盾構下穿南通火車站施工技術研究

明 亮

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著城市地鐵的不斷擴建，地鐵穿越既有鐵路與構建筑物的情況不斷增加，面臨的地質情況和環境條件也越來越復雜。既有線鐵路軌道對沉降變形控制要求較高，在下穿既有線施工前，需提前采取加固措施減小軌道交通建設所引起的鐵路沉降與變形控制。掘進過程中需要合理的設置盾構機掘進參數，并采取有效的控制措施以減小地表沉降，降低軌道交通區間施工期間鐵路的運營風險。掘進完成后根據地表的沉降情況及時進行二次注漿。

1 工程概況

南通市城市軌道交通2號線一期工程土建施工03標共包含2站1區間，即永達路站、永達路~南通火車站站盾構區間、南通火車站站。區間盾構隧道穿越寧啟鐵路7條股道、3組站臺鐵路采用碎石道床，穿越寧啟股道與站臺的角度為85.7°~90°，隧道頂部與寧啟鐵路路基豎向距離20.1 m~20.4 m。區間縱斷面成節能坡，線路出永達路站以25‰坡度下降，然后以8.7‰坡度下降，最后再以5.2‰坡度上升至南通火車站站。

區間穿越南通火車站范圍的線間距約18 m。左ZK2+016.34~左ZK2+068.82，環號700環~744環，約44環；右ZK2+016.53~右ZK2+069.00，環號701環~745環，約44環；盾構隧道范圍主要為③2粉砂、③3粉土夾粉砂，如圖1。

本區間采用1臺土壓平衡盾構進行施工，先左線，后右線施工。在建盾構隧道段斷面為圓形，盾構的隧道結構采用C50鋼筋混凝土進行襯砌管片，段環寬1.2 m，內徑Φ5.5 m，外徑Φ6.2 m，管片厚0.35 m，全斷面共分6塊管片。管片之間采用彎螺栓連接，錯縫拼裝。

2 WSS工法注漿

對軌道交通與既有寧啟鐵路相交處由于場地股道布置密集，施工場地受限，工程地質情況復雜與穿越節點處場地條件，需采用機械設備操作空間小的加固工藝，同時加固質量可靠的WSS注漿工藝進行加固。

WSS工法注漿是一種二重管鉆孔至一定深度后再采用一臺同步注漿機注漿。有液體A和液體B這兩種泥漿，通過在二重管末端的漿料混合器徹底混合，以填充和固化巖土層的空隙或孔隙，從而改變巖土層的性質。注漿材料是水泥、水玻璃、冰醋酸、二氧化硅系膠負體等材料來源普遍。

對寧啟鐵路路基進行注漿加固，對區間穿越既有寧啟鐵路股道下采用WSS+袖閥管注漿加固，角度不小于60度時采用袖閥管注漿。加固范圍沿鐵路方向貫通，超出盾構外緣約6 m，加固范圍沿盾構方向南端超出南通站基本站臺，北端超出南通站9道中心線6 m并與沿江高鐵范圍搭接；加固深度自寧啟鐵路路基頂面下5 m至盾構底下3 m，如圖2。

圖2 加固方案剖面圖

注漿孔縱橫向注漿孔間距1.2 m×1.2 m，漿液擴散半徑0.8 m。注漿加固后注漿加固體無側限抗壓強度不小于0.8 MPa。合理確定注漿壓力，注漿施工期間軌道隆起量不超過2 mm。同時為滿足加固場地條件，需分別臨時占用3條寧啟鐵路股道，分別為4道、3道、7道，待加固完成后恢復，每道占用時間及注漿加固方案詳見雷威公司注漿施工方案。

3 克泥效施工

克泥效工法是將高濃度泥漿水材料和塑料強度調節劑（水玻璃）分別通過管道泵入指定位置，然后將兩種液體按適當比例混合形成高粘度的膠凝體，再通過徑向孔進行注入，填補開挖直徑與盾體直徑之間間隙的一種工法。混合后的流動塑性膠化體不易被水稀釋，粘度強度不隨時間進行變化。

盾構機在設計與制造時，刀盤都會大于盾體。由此，在掘井過程中，開挖面會與盾體形成大約上下各20 mm的間隙，克泥效可以有效填充盾構機掘進過程中產生間隙，減小沉降量。

