地鐵區間盾構多次下穿鐵路營業線施工技術研究

占凡

（中鐵二局集團有限公司城通分公司，四川 成都 610036）

盾構法施工已經成為城市地鐵隧道工程施工中應用較廣的一種施工方法，該方法具有施工速度快、安全性高、對周邊環境影響小等特點，廣泛應用于地鐵區間隧道施工。又特別是在老舊城區施工過程中，采用盾構施工穿越各種重要建構筑物成為一種常態。本文通過某盾構區間左右線多次成功長距離下穿鐵路為實例，保證了鐵路正常運營和施工安全，下文對施工過程的技術措施進行闡述。

1 工程概況

此次下穿鐵路盾構區間為雙線地鐵隧道，區間最小轉彎半徑410 m、最大縱坡28‰、盾構區間隧道頂埋深17.05～30.8 m，盾構外徑6 m，內徑5.4 m，采用中鐵裝備盾構機進行施工。

1.1 鐵路簡介

道床及軌枕形式如下：下穿范圍段鐵路道床為碎石道床，由具有一定粒徑、級配和強度的硬質碎石堆集而成；軌枕為混凝土。最高運行速度為城際200 km/h。

1.2 下穿鐵路位置關系及主要鐵路設施

鐵路位于地鐵區間以410/430 m曲線半徑上，第一次下穿鐵路3條鐵路股道及渡線道岔，另包括4個信號燈、2個道岔機、4根接觸網立柱等相關設備設施，如圖1所示；第二次下穿鐵路2股道及側穿一座鐵路橋、7根接觸網立柱，如圖2所示。左線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.7 m（第二次下穿凈距27.6 m），右線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.0 m（第二次下穿凈距28.4 m）。

圖1 第一次穿越平面位置關系

圖2 第二次穿越平面位置關系

1.3 下穿鐵路地質情況

穿越鐵路段盾構隧道頂埋深為25.0～28.4 m，左右線地層主要為<8-3>中風化泥質粉砂巖，巖層強度為5.4～15.7 MPa；<7-3>強風化泥質粉砂巖，巖層強度為1.0～3.4 MPa。

2 技術重難點及應對措施

該鐵路區間無法進行地質勘察，勘察資料缺失，無法準確判斷該段地質情況，在盾構掘進過程中缺乏指導性，存在盲目性。針對此情況，需要做到以下2點：①分析周邊區域地質構造，區域地質構造簡單，為單斜構造，覆蓋層為人工填土，下伏基巖為泥質粉砂巖等，地內無塌陷、崩塌、滑坡等不良地質體存在，綜合判斷穩定性較好，根據隧道埋深判斷為強風化或中風化泥質粉砂巖；②在掘進過程中對渣樣進行分析，判斷地層情況。

城際列車以200 km/h高速通過，對沉降極為敏感，控制軌道沉降差極為重要。可通過試驗段總結掘進參數，采用同步漿液量和壓力雙控指標、每環采用雙液漿進行補漿、每隔8環注止水環箍等措施控制沉降，同時采用AB料新技術控制沉降，申請對過站列車進行限速[1]。

鐵路絕大多數時間處于正常運營狀態，對軌道沉降監測存在一定困難，鐵路運營期間非鐵路人員不得進入軌道范圍內。鐵路部門配合檢查線路軌距、水平、方向等幾何尺寸，較大變形一經發現，立即糾正；較小變形可利用夜間時段進行調整修復，避免沉降積累[1]。如變形繼續加大，立即改道，盾構停機保壓，查找原因等措施；測量人員在軌枕上、路基上布置監測點，在高架橋、屋頂等高空位置對其進行監測。

3 施工前準備

3.1 技術準備

3.1.1方案編制審批

在穿越鐵路之前，編制《盾構下穿鐵路專項施工方案》，組織專家評審；下穿前檢查刀具，做好盾構機維護保養和刀具檢查更換，確保連續不間斷穿越；與鐵路相關部門聯動，采取測量巡視及列車限速措施；施工區間分為試驗段、穿越段和保護段，利用試驗段充分驗證掘進參數的可實施性，掌握不同參數和地面沉降之間關系，確保穿越段參數最佳。

