福州地鐵5號線盾構(gòu)下穿營業(yè)線施工技術(shù)分析

中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

福州地鐵5號線出場線長1561.062m，入場線長1571.748m，全線長3132.81m，線間距為9～33m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為300m，縱斷面為“人”字坡及“V”字坡組合形式，最大坡度為25‰，出入場線連續(xù)下穿國鐵峰福鐵路、昌福高鐵和外福疏解線。

1.2 隧道與鐵路交叉段情況

隧道洞頂距離峰福鐵路路基基礎(chǔ)底豎向凈距為11.7m，距離軌面豎向凈距為20m，下穿國鐵昌福高鐵閩江特大橋、外福疏解線特大橋。

1.3 下穿鐵路段隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

（1）工程地質(zhì)情況。下穿鐵路段隧道的區(qū)域地質(zhì)自上而下為雜填土（1-2）、填塊石（1-5）、粉質(zhì)黏土（2-1）、淤泥（2-4-1）、粉質(zhì)黏土（3-1-1）、殘積砂質(zhì)黏性土（6-2）、強(qiáng)風(fēng)化閃長巖（砂土狀）（7-4-1）。（2）水文地質(zhì)情況。下穿鐵路區(qū)域場地地下水近3～5年變化幅度約為3m，最高地下水位高程為8.5m，歷年地下水最高水位高程為11.14m。

2 盾構(gòu)下穿鐵路風(fēng)險(xiǎn)

2.1 既有線保護(hù)要求高

此次下穿營業(yè)鐵路線施工必須保證盾構(gòu)下穿期間上部鐵路的正常運(yùn)營。線路沉降及方向偏移以軌道豎向及水平位移≤8mm為控制指標(biāo)。

2.2 穿越期間土體擾動造成沉降

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的土體擾動會產(chǎn)生地表沉降，穿越營業(yè)線期間一旦沉降超過限值，將影響既有營業(yè)線的正常、安全運(yùn)營，造成惡劣的社會影響。

3 下穿施工前的主要工作

施工進(jìn)場后，相關(guān)人員及時(shí)進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)勘，并根據(jù)工程、水文地質(zhì)特性，開展盾構(gòu)及配套設(shè)備選型。施工單位提前與鐵路局相關(guān)部門溝通，對鐵路路基進(jìn)行了加固，下穿施工安排在鐵路運(yùn)輸量小的時(shí)間段，減小了施工對運(yùn)營的影響。

3.1 補(bǔ)充地質(zhì)勘探

施工單位施工前委托專業(yè)勘測院對詳勘時(shí)孔距過大、軟硬不均、斷面揭示不完整的地段進(jìn)行了地質(zhì)補(bǔ)勘。補(bǔ)勘地勘孔布置在隧道兩側(cè)，孔間距為11m。

3.2 盾構(gòu)設(shè)備選型

施工時(shí)采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，盾構(gòu)刀盤直徑為φ6470mm，采用6輻條+6面板的結(jié)構(gòu)形式，刀盤前面板表面堆焊6+6復(fù)合鋼板；外圈大圓環(huán)焊接一整圈耐磨合金環(huán)、上面兩圈各焊接8把大圓環(huán)保護(hù)刀。

刀盤開口率為40%，設(shè)4個(gè)泡沫口、2個(gè)膨潤土口，設(shè)置4個(gè)主動攪拌臂；刀盤上共設(shè)置中心雙聯(lián)滾刀8把、單刃滾刀35把、刮刀42把、邊刮刀12把、超挖刀1把。螺機(jī)采用內(nèi)徑φ800mm的軸式螺旋機(jī)，最大通過粒徑為300mm。

盾構(gòu)總推力為39910kN，額定扭矩為6650kN·m，脫困扭矩為8100kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速為0～3.35r/min，掘進(jìn)速度為60mm/min。

配置8m3的砂漿儲漿罐，采用2臺施維英活塞注漿泵，流量為2×12m3/h。

3.3 穿越前的準(zhǔn)備措施

（1）加固。峰福鐵路路基采用注漿+D型鋼便梁加固設(shè)計(jì)，由路基坡腳外側(cè)斜向采用袖閥管劈裂注漿加固。昌福高鐵及外福疏解線橋下采用D800鋼管樁隔離+袖閥管注漿加固。（2）設(shè)備準(zhǔn)備。盾構(gòu)在出上軟下硬地層前進(jìn)行開倉換刀，檢查設(shè)備，確保盾構(gòu)一次性順利通過，避免下穿過程中停機(jī)。在刀盤到達(dá)鐵路影響范圍前，進(jìn)行盾構(gòu)整體全面檢查。（3）下穿前的試掘進(jìn)。提前進(jìn)行長度為12m的試驗(yàn)段掘進(jìn)，根據(jù)地表沉降數(shù)值和出渣情況選擇下穿鐵路時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)，采取徑向注膨潤土、克泥效漿液的方式減小掘進(jìn)過程中的沉降，掘進(jìn)通過后及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

