盾构在软土地层穿越既有铁路施工技术

谢银虎

前言

随着我国社会经济的不断发展，城市交通的规划建设也随之呈现出向下层空间延伸的趋势，直接导致盾构穿越既有铁路的工程项目数量越来越多。但是由于穿越底层的地质状况具有不可控的复杂特点，盾构施工极易造成地面的沉降和变形，对周围建筑物和地下管线产生十分严重的影响，如果不对其加以重视，甚至还会威胁到人们的生命安全和社会的可持续发展。因此，如何保证盾构穿越既有铁路施工技术的科学合理性已经成为工程建设中高度重视的关键问题，也是当前相关部门研究的重要课题。

1 工程概况

某市10 号线的一区间隧道采用土压盾构施工方法，其中盾构直径为6.32m，管片内径长为5.3m、外径长为6.2m、环宽1.2m，并选用两台盾构同向推进的方法；在距离始发井258m 的位置处，盾构需两次穿越正在运行的铁路，且此处的隧道顶埋深约为14.3m。铁路在此段中是双线四股道，为碎石道床和混凝土轨枕结构，设计火车最大时速为120km/h，客车为250km/h；穿越位置的地层自上而下分别为：杂填土、1 褐黄色粉质黏土、2 灰黄色粉质黏土、1 灰色粉质黏土、1-1 灰色黏土、1 暗绿色粉质黏土，且施工区域的地下水条件为潜水，静止水位为0.5m。

图1 穿越处道床结构和地层分布示意图

2 风险分析

利用有限元模型对铁路的工况进行模拟分析，有限元模型的长40m、宽28m、高30m，网格中的上部为铁路路基，下部为两个即将开挖的下穿隧道，同时结合已有的量测资料，在模拟中选定30%的应力释放率。对旋喷桩加固的两种情况进行比较，对盾构的掘进过程进行了模拟，通过与铁路路基沉降槽的变化进行对比来反应出旋喷桩加固对既有铁路沉降的实际控制效果。在没有旋喷桩加固的前提下，下行隧道中心的最大沉降值为6.5mm，超出了铁路正常运行的实际要求；在有旋喷桩加固的条件下，下行隧道中心的最大沉降值为3.2mm，符合铁路正常运营的标准。在完成上行和下行隧道开挖之后，旋喷桩加固可以使得铁路的沉降值减小约55%，由此说明加固是必要的。

3 地基预加固

3.1 加固设计

在盾构穿越之前，对铁路路基和两侧的土体进行加固，平面范围为41m×28m，受到隧道下部地层条件的影响，加固深度至1-1 灰色黏土层底。主加固区和次加固区均采用压密注浆的方法，其中住加固区的Ps＞1MPa，次加固区的Ps=0.9MPa；在主、次加固区之间设置旋喷加固区域，使其Ps≥0.8MPa，以发挥隔断和控制变形的作用，并在加固结束后的1 个月进行盾构穿越。

3.2 加固施工

地基预加固的施工顺序为旋喷桩-主加固区-次加固区。其中，旋喷桩施工采用二重管工艺，桩径为1500mm、桩深18m，共设置三排桩，且水泥的掺入量为20%，将水泥浆的压力控制在22～25MPa 的范围当中，提升速度控制在12～15cm/min，且旋转速度设为12r/min，为了避免因震动造成的路基下土体位移，要先选择靠近铁路的一侧进行施工，并且每2h 对轨道变化进行一次监测。

图2 旋喷桩桩位布置和施工示意图

主加固区采用复合浆液和单液浆分层注入的方式，对地面以下3m 的区域进行复合浆劈裂注入，对其余的部分进行单液注浆，并且采用打设斜孔的方式，注浆孔呈梅花形，且彼此之间距离为1m；对靠近铁路的一排空先进行施工，然后对外围注浆孔进行施工，最后完成中间孔，需要注意浆液的无限制扩散问题的发生，同时按照“施一跳四”的顺序进行施工，避免地面隆起过度，并设置泄压孔以便泄压。次加固区采用垂直孔注浆的方式，每次注浆的提升高度为0.5m，浆液的胶凝时间在3～10min 之内。

4 盾构穿越控制

4.1 穿越准备

选取盾构穿越铁路之前的100 环来作为模拟段，根据地表变形的监测数据对盾构的掘进参数进行及时的调整，对施工工艺进行不断的完善；当盾构机进入到加固区的5 环之前时，保证机械、材料和人员等都做好了充分的准备，并完成对设备的彻底检修，以保证盾构的连续穿越。

4.2 施工工艺

在进行盾构穿越的过程中，根据模拟段的参数来确定土仓压力值，将盾构正面土压力波动控制在0～20kPa 的范围当中；根据土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度，将其控制在2～2.5cm/min，尽量保持推进稳定，每天推进6～8 环，确保注浆速度、推进速度和出土速度三者相适应；将出土量控制在98%左右，使得盾构切口上方的土体隆起不超过1mm，与部分土体的后期沉降相抵消；同步注浆的浆液选择可硬性浆液，将注浆量控制在建筑空隙的200～220%范围当中，将注浆压力控制在0.3MPa 左右，并且根据轨线沉降的监测数据来对注浆量和压力的初始值进行确定。

表1 同步注浆配比表（单位：kg）

盾构姿态的变化切不可以过大和过频，严格控制每环的纠偏量不超过10mm，变坡程度不大于1‰，以减少地表沉降；在穿越的过程中，要使用刀盘上的加泥孔对前方的土体加入肥皂水来对土体进行改良，以提高土体的流塑性；在管片脱出盾尾5 环的时候，要进行二次注浆，选择水泥——水玻璃双浆液，将压力控制在3～5bar 之间，使得地层的变形量最小。

5 检测和信息化施工

5.1 监测

在地基预加固期间，保证监测频率为2h/次，在盾构穿越前为3 次/d，当轨面变形较大的时候要适当的加大监测频率；盾构通过之后的地面监测要根据变形点的变形速率和变形量进行必要的分析；对报警值的设定要根据相关的设计要求来确定，每2h的线路轨面变化为±3mm，24h 线路轨面变化量为±8mm，保证地面沉降累计不超过30mm。

5.2 信息反馈

监测资料要以报表的形式进行提交，主要包括变化量、施工工况、测点号以及地表环境等内容；同时，根据监测结果压迫建立三级预警制度，如图3 所示，当监测结果小于报警值的2/3 时为Ⅲ级管理；当监测结果大于报警值的2/3，且未超过报警值的时为Ⅱ级管理。经过研究发现，两台盾构都顺利的穿越了既有铁路，保证了铁路的顺利提速；在盾构穿越期间，轨线的最大沉降为4.6mm，满足相关规范的实际要求。

6 结束语

图3 三级预警管理示意图

综上所述，在城市化建设进程不断深入的当下，盾构穿越施工已经成为当前城市交通规划中较为常见的建设方案，在本文当中，通过结合具体的工程实例，对盾构在软土地层穿越既有铁路的风险进行了分析，同时还针对土体改良技术、地基加固技术、监控测量技术以及掘进参数优化技术等方面进行了探讨，为其施工建设提供了理论和技术上的支持，以促进盾构穿越既有铁路施工目标的顺利实现，保证城市交通运输的安全性，最终实现城市的可持续发展。

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