（1）嚴格控制土倉壓力（泥水壓）波動范圍；做好渣土改良，確保掌子面穩定。

（2）合理設定推進速度，保證推進速度的穩定性。在推進開始和結束時，應逐漸提高和降低速度。

（3）準確控制出土量。原則上，根據理論的出土量出土，可適當進行開挖，保持土體密度。

（4）同時監測刀盤上方及前方的地面沉降或隆起，土倉壓力（漿液壓力）和開挖土量及時調整，實現第二階段沉降控制。

（5）同時，通過盾構機的徑向孔將漿料注入盾構中，及時填充開挖直徑與盾構之間的空隙，控制注漿壓力和注漿量，及時監測和調整地面沉降。

（6）克泥效的注入點是在11點鐘方向和1點鐘方向的徑向孔注入。

（7）每2~3小時進行一次地面沉降同步監測，測量范圍從盾構機前方5環至盾尾后方10環。

（8）做好沉降記錄并及時反應，有利于第一時間調整。

在下穿前15環，開始注入克泥效，統計克泥效注入后各項掘進數據（表1）。下穿風險源結束，管片脫離盾尾時及時、足量注入高質量的同步注漿漿液，縮短膠結時間，減少漿液散失；確保填充效果，控制地層損失，同步注漿以壓力為主，注入量為輔。建議盾構掘進時，5環左右用雙液漿封環一次及時進行二次雙液補漿；填補單液漿在地層中的散失。及時反映隧道推進區域上方建筑物的變形情況，在盾構穿越期間需進行沉降觀測，實施動態管理。

表1 克泥效指標

4 盾構施工參數設置

根據試驗段掘進參數，制定盾構下穿寧啟鐵路路基、股道及站臺掘進參數。

盾構下穿之前，進一步核查南通火車站區域是否存在對盾構造成影響的地下不明結構。盾構施工通過時，加強施工控制，優化施工參數，加大同步注漿、二次注漿和多次洞內補漿，嚴格控制地層損失和地面沉降，做好跟蹤注漿準備和應急預案，加強建筑與地面的監測，根據監測結果，及時調整盾構施工參數，建立預警系統，確保車站及隧道的安全。

4.1 土倉壓力設定

土倉壓力可平衡開挖面水土壓力，保持開挖面穩定，為盾構機順利掘進提供保障。土倉壓力隨著隧道的覆土深度而變化，必須控制地層壓力與土倉壓力的差值在一定范圍內，將土倉壓力波動控制在最小幅度，以控制地表沉降。掘進時，必須對開挖面的土壓力進行嚴格監控。根據土壓力計算公式進行計算：

P上：土艙壓力上限值（kPa）；P下：土艙壓力上限值（kPa）

P1：地下水壓力（kPa）；P2：靜止土壓力（kPa）；P3：預備土壓力，取20kPa

γw：水的溶重，取值γw=10kN/m3

h：地下水位以下的隧道埋深（m）

K0：靜止土壓力系數，黏性土取0.5，砂性土取0.4

γ：土的溶重（kN/m3）

H：隧道埋深

Ka-主動土壓力系數

Ka=Tan2（45-Φ/2）

Φ-內摩擦角

CU-土的粘聚力

實際土壓力取值P=（P上+P下）/2

土壓力根據試驗段加理論計算值綜合考慮，2.7 bar。

4.2 出渣量管理與控制

出土量的監控也是確保開挖面穩定的重要手段。根據水平運輸的電瓶車每環運輸量的體積和車數進行計算，以此來反推出盾構每掘進一環切削下來的土體量的數值。計算后的理論出渣量可與實際出渣量作比較，根據兩者之間的差距，判斷開挖面是否有超挖或欠挖，以及地質變化情況。

每環理論出土量=π/4×D2×L=π/4×6.442×1.2=39.07 m3/環。

盾構穿越南通火車站區域時推進出土量控制在98%~100%之間。即38.29~39.07 m3/環。考慮外加劑及土體的膨脹系數，實際出土量應為40 m3/環。當發現出渣量過大時，應立即調整螺旋機轉速和推進速度，使二者匹配。同時判斷土體是否有超挖，找出原因后及時調整相關參數，保證開挖面的穩定性。

4.3 同步注漿

4.3.1 注漿壓力

割裂壓主要與注漿材料的粘度、土壓力、覆土高度和盾構直徑比有關。有學者通過室內試驗研究了粘性土的割裂壓問題，其試驗公式如下所示：

Pf=rt×h+a×qu

式中：pf—割裂壓；rt—土層濕容重；h—埋深；a—隨漿液粘性和直徑比而變化；qu—土的無側限抗壓強度；因此，注漿壓力不能大于pf。對于混凝土管片，當注漿壓力約為0.4 MPa時，會導致混凝土管片開裂，甚至導致F型管片發生螺栓剪切。對國內外注漿壓力與盾構機與土地沉降關系的研究表明，當注漿壓力等于隧道內地面壓力深度時，減少地面損失和土地沉降的影響是最重要的。

