盾构隧道曲线下穿铁路客站风险源的施工安全控制技术

龙 刚

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

随着我国经济社会的不断发展，地铁已经成为解决城市交通拥堵的一大有效工具。然而，在城市地铁建设规模的不断扩大中，地铁隧道不可避免地需要下穿邻近的建(构)筑物，其施工过程中引起的地表沉降会使得邻近建(构)筑物倾斜、扭曲，从而造成结构的损坏，严重的地表变形还会导致房屋的倒塌[1-6]。如何确保重大建(构)筑物在地铁隧道施工过程中的安全，已经成为地铁参建各方关注的热点问题之一。

黄雪梅等[7]对小半径盾构隧道下穿铁路轨道的控制措施进行了研究，结果表明：在盾构隧道施工过程中对铁路轨道进行扣轨加固以及洞内径向注浆加固，可以有效的减少盾构施工给铁路轨道所造成的影响。李祥东等[8]对土压平衡盾构下穿朝阳公园北湖段进行了施工参数试验分析，结果表明：将土仓压力控制在0.10～0.12 MPa，掘进速度控制在50～70 mm/min，可以确保盾构安全平稳通过朝阳公园北湖。

本文结合呼和浩特市轨道交通2号线一期工程公主府站～呼和浩特站区间隧道施工，对盾构下穿呼和浩特火车站高架候车厅、铁路轨道等重大风险源进行分析，并提出相应的技术措施，保障盾构隧道下穿重大风险源的施工安全。

1 工程概况

呼和浩特市轨道交通2号线一期工程公主府站～呼和浩特站盾构区间采用双孔单线隧道设计，隧道全线敷设于地下。盾构机使用中铁重工两台编号为269、270土压式平衡盾构机进行施工。隧道主体结构为由管片错缝拼装而成的环形结构，盾构管片内径为5.5 m，外径为6.2 m，管片厚度为0.35 m，环宽1.5 m，环间通过螺栓连接。钢筋混凝土管片设计强度为C50，抗渗等级为P12。

盾构机自公主府站始发，于呼和浩特站接收井接收，区间隧道依次下穿道北三小区、道北二小区、火车站天桥、旅客地道、铁路股道和火车站站房，盾构区间沿线风险源众多，施工难度大。

该区间为山前冲洪积倾斜平原，地形较平缓，隧道所处地层主要为砂性地层。地层自上而下依次为：①1杂填土、③3粉土、③4粉砂、③9圆砾、③5细砂、③6中砂、④5细砂和④2粉质黏土。

区间地下水属潜水类型，稳定水位埋深7.4～9.4 m，含水地层以圆砾、粉土、细砂、中砂为主，总体上以富水及中等富水为主。

2 下穿风险源基本情况

盾构隧道曲线下穿呼和浩特火车站主站房、高架候车厅、进站天桥、旅客地道和铁路股道等，关系到列车行车安全和旅客运输安全，均为一级风险源，施工时需要采取必要的应对措施。

2.1 火车站主站房和高架候车厅

火车站主站房为筏板基础，管片外表面距筏板底最小净距约12.793 m。站房与盾构隧道相对位置如图1所示。

高架候车厅为桩基础，桩长12.0 m，桩底标高

图1 火车站站房与盾构隧道相对位置关系(单位：mm)

为-15.4 m(站台面相当于±0.000)，管片外表面距桩基底最小净距约3.646 m。隧道与高架候车厅的位置关系如图2所示。

图2 隧道与高架候车厅的位置关系(单位：mm)

2.2 进站天桥和旅客地道

盾构区间下穿呼和浩特火车站进站天桥和旅客地道段，左、右线均为上坡，旅客地道采用箱型框架结构，旅客进站天桥柱子生根于旅客地道侧墙上，管片外表面距旅客地道基底最小净距约9.217 m，管片外表面距旅客地道人工挖孔围护桩底约8.546 m。区间隧道与天桥、旅客地道的相对位置关系如图3所示。

