土壓平衡盾構機過既有線鐵路路基沉降控制技術

汪小軍

摘? ? 要? 土壓平衡盾構隧道在淤泥質地層穿越既有鐵路施工過程中，為確保既有線運行的安全，需針對既有線路基實際采取技術保護措施。通過對某市地鐵2號線出入段線土壓平衡盾構穿越既有鐵路的技術研究，工程實踐證明，進行鐵路路基加固，施工過程中對各類參數有效的控制，對這類軟土層采取盾構法穿越既有鐵路施工是可行的，也為今后更多較為復雜的地下穿越既有線路的施工提供了參考。

關鍵詞：淤泥質地層;土壓平衡盾構機;既有鐵路; 沉降控制

1? 引言

伴隨城市軌道交通的迅猛發(fā)展，盾構法軌道交通隧道規(guī)模不斷擴大，下穿既有鐵路的軌道線路也越來越多。盾構法穿越既有鐵路已的成功案例已經較多，為了保證既有線安全運行，對于盾構隧道施工引起地表沉降的規(guī)律進行數據分析。提前對盾構穿越處路基采取攪拌樁、旋噴樁圍護和注漿加固，施工時適當控制盾構推進的參數，有效地控制變形、保證安全，盡可能減少施工對地層的擾動。

2? 工程概況及地質條件

2.1? 工程概況

某市地鐵2號線朝陽站至車輛段的地下盾構區(qū)間，線路出朝陽站后，南行依次穿過通惠路、既有線鐵路、農田以及南門江支流，經由一小半徑曲線到達出入段線明挖段。本盾構段盾構機掘進，自朝陽站南端頭盾構井始發(fā)，沿出段線到達明挖段盾構井后進行端頭井調頭，再從明挖段端頭井二次裝機始發(fā)，沿入段線到達始發(fā)井后解體吊出。

2.2? 地質情況

本盾構段屬海陸交互相沉積平原區(qū)，地勢較為平緩，未發(fā)現不良地質作用。盾構上部覆土及穿越地層自上而下主要為：①1雜填土，①3粉質粘土（耕植土），②1砂質粉土，②2砂質粉土，③2砂質粉土，④1淤泥質粘土，④2淤泥質粉粘土，⑤1粉質粘土，⑤2粉質粘土夾粉土地層，⑦1粉質粘土，⑦2粘土;其中④1、④2淤泥質軟土層是本盾構段主要穿越地層，其具有高靈敏性、觸變性、大孔隙比、高壓縮性、高蠕變性等較差工程特性。

既有線鐵路下盾構埋深7.4m～13.2m，該段覆土一次為①1雜填土，①3粉質粘土（耕植土），②1砂質粉土，②2砂質粉土，④1淤泥質粘土，盾構穿越地層主要為④2層淤泥質粉質粘土，下伏土層依次為⑤2粉質粘土夾粉土地層，⑦1粉質粘土，⑦2粘土。

2.3? 下穿既有線鐵路地段現狀

既有線鐵路位于朝陽站南，鐵路路基南北坡腳盾構縱向距離26m，軌道至坡腳高差約4.8m。本次盾構下穿既有線鐵路前，對相應地段已采用高壓旋噴樁和靜壓劈裂注漿技術對地基加固。鐵路加固范圍擴至鐵路坡腳外5.2m，加固縱向長度約36m。