3.1.2 AB料新材料新技術引進

在穿鐵前，引進漿液AB料，AB料屬于一種漿液的促凝劑。使用時A料可直接混合于正常的同步漿液中，B料需溶于水形成B液，在同步注漿時，將B液新增管路至盾尾與同步注漿管聯合。下穿鐵路時，同步漿液在AB料的輔助加持下縮短了漿液初凝時間，增加了漿液凝固后的強度，對抑制地表沉降起到了良好的作用。A、B料分別如圖3、圖4所示。

圖3 A料

圖4 B料

3.1.3 施工監測

監測內容為試驗段、穿越段和保護段范圍，即沿隧道方向到達鐵路圍墻前60 m到盾尾脫離圍墻20 m范圍。

本次穿越鐵路施工監測主要分為自動化監測、人工監測和鐵路工務巡查檢修。自動化監測按照圖紙實施，與此同時在盾構下穿前，在鐵路股道旁、道岔旁、鐵路路基等位置提前清點，之后在旁邊的高架橋、鐵路人行天橋或是在鐵路旁居民2層房屋樓頂上采用全站儀進行監測。同時鐵路監測由工務段利用天窗點進行測量。鐵路測點布置如圖5所示。鐵路變形控制值如表1所示。

圖5 鐵路測點布置圖

表1 鐵路變形控制值

當實際變形值達到控制值的80%，即為監控的報警值，發出預警，達到控制值時發出報警，當首次報警后，若測點以較大速度繼續變形，視情況繼續報警并加大監測頻率。

3.1.4 開倉檢查

為確保穿越鐵路過程中刀具正常可控，在全數檢查刀具磨損和刀箱情況后，提高中心刀和面刀更換標準至8 mm，并根據刀具布設位置針對性地進行更換，清理刀盤上的泥餅，確保順利下穿運營鐵路。

3.1.5 技術交底

在到達試驗段前，將組織項目部和現場全體人員進行交底，使其詳細了解穿越的平縱斷面關系、下穿的具體環數、地質情況、施工組織計劃和安全、技術措施等。

3.1.6 物資儲備

提前配備優質的進口巴斯夫泡沫劑和康達特的盾尾油脂，在下穿鐵路的穿越段使用，保證渣土改良和盾尾密封效果。

3.2 穿越前的施工組織

此次地鐵區間下穿鐵路施工主要分為施工前準備、試驗段、穿越段和保護段幾個階段。左右線需分開穿越，左線先行下穿，在左線盾尾脫出保護段后，對鐵路影響范圍進行系統的壁后補償注漿，同時在確定鐵路設施的安全狀態良好后再進行右線隧道的掘進施工。

3.3 下穿鐵路數值分析

3.3.1 分析思路

應用MIDASIT公司的GTS巖土與結構有限元分析軟件，采用地層-結構模型模擬分析隨著盾構掘進，地表沉降和變形，評估地鐵施工對既有鐵路的影響。

3.3.2 計算模型

計算模型尺寸為150 m（長度）×100 m（寬度）×50 m（地面以下深度），如圖6所示，地層采用實體單元模擬，盾構管片采用板單元模擬。劃分網格時，采用混合網格生成器，管片和開挖土體單元尺寸取1 m，其余單元尺寸取2 m。盾構區間與既有鐵路空間位置關系如圖7所示。

圖6 計算模型

圖7 盾構區間與既有鐵路空間位置關系

3.3.3 巖土參數

巖土參數如表2所示。

表2 巖土參數

3.3.4 工況分析

上述盾構開挖區域所屬地層為<8-3>中風化巖，盾構掘進過程中，考慮左右線錯開180 m距離。初始狀態如圖8所示。各開挖工況位移統計如圖9所示。

圖8 初始狀態

圖9 各開挖工況位移統計

3.3.5 數值分析結論

根據不同工況數值分析，盾構掘進對股道的最大沉降未超過5 mm，滿足要求。

4 下穿鐵路技術和管理措施

4.1 掘進參數管控

4.1.1 參數預警

參數預警如表3所示。下發異常參數預警表，不得超過規定限值。

表3 參數預警表

4.1.2 試驗段參數設置

鐵路段平均埋深26 m，地質整體為<7-3>強風化泥質砂巖、<8-3>中風化泥質砂巖，采用“半倉土，氣壓輔助掘進”模式，與全倉土壓模式相比，半倉土具有減小盾構負荷、減慢刀具磨損、降低渣溫的優點，保護刀盤處于良好的工作狀態是順利穿越鐵路的關鍵。