2.3 铁路股道

呼和浩特站为一等车站，每日接车100多列，主要线路为京包客专(2股正线+2股到发线)和唐呼线(2股正线+6股到发线)。下穿段区间左线长度为105.113 m，右线长度为105.124 m，管片外表面距轨道路基底最小净距约16.321 m，如图4所示。

图3 盾构隧道与天桥、旅客地道相对位置(单位：mm)

图4 盾构隧道与铁路股道相对位置关系(单位：m)

3 区间盾构施工重难点分析

(1)盾构隧道小曲率连续下穿风险源。盾构隧道以400 m小曲率半径连续“S”型下穿火车站、铁路股道、居民楼等重大风险源在国内鲜见报道，在隧道掘进过程中势必会造成一定的超挖，这对地面的沉降控制极为不利。

(2)区间地质复杂，对盾构机操作手水平要求高。本区间隧道主要穿越中砂、细砂、粉砂、粉质黏土地层，地层自稳性较差，穿越地层类型较多，要求盾构机操作手能够根据出土情况和地面沉降及时调整盾构机的参数。

(3)盾构区间全部位于地下水位线以下。隧道所在地层地下水丰富，在盾构施工过程中如果管片接缝防水不严产生渗水或者注浆材料被地下水过多稀释导致填充加固效果不佳，这些都会使得隧道周围产生较大的地层损失，从而导致地面沉降过大。

(4)动荷载影响。呼和浩特站主要提供京包线、唐呼线、呼哈线和呼鄂线上的铁路客运服务，每天来往列车车次较多，客流量大，列车运行产生的动荷载对地表沉降影响较大。

(5)沉降控制要求严格。铁路的安全运行对铁路路基沉降值和轨道几何尺寸容许偏差有着严格的控制标准，盾构施工造成的地表沉降会影响到既有铁路的控制指标，从而使得列车在运行中存在一定的风险。为保证呼和浩特站的安全运行以及来往列车的安全，根据《铁路轨道工程施工质量验收标准》和《铁路路基设计规范》的要求，将普通铁路路基沉降控制在9 mm以内，高速铁路沉降控制在7 mm以内，轨道轨距偏差控制在-2～4 mm内。

4 试验段施工

本工程区间段施工过程中，为确保盾构隧道安全下穿客站主站房和高架候车厅、进站天桥和旅客地道以及铁路股道等风险源，将穿越站场段前100 m定为盾构施工掘进试验段。试验段的施工主要达到以下目的：

(1)验证施工参数。通过对掘进参数及地面沉降监测进行系统分析，确定制定的掘进参数是否能够满足沉降控制要求，对不合适的参数及时进行调整，确保盾构机各项掘进参数在进入站场段前能够达到最优。

(2)总结地表沉降规律。盾构施工引起的地表沉降一般可分为3个阶段：盾构到达前、盾构通过中和盾构通过后。在试验段掘进过程中，需要详细的分析每个阶段沉降值与掘进参数的关系，通过有针对性的调整掘进参数，确保地表沉降得到有效的控制。

(3)控制好盾构姿态。盾构掘进中的纠偏会增大土体的扰动，盾构进入站场段前，即试验段掘进中，必须将盾构姿态调整到最佳，确保盾构机下穿站场段期间不进行纠偏。

(4)总结注浆施工的注浆压力对地面变形的影响，在避免地面下沉的前提下严防地面隆起。

(5)调整盾构机的性能，确保盾构机施工过程匀速、平稳、不停机地快速通过各项风险源。

5 盾构掘进控制措施

在盾构掘进下穿风险源过程中，应严格控制盾构掘进参数，使盾构匀速、平稳的下穿风险源。根据穿越站场段前100 m的试验段施工，得到了盾构机的基本掘进参数。

(1)为了减少刀盘对前方土体的切削扰动，将刀盘转速控制在0.80～1.64 r/min，推进速度控制在20～30 mm/min，总推力控制在8 000～12 000 kN。