3? 穿越鐵路的施工風險分析

3.1? 施工難點及風險分析

盾構穿越既有線過程中，如何保證不影響既有線鐵路的安全運營，是本盾構隧道施工的重點和難點。

（1）土壓平衡盾構下穿鐵路時，盾構機僅始發(fā)掘進約80m，設置為本盾構段試掘進階段，各方面處于磨合期。

（2）既有線鐵路路基坡頂高出坡腳約4.8m，掘進參數選取不合適和調整不及時將會對路基隆沉產生極不利影響。

（3）盾構機刀盤直徑比盾體外殼大30mm（超挖30mm），因此施工中刀盤與盾尾之間地面將會產生不可避免的沉降，盾構掘進施工中若有停留，沉降將會更加嚴重。

（4）既有線鐵路地基加固工程已提前實施，但在淤泥質地層中路基加固效果是否達到預期要求，也是本次掘進通過既有線鐵路的關鍵因素。

3.2? 應對技術措施

（1）仔細研究分析盾構試掘進前80m的掘進數據，使下穿既有線鐵路時勻速連續(xù)，減少糾偏，控制盾構姿態(tài)，減少超挖量，從而減小土體擾動。

（2）加強出土量和同步控制，同時根據地面監(jiān)測情況選擇是否進行二次注漿及跟蹤補注漿，以減小地面隆沉。

（3）施工前進行路基加固施工過程監(jiān)控和效果核實，確定其是否產生障礙物和加固質量，用于指導下穿施工。

（4）成立監(jiān)測組織機構，加強施工中的監(jiān)測和安全巡查工作，建立施工過程的動態(tài)控制。

（5）就盾構掘進下穿時段向業(yè)主等相關單位進行告知，同時編制相應應急預案，確保鐵路安全正常運營。

4? 土壓平衡盾構施工控制技術

4.1? 施工準備工作

（1）對既有線鐵路運營和地基加固等情況了解，收集相關資料。

（2）針對盾構下穿既有線鐵路的特殊情況，在出段線試掘進階段調整掘進參數，減小超挖減少土體擾動，同步注漿后再采用雙液漿及時進行跟蹤補充注漿，結合實時監(jiān)測結果調整試驗數據得到最佳參數。

（3）在盾構機過鐵路線前25m，再次對所有施工設備進行檢修，并把維保工作做到位，確保盾構機在過鐵路線時設備故障率低，設備性能完好，能連續(xù)的通過。

（4）施工前，渣土坑所有渣土清空，施工期間，確保滿足盾構渣土外運的暢通，防止施工期間因土方外運受阻停機帶來施工風險。

（5）提前進行鐵路線上及周圍監(jiān)控點的布設，取得初始值數據。

（6）與鐵路和鐵路沿線管線產權單位開展協(xié)調工作，做好提前告知。

（7）針對盾構穿越鐵路線可能出現的應急情況，準備充足的應急物資，成立盾構施工應急搶險隊伍及地面加固施工隊，確保工程發(fā)生險情后能在第一時間得到搶險救治，確保鐵路運營安全。

4.2? 穿越控制措施

根據盾構穿越環(huán)境和盾構法施工特點，通過對掘進速度、出土量、土倉壓力、同步注漿量等參數控制，依據地面監(jiān)測結果采取二次注漿及跟蹤補注漿等輔助措施減少地表隆沉，確保盾構施工影響范圍內既有線鐵路的運營安全。

盾構穿越既有線鐵路時加強盾構姿態(tài)的控制和掘進參數的調整，包括土倉壓力、推進速度、總推力、出土量、同步注漿量及壓力等。具體掘進措施如下：

（1）嚴格控制盾構正面（靜止）土壓力。

①盾構機上部土壓感應器位置地層豎向壓力：

根據盾構機試掘進實際監(jiān)測情況，盾構掘進在計算土壓下掘進時，地面往往會產生0.5mm～1.8mm隆起。綜上，我部認為0.09 MPa ～0.14 MPa該土壓合適，擬在盾構掘進過程中采用此計算土壓。

（2）推進速度控制。在穿越既有線鐵路下方時，保持一個“均勻、快速”的推進理念，有序安排掘進各道工序，既要保持穩(wěn)定，又要有一定速度;本段推進速度將控制在30mm/min～35mm/min;保證推進速度和注漿速度相匹配。

（3）刀盤轉速和扭矩。根據前期類似地層中的掘進經驗，刀盤轉速設定為0.8rpm，刀盤扭矩為1000kN·m～2000kN·m，總推力控制在8000kN·m～12000kN。

（4）出土量控制。出土量、土倉壓力，是影響地面沉降的關鍵參數。盾構機的開挖斷面為3.14×3.172=31.55m2，每環(huán)的理論出土量為31.55×1.2=37.86m3;據前期實際量測結果，所出土松散系數為1.15左右，因此每環(huán)出土量應在44m3左右，實際按98%出土量控制。

（5）同步注漿壓力和注漿量。嚴格控制同步注漿量及注漿壓力，并優(yōu)化漿液配比，使?jié){液和易性好，泌水性小，體積收縮率較小?？刂茲{液稠度在11mm～13mm左右，凝結時間8h～10h。據理論計算管片壁后空隙體積為2.01m3/環(huán)，同步注漿量一般控制在建筑空隙的150%～250%，即每環(huán)同步注漿量為3.01m3～5.02m3。根據盾構機朝南區(qū)間類似地段掘進注漿經驗，注漿量宜為4m3～4.5 m3，盾尾通過后地面沉降在±3mm內。盾構通過鐵路線期間，進行24小時實時監(jiān)測和數據反饋，及時調整注漿量。

