門相關單位申請，派鐵路專業人員及時檢查鐵路線路軌距、方向、水平、高低等幾何姿態，判斷盾構隧道影響范圍內的鐵路是否完好。如果對盾構隧道范圍內鐵路沒有影響，及時通知鐵路部門恢復正常運行。

如果檢查鐵路存在問題，立即采取以下應急保護措施：

1）立即停止盾構掘進并保持土倉壓力，分析原因并立即通知鐵路相關單位，以取得其專業配合；

2）對沉降區進行二次注漿補強，采用42.5級普通水泥漿作為注漿材料，水泥漿的水灰比為1∶1，為加快凝結速度，漿液中加入速凝劑等外加劑。選用水玻璃和氯化鈣，其用量約為水泥質量的1%～2%以控制沉降；

3）在鐵路附近預備道渣，當鐵路路基沉降過大時及時通過填筑道渣來調整軌道至合適位置；

4）加強整修軌面，每日使絕對變化量歸零，減少變化速率。

4.7其他措施

1）盾構穿越鐵路和道岔時，保證盾構機姿態平穩準確，加強管片拼裝質量，防止管片滲漏水。

2）盾構穿越京津城際前，對班組的施工效果進行評估，選出最有經驗的司機進行操作，嚴格控制軸線偏差，減少糾偏造成的土體損失。

3）道岔位于盾構隧道的緩和曲線上并已接近緩直點，姿態控制相對容易，為此左右線盾構在接近道岔前30環時對盾構姿態進行調整，保證道岔范圍前后各10環不進行糾偏，即使出現少量偏差也在盾構完全通過后進行調整。

4）左右線盾構在接近道岔前30環時，還應對盾構機的性能進行檢查，確保機械處于良好狀態。

5）盾構在道岔位置不允許停機，保證一次性通過，地面監測采用實時監測并在道岔處加密監測點，保證監測數據能連續傳遞至項目部進行分析并反饋至盾構作業班組。

6）盾構穿越道岔時，監測人員加強監測，當監測數據超過監測限值，及時匯報領導和有關部門。

5　施工監測

5.1監測內容

監測內容見表1。

表1　監測內容

5.2監測頻率及周期

1）自動化監測：對于靜力水準自動實時監測系統和智能型電子全站儀自動實時監測系統，按設定頻率進行數據采集并與盾構機操作平臺之間傳輸與共享數據。監測頻率見表2。

表2　自動化監測頻率

2）人工測量：監測頻率表3。

表3　人工監測頻率

6　施工結果

根據施工過程，對大量數據進行統計，見表4。

表4　主要參數控制值

盾構機掘進過程中，姿態與管片姿態基本相符，管片姿態滿足設計要求。

7　施工效果

京津城際第三排路基測點左線上方最大沉降-4.01 mm，盾構右線上方最大沉降-4.24 mm；在此過程中最大沉降量為-0.73 mm/d。京津城際上行線道岔區軌道最大沉降-1.71 mm，最大兩軌高差為0.31 mm；下行線道岔軌道最大沉降-2.15 mm，最大兩軌高差為0.38 mm。

U455.43

C

1008-3197（2016）04-52-04

2016-06-06

易敏/男，1985年出生，工程師，中國建筑第六工程局有限公司天津軌道交通分公司，從事工程技術管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.021