“半倉土，氣壓輔助掘進”模式主要是自然空氣注入到土倉內來平衡掌子面的壓力。氣源主要為隧道自然空氣，通過空壓機注入量來調節倉內壓力，通常為泡沫劑和空氣混合物。該模式主要通過頂部和掌子面的地質條件來確定倉內渣土界面高度；頂部為富水砂層及淤泥土，不使用該種模式；頂部為可塑狀黏土且具有短時穩定能力，倉內渣土超過土倉高度1/2；頂部為穩定巖層，倉內渣土液面高度不應低于1/3，為了保持螺旋機出土需要，也為了防止地質突變帶來風險，在掘進過程中不宜頻繁改變渣土面高度[2]，避免對掌子面形成負壓，從而引起坍塌。

通過整理穿鐵試驗段掘進參數，并根據各種類似地層進行對比分析，擬定了穿越參數，如表4所示。

表4 掘進參數

4.1.3 穿越段、保護段參數設置及優化

在試驗段掘進十分順利的情況下，將試驗段參數應用到穿越段以及保護段，在第一次成功穿越完成后及時總結參數，為后續3次穿越提供數據，并且每日根據不同的地層、地下水及監測等情況，每日下發盾構管控掘進指令單動態調整掘進參數。

穿越過程中加大地面巡查至每1 h一次，嚴格控制出土量，并采用方量計算以及龍門吊稱重進行核算。每環采集渣樣2次，測量渣溫2次，并及時反饋給地面。如發現渣溫過高，需及時調整渣土改良參數，防止刀盤結泥餅。如渣溫過高未及時調整參數，在泥質粉砂巖掘進中刀盤容易結泥餅，使刀盤扭矩變大，刀具磨損加快，刀具易偏磨，速度變慢，掘進效率降低，容易引起較大的沉降。

4.2 姿態調整

穿越段平面線性為曲線段，縱斷面為28%的下坡，盾尾間隙單側為35 mm，為保證穿越鐵路的安全及成型隧道質量，盾構水平姿態控制在﹣30～﹣20 mm以內；考慮到管片后期上浮等情況，垂直姿態控制在﹣40～﹣30 mm以內，以此嚴格要求盾構機掘進，有效減小盾構機對地層的擾動。同時堅持“勤糾、緩糾”的原則，每環姿態不宜變化過大，每環調整量在5 mm以內，同時根據管片姿態測量的情況調整掘進方向。

4.3 渣土改良

在穿越鐵路過程中，為保證最好的渣土改良效果，選用進口的巴斯夫牌泡沫劑，測泡沫發泡效果、發泡倍率、持泡時間，并明確當渣溫大于34℃時預警。渣土改良配比如表5所示。

表5 渣土改良配比表

4.4 出土量控制

每掘進1環進尺的理論出土量為：V=L×πd2/4=46.4 m3，根據前期掘進經驗和查閱《建筑施工手冊》，泥巖類取松散系數k=1.40～1.45（65～67 m3）比較合理，每掘進1環進尺的出土量應控制在65 m3。

掘進出土管控由方量控制、質量控制、行程控制3方面進行控制，并相互佐證：①方量控制。每掘進1 500 mm，<7>號地層小于60 m3，<8>號地層小于65 m3，<9>號地層小于67 m3。②質量控制。每掘進1 500 mm，<7>號地層小于120 t，<8>號地層小于130 t，<9>號地層小于135 t。③行程控制。每箱土（12 m3），<7>號層大于300 mm，<8>號層大于280 mm，<9>號層大于270 mm。

4.5 同步注漿

同步注漿管控由質量控制、壓力控制、方量控制3方面進行控制：①質量控制。初凝時間根據地層、地面環境控制在2～4 h，漿液比例為1.7～1.8，擴展度控制在26～29 cm。②壓力控制。注漿壓力易控制在2～3 bar。③方量控制。注漿方量根據地層、地面環境考慮，根據中鐵裝備盾構機刀盤外徑算得理論注漿量為V=（π6.282/4－π62/4）×1.5×1.5=6.07 m3，原則上不能低于6 m3，但考慮到損失和地層中有裂隙存在，在下穿鐵路段每環注漿量加大至7 m3[3]。

在同步注漿的同時啟用AB料，通過試驗段開孔檢查漿液質量的實驗得到，當每方漿加入A料15 kg、B料20 kg時，同步漿液的初凝時間約28 min，滿足現場施工。同步漿液配比如表6所示。

