大直徑盾構機下穿既有線沉降控制技術

任世宗

（中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000）

1 項目簡介

1.1 工程概況

成自鐵路項目全長176km，作為四川境內第一條設計時速350km 的高速鐵路，其中錦繡隧道采用盾構法施工，盾構機開挖直徑12.79m，也是國產最大直徑的土壓平衡盾構機。盾構隧道管片外徑12.4m，內徑11.3m，幅寬1.8m，管片厚度55cm，該工程中需要9 塊環管片來構建砌環。

盾構隧道長約2.6km，由成都驛都大道出發，依次穿越城市主干道三環快速路、既有高速鐵路線及公路隧道等建構筑物地帶，因隧道內部半徑等因素影響，其線路的坡度為V 字型，坡度超過30°，可以保證隧道內通行的安全與通暢，期間覆土層最深處超過60m，這無疑對建筑工程的整體質量有了更高的要求。但其上下兩方的巖層完美的解決了這一情況，其抗炎能力有效化解了可能因強度等而造成的影響，如圖1 所示。

圖1 隧道實景

1.2 盾構機情況

錦繡隧道本身采用了為其定做的土壓平衡表盾構機，為保證施工的順利，在其復合式刀盤處設置了近乎一半的開口率，之后設立了固定的分子注入區域，分子注入區域約為經現場需求核對后確定為16 個，其鋼刀等道具也在80 把左右，長度約為482.6mm，這種盾構機的設計無疑保證了施工的效率，全程提采用錐形設計，最大程度的減少了摩擦力，并且結算朱雙優鋼的設計將其有效形成擴大到了3m 左右，其轉彎能力也提高到了600m 左右，使其效果得到了充分的保障。盾構機主機如圖2 所示。

圖2 盾構機主機（單位：mm）

1.3 盾構機下穿既有線概況

盾構隧道在線路里程 DK3+083.450—D1K3+125.847 下穿既有成渝成都南下行聯絡線橋梁37#、38#墩以及既有成渝成都南上行聯絡線路基，下穿既有鐵路橋梁上部結構為簡支梁結構，采用摩擦樁基礎，隧道穿越段橋梁段隧頂埋46.3～48.6m，正穿橋樁處隧頂與樁端最小豎向間距約16.5m，側穿橋樁處隧道與橋樁外輪廓最小水平間距約0.9m，豎向間距約19m；既有鐵路路基段為有砟鐵路，盾構隧道穿越路基段隧頂埋深約44.5m。如圖3 所示。

圖3 下穿既有線實景

2 下穿既有線沉降數據分析

2.1 盾構段下穿既有鐵路線監測布點情況

根據現有設計資料，結合相關規范，確定本工程穿越范圍為42.4m，范圍內按照每10m 左右布設一個監測斷面，保持與地表沉降點在同一斷面，共布設7 個監測斷面[1]。

2.2 主要檢測內容

（1）橋墩監測：在盾構掘進影響范圍內，為保證其建設的合理與有效，在其鐵路高架橋的橋墩了區域設立了兩個可移動的監測點，經實地測量后，為保障此區域的數據獲取準確，又在橋墩的周邊區域設立了一組傾斜的監測點。點位標記清晰，并統一編號。

（2）路基豎向位移監測：在影響區域范圍內，沿軌道走向每5m 設一個監測斷面，為保證數據監測準確，其監測斷面處經商討后又在沒監測面設立兩個以上的位移監測點。點位標記清晰，并統一編號。

2.3 盾構下穿過程既有線沉降數據分析

統計記錄盾構掘進下穿既有線前、中、后部分沉降位移數據，如表1 所示。

表1 下穿既有線沉降控制數據

通過上述記錄數據分析，路基豎向最大位移累計變形沉降1.0mm，橋墩豎向位移最大變形量-0.9mm，橋墩傾斜最大變形量0.019%，遠低于鐵路沉降預警值。

3 盾構掘進參數總結

盾構機在下穿既有鐵路線過程中通過前期試驗段得出掘進參數如下。

（1）土倉壓力控制：盾構掘進下穿既有線時隧道覆土厚度46~48m，地下水位埋深19~21m，掘進地層主要為泥巖裂隙水，土倉壓力底部控制在2.3kPa，頂部1.5kPa，平均 1.8kPa。