4 下穿施工主要采取的技術(shù)措施

4.1 掘進(jìn)參數(shù)選擇

（1）土壓力控制。穿越峰福鐵路段土倉壓力為175～185kPa，下穿昌福高鐵/外福疏解線土倉壓力控制在150～160kPa。（2）掘進(jìn)速度控制。盾構(gòu)推力控制在1100t，刀盤轉(zhuǎn)速為1.3r/min，為確保同步注漿及克泥效漿液注入效果，推進(jìn)速度控制在30mm/min。（3）出渣量控制。每環(huán)出渣量控制在43.8m3。根據(jù)掘進(jìn)過程中土壓的變化及地面沉降情況，及時(shí)對出渣量進(jìn)行微調(diào)。（4）同步注漿控制。每環(huán)同步注漿量為6m3，注漿壓力控制在0.25～0.30MPa。（5）渣土改良措施。①在砂土狀強(qiáng)風(fēng)化閃長巖地層掘進(jìn)時(shí)選擇膨潤土和高分子聚合物作為渣土改良劑。膨潤土泥漿采用膨潤土∶水（體積比）=1∶9的配比拌制，每環(huán)注入膨化12h后的6～7m3膨潤土泥漿。聚合物溶液采用高分子聚合物∶水（質(zhì)量比）=4∶1000的配比配置，每環(huán)注入3～4m3高分子聚合物溶液。②在粉質(zhì)黏土、殘積性黏土、淤泥地層采用泡沫劑作為渣土改良劑，泡沫溶液采用泡沫原液∶水（質(zhì)量比）=2∶100的配比配置，按照泡沫溶液∶渣土（質(zhì)量比）=1∶40～1∶30的配比加入泡沫溶液進(jìn)行渣土改良。

4.2 姿態(tài)控制與管片選型

（1）姿態(tài)控制。施工人員要及時(shí)調(diào)節(jié)推進(jìn)油缸，控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和鉸接油缸的伸縮，確保盾尾間隙均勻。（2）管片選型。管片按埋深分為P1、P2、P3三類管片（淺埋、中埋、深埋環(huán)），該工程中管片選用P3深埋增加預(yù)埋注漿孔襯砌環(huán)。管片選型控制盾尾間隙偏差（相對理論間隙）在15mm以下，注意管片拼裝的橢圓度，防止尾刷與管片碰撞導(dǎo)致盾尾密封與鉸接密封損壞以及管片變形。

4.3 同步注漿及二次注漿

同步注漿根據(jù)不同的地質(zhì)條件及控制標(biāo)準(zhǔn)確定各個(gè)注漿管的注漿壓力與注漿量。管片脫出盾尾5環(huán)后及時(shí)進(jìn)行二次注漿，通過管片預(yù)留注漿孔對隧道洞內(nèi)進(jìn)行全斷面注漿加固處理，加固圈厚度為2m。

4.4 輔助施工措施

（1）盾體外側(cè)徑向注漿。掘進(jìn)過程中將克泥效水溶液材料（常用濃度為400～500kg/m3）與塑強(qiáng)調(diào)整劑（水玻璃40be）兩種液體以體積比10∶1～20∶1的比例混合，注入開挖面與盾體之間的間隙中，注入率為130%，壓力控制在0.2～0.3MPa。（2）營業(yè)線路線行車限速。在盾構(gòu)施工通過鐵路隧道前后30m影響范圍內(nèi)進(jìn)行鐵路路線限速。

5 施工監(jiān)測技術(shù)

5.1 監(jiān)測方法及精度

施工單位采用多功能3D全站儀自動監(jiān)測+人工監(jiān)測方式及時(shí)監(jiān)測地表沉降、軌道變形、橋梁墩臺沉降、其他設(shè)施設(shè)備變形等。沉降觀測測量精度為±0.1mm，水平位移觀測測量精度為±1.0mm。

5.2 監(jiān)測控制值

施工監(jiān)控量測管理基準(zhǔn)值如表1所示。

表1 監(jiān)控量測管理基準(zhǔn)值表

6 施工效果

（1）既有線路變形工況模擬分析情況。通過數(shù)值模擬計(jì)算峰福鐵路路基最大沉降為6.21mm。（2）既有線路變形監(jiān)測情況。峰福鐵路路基豎向最大位移為-1.7mm，軌道豎向最大位移為0.3mm。

7 結(jié)論

通過盾構(gòu)下穿既有鐵路線路施工，總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）在穿越鐵路線盾構(gòu)掘進(jìn)期間，沉降主要發(fā)生在刀盤、盾體通過路基以及盾尾通過路基后，其中盾尾通過路基后的累計(jì)沉降大約占整個(gè)變形的60%。（2）加強(qiáng)碴土改良、保持合理土倉壓力、進(jìn)行充分的同步注漿是盾構(gòu)順利穿越鐵路的基本手段。計(jì)算土壓力時(shí)，將路基荷載簡化為以45°向外均布傳遞的模型可滿足土壓力設(shè)定及路基荷載影響范圍的要求。（3）在盾殼外部注入漿液可以減少盾構(gòu)穿越過程中的地層沉降，選擇速凝、結(jié)實(shí)率高的漿液并保持飽滿的同步注漿數(shù)量是控制后期沉降的主要手段。（4）采用自動化監(jiān)控量測能及時(shí)進(jìn)行信息反饋，有利于盾構(gòu)施工的沉降控制。