软土地层下盾构穿越高速铁路技术探究

□文 /范明猛

1 工程概况

天津地铁6号线北竹林站—西站站盾构区间，盾构机从北竹林站大里程端头井始发向西站站方向掘进。盾构隧道自始发152 m后进入国铁站场范围，以直线段下穿170 m的国铁站场，在里程D1K16+37.833～DK15+814.781范围（左线125～264环，右线136～286环）内穿越津秦高铁及南仓城际联铁路站场铁路群。南仓城际联铁路站场路基段下设水泥砂浆桩，桩长10 m，桩底标高-11.10 m；水泥搅拌桩，桩长6 m，桩底标高-7.10 m。隧道穿越区段距离路基加固段188 m，未在盾构穿越影响范围。盾构隧道在铁路站场铁路群区域内平面线形为直线，立面为单向坡，坡度为1.3704%和0.3%。

2 津秦高铁、南仓城际联铁路站场与盾构位置关系

津秦高铁设计为2股道，穿越范围内铁路为有渣道床，隧道侧穿2处道岔和1处安全联络线，盾构穿越段长度约35 m，盾构隧道与津秦高铁线路程44.18°立面交叉，铁路行车速度约为80 km/h。穿越津秦高铁过程中，左线需下穿2处接触网杆，侧穿1处接触网杆；右线穿越津秦高铁过程中需下穿1处接触网杆，侧穿1处接触网杆。见图1。

南仓城际联铁路站场共2股道，有渣道床，无缝钢轨轨道，左线隧道侧穿1处道岔，右线隧道下穿1处道岔，盾构穿越段长度约50 m，盾构隧道与南仓城际联线路程36.72°立面交叉，盾构隧道轴线与南仓城际联铁路站场相交部位距天津西站站台约300 m，列车行驶速度约为160 km/h。穿越南仓城际联铁路站场过程中，左线需下穿1处接触网杆，侧穿2处接触网杆；右线穿越南仓城际联过程中需下穿1处接触网杆。见图2。

图1 津秦高铁与盾构位置关系

图2 南仓城际联与盾构位置关系

3 地质概况

隧道下穿股道影响区段，洞身主要通过地层为粉质粘土、粘土、粉砂、粉土层中；表层地下水类型为第四系孔隙潜水。赋存于第Ⅱ陆相层以下粉砂及粉土中的地下水具有微承压性，为微承压水。

4 施工控制指标

既有铁路控制指标主要受路基、线路、轨道及线路养护情况等因素的影响，主要包括路基沉降、位移最大速率、轨道几何尺寸容许偏差、轨道坡度允许控制值。

区间下穿的津秦高铁和南仓城际联铁路站场均为有砟道床线路，根据《高速铁路有砟轨道线路维修规则》等相关要求，结合既有设计施工经验，采用经常保养（舒适度Ⅱ级）进行控制。见表1。

表1 高铁线路参考控制值

续表1

5 施工控制措施

5.1 地面路基加固措施

为保证既有津秦铁路的运营安全，需要在下穿施工前，对高铁路基进行加固，埋设注浆管并设置自动化监测点，根据自动监测数据，实时跟踪注浆，及时对铁路路基进行注浆加固[2]。

1）注浆方法。结合既有线施工的要求，将选择重量较轻，操作灵活，角度可0°～360°任意调节的TXU-75型地矿钻机置于线间和两侧路肩处并确保施工设备不侵线。使用φ52 mm×2 m、可丝扣连接的双重钻杆并配合硬质合金钻头成孔，成孔后打入φ50 mm袖阀管，提高该路段注浆成孔效率。

2）注浆范围。线路中心两侧各5 m，沿线路方向55 m，隧道中线两侧各8 m，加固深度为路基下2～5 m。分别从每股线路两侧施工，每组孔号分别用奇数孔和偶数孔表示，注浆管布置见图3。注浆孔在路肩下2 m处开始布设，用φ50 mm袖阀管，梅花型布置，注浆孔竖向间距1 500 mm；纵向沿线路布设，距离路肩2 000 mm，每行前后错开1 500 mm，注浆管埋设深度见图4和图5。

3）注浆顺序。注入顺序采取先外后内，隔孔跳注顺序进行施工，为减小注浆施工对行车安全的影响,在线路两侧对称分布设备，同时钻孔、同时注浆、保证注浆液扩散的相对均匀。外围先注入水泥-水玻璃双液浆以便有效的控制浆液跑、冒、漏现象发生，提高加固效。

图3 注浆管布置平面

图4 津秦高铁注浆管埋深

图5 南仓城际联铁路站场注浆管埋深

4）注浆材料。注浆采用水泥-水玻璃双液浆，注浆配合比A液为水∶水玻璃=1∶1，水玻璃35°Be'；B液为水∶水泥=1∶1；A液∶B液=1∶1。水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥。