（6）盾構姿態(tài)控制。在盾構進入5m寬高壓旋噴樁加固區(qū)域前，將盾構機姿態(tài)調整至低于設計軸線20mm～30mm位置，同時將盾構機俯仰角設置在-5°左右，施工時還要控制糾偏不可過大、過頻，推進過程中控制每環(huán)糾偏量累計不超過5mm（垂直、水平），減少盾構掘進對淤泥質地層的擾動。

加強盾尾間隙的控制，盾尾間隙盡量保持四周均勻，最小處應大于15mm;加強管片的選型控制，油缸的行程差不應大于25mm。

4.3? 穿越后施工措施和鐵路保護技術

（1）二次注漿。管片脫出盾尾4環(huán)后，對管片后的空隙進行二次注漿來填充，注入CS漿液，注漿壓力0.3MPa～0.5MPa;二次注漿采取少量多次原則，即可減小對土體擾動[1]，又能減少地表沉降。二次注漿漿液配比：水泥漿水灰比1：1.5（質量比），水玻璃與水按1：4（體積比）比例稀釋，水泥漿與稀釋后的水玻璃體積比=1：1、水玻璃濃度39°Be'，膠凝時間為30min。

（2）跟蹤補注漿。經加固后的地基土仍然可能存在一定靈敏性的特點，經掘進擾動后，即使掘進中同步注漿和二次注漿能夠跟進，地面還會持續(xù)產生沉降，因此還需進行跟蹤補注漿。為提高注漿質量，跟蹤補漿液采用與二次注漿相同的漿液壓注。

5? 監(jiān)測控制

5.1? 監(jiān)測項目

監(jiān)測項目包括常規(guī)地表和鐵路軌面沉降，詳見表1。

為了達到理想的監(jiān)測效果，除常規(guī)地表沉降監(jiān)測外，共布設20個軌面沉降監(jiān)測點和2個普通路基沉降檢測點。在軌道面上，從隧道中心向兩側每隔10 m布設一個軌面沉降監(jiān)測點，每條軌道布設5個軌面沉降監(jiān)測點，共布設了20個軌面沉降監(jiān)測點[4]。2個普通路基沉降觀測點位于鐵路上、下行線中間，并位于出段線和入段線路上。

5.2? 監(jiān)測頻率

為確保施工安全，在盾構機通過既有線鐵路時，項目部派專人24h在現場值班。成立過鐵路階段監(jiān)測組織機構。監(jiān)測值班人員分為兩班（12h/班），每班三人。常規(guī)地表和軌道面沉降每4h監(jiān)測一次，24h不間斷監(jiān)測，并將監(jiān)測數據第一時間反饋給監(jiān)測組織機構負責人和盾構操作間。

5.3? 監(jiān)測方法

本工程按二等監(jiān)測精度要求進行。測量儀器定期進行檢校，每次工作前檢查標尺水泡，儀器氣泡，水準儀i角不得大于15″，測站高差觀測中誤差不大于0.2 mm[5]。

測站的設置視線長度不大于30m，任意一測站上的視距累計不大于3.0m。

每次監(jiān)控量測組監(jiān)測完成后，將監(jiān)測資料提交監(jiān)測數據處理分析組進行數據處理;工程技術部和項目總工對數據進行復核后，將操作指令下發(fā)給盾構施工操作人員執(zhí)行。測量班每天提供三份監(jiān)測報表，實時動態(tài)反饋每個家測點當前變化量、累計變化量。

6? 結束語

通過以上盾構施工技術措施，有效地控制了地表及地面鐵路路基及軌道的隆沉，盾構安全順利地穿越了既有線鐵路。在施工完成后，鐵路路基坡腳累計最大隆起8.4mm、路肩累計最大沉降為2.5mm、軌面累計最大沉降為7.2mm、電話桿累計最大隆起1.2mm，均控制在規(guī)定的允許范圍內。

參考文獻：

[1]? 肖廣良.盾構在軟土地層穿越既有鐵路施工技術[J].隧道建設，2008（6）：324～329.

[2]? 程雄志.地鐵盾構下穿高速鐵路情況下的路基加固與軌面控制[J].城市交通破究，2013（2）：89.

[3]? 石舒.盾構隧道下穿鐵路工程風險及對策[J].現代隧道技術，2012（2）：3～5.

[4]? 胡明慶，王金峰，李雙平，王當強.地鐵盾構穿越鐵路專項監(jiān)測[J].人民長江，2010（20）：94～96.