式中：式中：Pe-土壓（kN/m2）；D-隧道外徑（m）；B-隧道頂部松動圈幅（m）；K0-水平土壓和垂直土壓之比；γ-土體的容重（kN/m3）；C-土的內聚力（kPa）；φ-土的內摩擦角（°）；H-覆土深度（m）；W0-地面載荷（kPa）；因此，注漿壓力應至少大于Pe。結合本工程實際情況，根據以上分析，區間盾構隧道路基位置埋深17~21 m，得到相應注漿壓力范圍為2.8~3.3 bar。具體壓力根據推進時實際情況控制。

4.3.2 注漿量計算

本標段注漿量取環形間隙理論體積的1.3~1.8倍，則每環（1.2 m）注漿量Q=1.56×Q理論~×1.3×Q理論。正常段每環注漿量不小于1.8×Q理論（注漿率150%）；在盾構穿越房屋段、河底、橋梁每環注漿控制量不小于2.16×Q理論（注漿率160%~240%），考慮到粉砂、砂質粉土夾粉質粘土等地層的滲透性增強，適當增加注漿量，因此注漿量為5.34~8 m3。實際注漿量為5.0~6 m3。

4.3.3 性能要求（如表2）

表2 漿液性能要求表

4.3.4 配比設計

根據相關的施工經驗，本工程同步注漿方案采用表3所示的比例。在施工過程中，根據地層條件、地下水條件及周圍條件，通過現場試驗和優化確定，當地層進入粉砂層時使用第二個配比進行注漿。

表3 同步注漿材料配比表

4.3.5 二次注漿

漿液配比：水泥漿采用P42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1；水泥-水玻璃雙液漿配比見表4。

表4 雙液漿配比及漿液主要性質表

4.3.6 其他參數設置見表5

表5 下穿寧啟鐵路掘進參數表

5 沉降分析

中鐵第四勘察設計院有限公司本工程采用MIDAS-GTS軟件對盾構隧道穿越鐵路進行數值模擬分析，地層最大沉降約13.6 mm，位于兩隧道之間拱部地層；鐵路股道最大沉降為13.4 mm，位于兩隧道之間上方附近；過站通道最大沉降為12.3 mm，位于斜坡道口附近；不滿足鐵路軌道路基的沉降控制要求。

地層加固后，地層最大沉降約11.9 mm，位于兩隧道之間拱部地層；鐵路股道最大沉降為7.5 mm，位于兩隧道之間上方附近；過站通道最大沉降為6.9 mm，滿足鐵路軌道路基的沉降控制要求。通過合理配置掘進參數，采用WSS+袖閥管注漿施工結合克泥效功法施工后。對相關參數進行了監測，軌道最大水平橫向位移0.8 mm；最大水平順向位移為1.8 mm，監測點號2ZT32，鐵路里程在2號站臺；最大累計沉降量1.5 mm，監測點號3ZT23，位于3號站臺。實際沉降量遠小于設計給出的檢測值，見圖3。

圖3 加固后最大沉降量

6 結論

（1）文章結合南通地鐵二號線盾構穿越寧啟鐵路的案例，簡要介紹了WSS+袖閥管注漿的施工工藝，驗證了其在既有線鐵路底部加固的可操作性，在最大限度地減小對軌道正常運營的情況下，完成了3站臺7股道底部的加固。

（2）介紹了克泥效在穿越寧啟鐵路時的具體注入方案，建議在11點和1點鐘方向注入；結合同步注漿，確保填充效果，控制地層損失，同步注漿以壓力為主，注入量為輔；5環左右用雙液漿封環一次及時進行二次雙液補漿。

（3）通過合理配置盾構掘進參數，控制出土量，優化砂漿的配合比設計，及時二次注漿。給出了盾構穿越寧啟鐵路的參數配置。

（4）通過檢測數據得到隧道的最大沉降量為1.5 mm，遠小于設計給出的計算值7.5 mm，驗證了WWS+袖閥管注漿施工結合克泥效功法在盾構穿越鐵路施工中的效果十分明顯，為此類施工提供了參考。