注浆时，可根据现场实际情况，适当调节浆液的配合比，以满足施工工艺要求，确保工程质量及铁路正常运营的安全。

5）注浆压力控制。施工时若注浆压力不足就达不到填充的目的，若压力过高就有可能引起轨道隆起，所以要严格控制注浆压力。当达到以下指标：外侧与轨道附近应控制在0.5 MPa左右，内部孔位压力控制在1.0 MPa，终压稳定15 min；单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2倍且进浆量明显减少；发现路基侧向冒浆或路基道碴渗浆；可立即结束本孔注浆施工。注浆效果检测方法采用雷达探测法，对注浆完成的铁路路基进行雷达探测，以确保注浆效果，防止在铁路路基下出现空洞，如探测发现空洞对路基进行补注浆。

6）路基注浆加固期间的线路高程监测。在路基注浆施工期间，为保证线路稳定，使列车安全通过施工区域，施工现场备足道碴、人工及机具设备，线路工进行线路检查，以便发现问题后随时对线路进行整修。同时加强对铁路线路和铁路路基标高的监测，以防止路基隆起和线路变形。为此，采取同步监测的方法进行实时监控，在注浆加固施工期间，对线路高程进行自动化监测，每60 min自动上传一次监测数据[3]。将监测结果随时通知工务段现场监护人员，当出现沉降、隆起数值报警时，及时通知工务段抢修线路。

5.2 洞内加强措施

为保证盾构施工过程中铁路站场的安全，除同步注浆、二次注浆外，在洞内需进行二次深孔注浆。在盾构穿越高铁前100 m开始安装16孔特殊管片，在管片出盾尾5环后进行二次深孔注浆。见图6。

图6 二次深孔注浆剖面

1）二次深孔注浆成孔方式及成孔流程。由于隧道所穿越土层中存在承压水，在成孔时，必然会有泥浆流出，由此而带来的地层损失、污染隧道环境、增加注浆难度的问题非常突出；因此，钻孔与注浆必须同时进行。采用φ33.7 mm镀锌钢管制成15 cm钻头并加焊钢筋，将注浆钢管与钻头套丝连接后，使用风动凿岩机成孔。注浆深度为3 m，考虑到作业空间限制，将注浆管设计成每段长1.5 m，每隔0.15 m对称钻2排出浆孔并在孔外包弹性橡胶环，形成单向浆液通道。见图7。

图7 二次深孔注浆管

2）二次深孔注浆过程控制。二次深孔注浆设备在第一节台车与盾尾之间，选取台车一侧搭设固定注浆平台，用来摆放注浆设备。见图8。

图8 二次深孔注浆施工

注浆压力为0.4～1.2 MPa，注浆量2.35 m3，考虑计量误差及施工精度，每孔注浆量控制在2.5 m3。结合地表监测数据，采用试验段最佳注浆参数，实施二次深孔注浆。

3）浆液试验及配比。双液浆注入地层后，凝结时间不宜过长，避免注浆孔内浆液在重力作用下聚集，致使浆液无法均匀分布，同时因隧道所处地层有微承压水且水头压力较大，凝胶时间过长会导致地下水改变浆液原有参数，使浆液强度降低。针对要求，制作不同条件的试块进行试验，见表2。

表2 双液浆强度试验结果

根据试验最终确定合理的配比，使其最大限度适应地质条件，满足注浆加固的要求。见表3。

表3 二次深孔注浆浆液参数

注浆时，先加压再开启出浆阀；结束时，先关闭出浆阀，再卸压。这样可以防止承压地下水倒流进入注浆范围内，影响加固效果，二次深孔注浆流程见图9。

图9 二次深孔注浆流程

4）注浆结束标准。二次深孔注浆采用以下2个依据作为判断注浆是否结束的标准：

（1）注浆压力逐步升高、当达到注浆终压并继续保压注浆5 min以上；

（2）单孔注浆量与设计注浆量大致相同，注浆结束时的进浆量一般低于20～30 L/min。

在注浆达到结束标准后，注入少量清水冲洗注浆管，保证后续二次深孔注浆需求。

6 路基沉降监测

施工完成后高铁路基沉降监测自动化监测数据见图10。

图10 自动化监测路基沉降累计变化曲线

津秦高铁最大累计沉降值为-6.57 mm，南仓城际联铁路站场最大累计沉降值为-5.17 mm；降均在高铁路基控制范围内。

盾构穿越高铁整个过程及穿越完成后最终累计监测情况说明，各项监测指标变化速率及最终累计变形均在高铁线路控制指标范围内，变化较为平稳。监测数据说明了上述盾构穿越高铁措施的有效性。

7 技术总结

实践证明，在软土地层下盾构下穿高速铁路施工中，采用下列加强技术措施能够保障盾构穿越高铁时，高铁运营安全。

1）洞内采取的加强措施。为保证盾构施工过程中高速铁路的运营安全，在盾构穿越高铁范围内除常规同步注浆、二次注浆外，还还应采取二次深孔注浆，以减少对高铁路基的影响，满足高铁运营要求。二次深孔注浆浆液采用双液浆，注浆压力为0.4～1.2 MPa，每环管片注浆孔位为16孔，管片为特殊管片。

2）地面采取的加强措施。在盾构下穿既有高速铁路前，需要对高铁路基进行加固，加固方式为双液注浆加固。在高铁路基两侧布设袖阀管，布设范围为隧道中线两侧各8 m，加固深度为路基下2～5 m。注入顺序采取先外后内，隔孔跳注顺序进行施工。