（2）總推力控制：掘進程采用土壓+氣壓模式推進，總推力控制在32000~38000kN。

（3）掘進速度控制：為減小大直徑土壓平衡盾構機掘進時刀盤對土體的擾動，降低掘進速度，推進速度控制在15~25mm/min。

（4）出土量控制：盾構掘進采用連續皮帶機出渣，每環的出渣理論方量為238m3，渣土改良系數按照1.3計算，重量按照系數1.8~2 計算，每環的土渣量控制在523.6~618.8t。

（5）同步注漿控制：①注漿量控制，盾構機開挖直徑12.84m，管片外徑12.4m，管片環寬1.8m，砂漿理論注漿方量為15.7m2，泥巖地層按照1.2 填充系數注漿19m2，施工過程中按照19m2同步注漿；②注漿壓力控制，根據土倉壓力及注漿量的控制[2]，防止砂漿前竄包裹盾體，注漿壓力控制在250~300kPa；③注漿時間與盾構的掘進時間同步；④同步砂漿配比為水泥:粉煤灰:膨潤土:細沙:水=200:400:80:700:380。

4 下穿既有線沉降控制措施

4.1 掘進參數的控制

通過前期試驗段總結的掘進參數，嚴格按照試驗的掘進參數控制，對土倉壓力的控制采用土壓+氣壓模式控制，土倉壓力底部控制在230kPa，頂部150kPa，平均180kPa；對出土量由試驗得出，皮帶機安裝稱重系統，控制在530~560t，嚴禁超排土方；通過總推力、掘進速度、刀盤扭矩作為可調參數確保土倉壓力和出土量的控制。

4.2 同步注漿+同步補漿措施

盾構機在掘進的過程中，為保證其實際的掘進的效果，需要在盾尾同步進行注漿，而灌漿過程中管片會與周圍的圍巖會出現間隙，為避免管片見得間隙導致底層出現沉降變形的情況，需要在盾尾區域與管片間發生間隙時進行灌漿，在土體與管片間灌注漿液，避免出現土層坍塌或地表沉降的情況[3]。同步注漿效果的質量往往因砂漿材料、配比、施工工藝等填充不密實等原因，會造成地表沉降；同步注漿采用壓力和注漿量雙控，壓力控制在150~300kPa。注漿過程中需根據現場環境的變化情況對注漿的壓力進行調整，避免出現盾尾漏漿等情況。包裹盾體，從而盾構姿態控制糾偏困難。

本項目設計在同步注漿泵出口位置，設置管路三通，其中一路可正常對盾尾進行同步注漿，第二路則連通脫出盾尾的無環管片區域再次注漿，并且時刻關注此區域壓力閥與壓力表的變化情況，保證注漿的有效性，進而達到有效化填充的目的。及時補充管片壁后的空洞，起到防止地表沉降的效果。如圖4 所示。

圖4 同步注漿補漿

4.3 二次注漿技術措施

當盾構機下穿既有線時，采用增設注漿孔的管片進行管片壁后補漿，依據監測數據進行二次注漿，注漿位置為盾尾之后3~5 環。二次注漿有單液漿和雙液漿兩種形式，單液漿為水與水泥的拌制而成，主要起到地層填充作用，兩者配比為1:1；雙液漿是在單液漿基礎上，增加水玻璃拌制而成，主要起到掘進地層的止水效果，一般為8~12 環進行一次，這一過程中需要給予漿液變化以充分的關注，通暢所采用的配比為1:1 的比例，而且經檢驗后確定，現場的水泥泥漿需要使用42.5的硅酸鹽水泥來制作，才可保障其施工效果，之后配置水玻璃，保證注漿的壓力在300kPa 以上，確保漿液擴散的效果。該過程中遵循密實填充、少量多次的原則，同時防止地面過渡隆起，對此要隨時監控相關數據。依據同步注漿的具體要求把控二次補漿的質量好壞，控制既有線地表的沉降[4]。

洞中進行反向掃描，二次漿液的強度達到要求后，先行探測隧道頂120°范圍以內管片背后的詳細注漿情況，通常會用到高頻雷達天線，具體由1 條主線、2 條輔線組成，便于及時、精準反饋管片四周的漿液密實狀態。如還有存在脫空時應立即單液漿補漿[5]。化學雙液漿注漿如圖5 所示。

圖5 化學雙液漿注漿

5 結語

作為國內最大直徑土壓平衡盾構機在泥巖地層穿越既有線路基及高架橋樁過程中，通過掘進參數控制、注漿技術控制等措施，將既有線地表沉降數據均控制在1mm 內，既保證了既有高速鐵路地安全運行，也為后續的大直徑土壓平衡盾構機在泥巖中穿越既有鐵路線施工積累了寶貴的經驗。