盾構下穿既有鐵路沉降控制技術研究

王建國

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司

1 工程概況

本區間為單洞單線區間，區間起點為機場北站，終點為吊出井，起點里程為YDK41+437.900，終點里程為YDK42+343.576（ZDK42+335.972），區間長度905.676m（左線898.072m），線路埋深在19m～27m之間，最小線間距12.05m。區間線路自機場站端以2‰、28‰及5‰坡度向下直至吊出井，具體見圖1。

圖1 機～吊區間線路平面示意圖

本區間采用盾構法進行施工，在YCK8+900里程設聯絡通道一處，不設泵房。區間段沿線范圍內上覆第四系全新統人工填土層（Q4ml）、海陸交互相層（Q4mc）、全新世沖洪積層（Q4al+pl）、殘積層（Qel），下伏基巖主要為震旦系混合花崗巖。其中本區間隧道洞身范圍地層主要為混合花崗巖、砂質黏性土層。右線下穿地鐵11號線隧道區段首段及末段為上軟下硬地層，中間段為全斷面硬巖，左、右線下穿穗莞深隧道區段均為全斷面硬巖。區間勘察范圍內的地下水按賦存方式劃分為第四系松散層孔隙水、塊狀基巖裂隙水兩種類型。

2 施工準備

結合盾構機掘進區間的工況特點，選擇一臺海瑞克S773和一臺鐵建重工DL409復合式土壓平衡盾構機進行區間內盾構施工，兩臺盾構機的機械性能參數由專家評審之后提出修改建議，對維修改造后的盾構機進行勘驗，保證盾構機在使用前性能達到最優。盾構始發前，聯合監理、業主及穗莞深施工單位對穗莞深隧道表面、滲漏點和裂縫等及隧道的現狀情況(包括隧道的表面情況和維修情況)進行詳細檢測并記錄。提前做好盾構機等施工設備的檢查與維修，開倉更換刀具，保證以良好的狀態順利安全下穿穗莞深隧道。

3 盾構下穿既有地鐵沉降控制關鍵技術

3.1 沉降分析及控制

地表變形有地表自然沉降變形、盾構通過時變形，盾構機通過后變形等，而造成地表變形的主要原因就是盾構施工。以下是盾構施工各個階段的詳細特征及原因，詳情見表1。

（1）在先期工程施工過程當中，由于盾構施工導致地下水位降低、水土流失產生沉降，此階段地表變形小。

（2）在進行盾構機開挖前就已經出現了變形的現象，而造成此現象的發生就是因土層壓力不均衡現象所導致的。

表1 盾構施工變形階段及特點

（3）發生在盾構到達該里程時，主要因為刀盤與盾體之間的間隙、超挖、糾偏以及盾構機與土體的摩擦等原因而引起的地層隆起或沉降。

（4）發生在盾構通過該里程后，如果襯砌背后與洞體的空隙填充不及時或過于飽滿土體彈塑性變形會造成地層沉降或隆起。

（5）在施工末尾后，仍然會出現沉降的現象，此現象是無法通過人力來進行操作，但是，后期沉降會相對較慢，而沉降的占比占到4%～5%。通過對早期的資料進行全面性的分析及觀看能夠有效地了解沉降的發生和時間、地點都存在著一定的聯系。

綜上所述，在實際施工過程當中，相關的施工為保證沉降工作整體的質量，可以從施工的設備儀器，施工的操作，人員的修補，數據的調整等方面進行沉降的減少。

3.2 沉降控制技術

3.2.1 前期沉降控制

做好土壓力施工控制，借鑒右線下穿地鐵11號線的經驗，在盾構掘進時選擇合適土壓，防止穗莞深隧道前期隆起和沉降。

3.2.2 開挖面沉降控制

盾構掘進開挖面沉降主要通過土壓控制、出土量、掘進參數調整進行控制，保持開挖面土壓平衡、對土倉壓力進行實時監測，對土壓設定進行試驗；根據開挖面土壓平衡、控制出土量；對總推力、推進速度、刀盤扭矩、千斤頂壓力進行監測并分析其隨地層條件變化的規律。

3.2.3 盾構通過時沉降控制

本工程選用海瑞克盾構機，刀盤設計直徑為6980mm，前盾直徑為6950mm，刀盤較盾體直徑大約30mm左右，為減少該階段沉降，應盡量縮短盾體通過時間，因此需保證盾構能連續掘進，防止盾構機發生不必要的停機。而當盾構機因特殊原因在下穿隧道期間時，通過盾構機盾體上的徑向孔向盾體周邊注入厚漿，以填充盾體周邊的孔隙，減小盾體通過階段的沉降。

3.2.4 控制技術措施

在盾構穿越過程中，要具有可操作性的施工方案，要保證設備儀器模式的無誤、土倉壓力的穩定，操作過程中穩步推進以及注漿工作的質量等，具體操作如下。

（1）在初步實驗過程當中，相關的施工人員需要對其參數，進行全面性的測試工作，并在測試工作后進行分析，找出設備儀器合理有效地數據參數。

（2）盾構機在工作過程當中，很容易對周邊巖層造成破壞，故操作手在盾構機掘進過程當中，需要放慢盾構機的施工速度，保證注漿、管片拼裝等其他工作整體的質量。

（3）土倉的壓力會直接影響到整體施工的質量，因此，作業人員要根據施工場地的實際情況，對土倉壓力進行全面性的把控，保證盾構掘進過程中土倉的壓力合理且穩定，避免壓力過大或過小現象的發生。