表6 同步漿液配比表（單位：kg）

隧道掘進過程中，注漿量根據不同的地質情況和地表監測情況進行動態調整。每環的壓漿量大于建筑空隙的150%，注漿壓力漸近增加以滿足注漿量為上限值，原則控制在0.3 MPa。為保證穿越段施工質量，項目對同步注漿配合比重新進行試驗，選擇最優配合，初凝時間控制在2 h內，管片上浮量在20 mm以內。測擴展度如圖10所示。壓力控制如圖11所示。

圖10 測擴展度

圖11 壓力控制

4.6 二次注漿

4.6.1 二次跟蹤注漿

為使隧道周圍土體徹底固結，控制土體后續沉降，確保鐵路運營安全，在盾構掘進的時候不斷進行二次跟蹤注漿，管片脫出盾尾第10～12環附近頂部開孔，采用純水泥單液漿，水灰比為1∶1時進行二次注漿。

4.6.2 環箍設置

為提高同步注漿質量，避免已成環管片背后的地下水大量涌入土倉，每隔8環對管片背后進行整環二次注漿，形成一個由凝固雙液漿構成的止水環，截斷管片背后來水。采用雙液漿，初凝時間30 s以內，注漿壓力控制值在0.5 MPa以下。

4.6.3 工后補償注漿

在盾尾脫出鐵路保護范圍后，對整個穿越范圍的管片壁后每3環頂部開孔，進行一次系統的工后補強注漿，控制隧道后期沉降，再次確保運營線安全。采用純水泥單液漿，注漿壓力控制值在0.6 MPa以內[4-5]。

4.7 盾尾密封

盾尾密封雙控原則為質量控制、壓力控制。

油脂量控，根據掘進速度變動，為保證盾尾密封質量,在盾構下穿鐵路段加強盾尾油脂的注入[3]，原則上每環質量不小于45 kg，增加至60 kg。注入壓力，盾尾油脂靜止壓力不小于3 bar。管片粘貼海綿條及丁基橡膠薄板，能有效防止盾尾漏水、漏漿、漏氣，同時控制同步注漿的壓力。輔助措施如圖12所示。

圖12 輔助措施

4.8 盾構掘進參數預警制度控制

嚴格控制出渣量，每環掘進完成后出渣量大于規定值的±2 m3，門吊承重大于規定值的5 t，確保運營鐵路安全；每環檢測渣溫至少2次，渣溫34℃時為警戒值，當渣溫達到警戒值或每環溫度變化超過3℃時，立即分析判斷原因并采取措施；每環同步注漿有效注漿量保證在7 m3以上，同時確保注漿管路暢通，一旦出現2根以上管路堵塞時，必須立即保壓停機進行疏通。

5 穿越成果

區間左右線盾構按計劃先后2次順利下穿鐵路，未發生長時間停機等異常情況，成功安全、快速、連續、順利地下穿鐵路，成果如下：①左線下穿鐵路。第一次歷時6 d，下穿鐵路91.5 m，平均每天12.25 m；第二次歷時11 d，下穿鐵路138 m，涉及92環，平均每天12.5 m。最大沉降為﹣4 mm，未出現監測報警情況。②右線下穿鐵路。第一次歷時7 d，下穿鐵路138 m，平均每天19.7 m；第二次歷時11 d，下穿鐵路112 m，平均每天10.2 m。最大沉降為﹣7 mm，未出現監測報警情況。

6 總結及建議

在城市中進行盾構施工時，尤其是老舊城區中，由于周邊環境極其復雜，區間隧道線路受到車站站位以及周邊建構筑物的影響，不可避免地將下穿眾多重大風險源。盾構成功下穿4次鐵路，得出以下結論及建議。

穿越區段坡度為28‰大縱坡，地下水向掘進方向匯集稀釋同步漿液且存在盾尾同步漿液流失現象，采用AB料這種新技術可縮短同步漿液初凝時間，減少同步漿液流失控制地面沉降效果明顯；采用自動化及人工測量相結合的監測手段，能快速獲取沉降信息，為調整掘進參數提供數據支撐；合理的施工組織措施能實現盾構快速、勻速穿越，避免長時間停機引起地面沉降；加強信息共享，下穿運營鐵路這種重大風險需要同鐵路部門加強信息共享，確保鐵路運輸安全。