（4）渣土量會直接影響后期沉降，因此，在施工過程中，作業人員需要對渣土量進行全面性的把控，對渣土數量過多的地區進行填充注漿處理。

（5）為保證施工整體的質量，相關的施工人員還需要對施工的實際情況進行全面監控，做好盾構機各項數據的反饋工作，從而真正實現信息化操作。

（6）注漿配比。為達到較好控制地層變形效果，機吊區間下穿段同步注漿采用可硬性漿液，二次注漿注水泥、水玻璃雙液漿方案。通過調整各原材料的含量和規格，試驗漿液的初凝時間、達到強度時間、稠度、泌水率、固結收縮率等性質確定下穿穗莞深隧道的漿液配比。根據試驗結果，決定采用早強型普通硅酸鹽水泥，并考慮增加CaCl2等加速漿液凝固的外加劑，保證漿液可以在1d內達到強度。適當提高粉煤灰含量，并且用強度等級更高，細度更高的粉煤灰，以提高砂漿的粘聚性和保水性。下穿穗莞深隧道同步注漿配合比見表2。

表2 下穿穗莞深隧道同步注漿配合比

（7）洞內環箍注漿在隧道施工當中起到至關重要的作用，盾構機在施工過程當中，或多或少的會對周邊巖層土壤造成一定的影響，因此，相關的施工人員需要采用洞內環箍注漿進行加固工作。比如：在盾構機后方通過管道進行高壓力的注漿工作，能夠有效地對周邊的巖層質量進行鞏固工作，從而保證沉降工作的質量，其次，對出現裂縫等問題的土體進行洞內環箍注漿還能夠有效地控制地面變形，從而真正使沉降設計工作達到嚴格地標準。

（8）三次注漿。為止住盾尾來水造成噴涌情況以及進一步填充空隙，當在管片脫出盾尾八環后，進行三次補充注漿，采用雙液漿，水泥漿水灰比為0.8～1；水玻璃與水按1:1.5進行稀釋；注入時水玻璃體積比為：水泥漿：水玻璃=1:1。

3.2.5 后續沉降控制

為保證盾構施工過程中穿越后穗莞深隧道安全，需進行深孔加強注漿加固，以提高管片強度和穩定性，減少后期沉降。在管片縱向螺栓的位置每22.5°增加一個注漿孔,即在每個鄰接塊和標準塊各增加兩個注漿孔,每環管片注漿孔增加到16 個。通過11 點位或1 點位預留注漿孔對在建穗莞深隧道左線DK41+622.21～DK41+719.97及DK41+622.21～DK41+751.13右線段進行洞內注漿加固。注漿范圍為隧道兩側120°,注漿厚度為穗莞深隧道與機～吊區間隧道凈距H-1m。

管片背后二次深孔加強注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿時需要在1 點位或11 點位注漿口上安裝逆止閥，防止地下水通過注漿管流入隧道。根據實際施工情況及在建隧道內監測情況對單孔注入量進行調整。

3.3 其他沉降控制

3.3.1 防止管片上浮及側移的措施

及時跟蹤測量管片姿態，反饋監測數據，分析管片姿態每日變化趨勢，研究管片是否存在上浮，以及上浮速度及上浮量；加強同步注漿管片，保證管片上部及圓曲線外側的管片空隙也被漿液填充密實；根據管片姿態監測情況，如管片上浮量較大，則垂直偏差可調整為-30mm～-40mm之間。

圖3

3.3.2 選擇注漿漿液，控制地表變形

根據機場北站至吊出井盾構成功穿越所獲取的經驗，可以直接選用“準厚漿”漿液作為注漿工作的基礎材料，此材料的主要成分含有石灰、鈉基、粉煤灰、砂子、添加劑、水。此漿液的優勢就是填充質量較高，漿液整體稠度較高，硬化體積收縮小等，對于表面變形的控制有著極好的效果。

4 盾構施工沉降量監測技術

本隧道結構變形監測控制網（點）以在建穗莞深隧道線路鋪軌控制基標系統為基準建立，起始并附合于隧道控制基標點上，選擇6個基標點作為高程基準點。控制網同觀測點一起布設成閉合環網、附合網或附合線路等形式。基準點的選擇須遠離盾構施工影響范圍。

機～吊區間中心線與在建穗莞深隧道左線、右線相交位置一個布設監測點，然后分別沿在建穗莞深隧道方向按5m、10m、20m的間距向兩側布設監測點，點位布設在隧道側壁的管片上，左右線共布設14個沉降測點；采用TrimbleDINI03電子水準儀觀測結合幾何水準測量，并記錄數據；需要經過3次反復測量，把標準誤控制在±0.15mm 以內，往返較差及環線閉合差應在±0.3mm（n 為測站數）以內；平差后數據取位應精確到0.1mm，預警值取控制值的60%，報警值取控制值的80%。

圖4

5 結語

綜上所述，下穿既有鐵路盾構施工是交通軌道施工中要重難點工程，通過制定施工方案、完成技術交底、選擇合適的盾構機、配備施工人員、組件安全預警人員、精準控制施工過程的施工參數、動態監測數值等內容，加強對盾構法下穿既有鐵路造成的沉降變形，保證施工的順利進行和施工安全。