(2)土仓压力对掌子面的稳定性有着重要的作用，在掘进过程中将土仓压力控制在0.13～ 0.15 MPa。

(3)严格控制每环的出土量，避免出土量过大或过小所导致的地表沉降或隆起，将每环出土量控制在58 m3左右。

(4)严格控制同步注浆量、注浆压力和浆液的质量，最低限度的减小地层的损失，施工过程中将同步注浆量控制在7～9 m3/环，注浆压力控制在0.2～0.3 MPa。

(5)根据开挖面所处地层，合理选用不同的渣土改良剂。当开挖面所处地层为纯砂或含砂量较大的地层时，采用膨润土进行渣土改良，以保证开挖面的稳定以及出土的顺利；当开挖面为砂土混合地层时采用泡沫剂进行改良。

6 下穿风险源加固措施

盾构隧道下穿风险源地段，除了控制盾构掘进参数，减少施工对地层的扰动以外，还需要采取必要的加固措施，确保盾构下穿过程中，铁路站房和高架候车厅、进站天桥和旅客地道以及铁路轨道的安全。

(1)本区间盾构隧道下穿呼和浩特火车站站场铁路轨道段落，隧道覆土约为16 m，与线路斜交。为保证铁路运营期间的安全、稳定，对本段落铁路采用洞内管片背后二次深孔加强注浆、地面预注浆和扣轨方式进行加固。

(2)区间盾构隧道下穿呼和浩特火车站进站天桥和旅客地道段，采取洞内管片背后二次深孔加强注浆措施，对隧道周边3 m范围内的土体进行加固，防止进站天桥和旅客地道的沉降，

(3)区间盾构隧道下穿呼和浩特火车站主站房(B区)、接建门厅段，采取洞内管片背后二次深孔加强注浆保护措施，防止施工过程中主站房产生较大的沉降量。

(4)区间盾构隧道下穿高架候车厅时，采用预埋袖阀管跟踪注浆加固措施，对候车厅桩基础进行预加固，确保桩基沉降控制在允许范围以内。

6.1 洞内管片背后二次深孔加强注浆

区间盾构穿越火车站主站房、进站天桥和旅客地道段以及站场铁路轨道风险源过程中，对施工影响范围内管片周围土体施作二次深孔加强注浆(管片采用16孔特殊管片)，以提高管片周围土体的强度和稳定性，减少后期地表沉降的不利影响。洞内二次注浆注浆孔布置如图5所示。

图5 管片背后二次深孔加强注浆

注浆浆液采用水泥—水玻璃双浆液，通过对特制管片的注浆孔进行钻孔，安装球阀装置并植入注浆管，然后采用注浆设备对隧道周围土体进行对称加固。注浆管采用∅42 mm袖阀管，注浆采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，每孔注浆量为3～5 m3，分2次注浆，注浆压力不大于1.0 MPa。

6.2 轨道结构采用3-7-3扣轨加固

在钢轨加固段对钢筋混凝土枕间穿插长木枕，并在轨底增设绝缘胶垫和垫板，以加固轨面并减少对电气信号的干扰。实施线路加固前、后，需对无缝线路进行应力放散和焊接，并监测轨温变化。吊轨梁采用50 kg/m钢轨、43 kg/m钢轨，组装方式为3-7-3扣轨。吊轨与其下面的普通岔枕用型号22的U型螺栓和角钢连在一起以增强其整体性，并设置轨距杆。U型螺栓用∅22 mm圆钢制成，两端M22螺纹，螺纹长度80 mm，每件包括4个螺母及弹簧垫圈。

在线路混凝土枕间穿插木枕，枕木下道砟振捣密实。穿插木枕采用隔六穿一、隔一布一，确保线路稳定。穿插后对线路进行全面检查，使其符合轨道施工的有关要求。扣轨加固示意如图6所示。

扣轨施工完成后以及拆除扣轨和恢复线路正常运营前，均应对道床进行捣固，以保证道床的稳定。

6.3 高架候车厅桩基础预埋注浆管

考虑到区间结构与高架候车厅桩基净距较小，盾构掘进过程中可能会引起桩基整体沉降或差异沉降。为防止桩基沉降导致候车厅结构开裂破坏，在盾构通过前，采用∅52 mm×5 mm的袖阀管对下穿影响范围内的候车厅桩基承台周围土体进行预注浆加固，加固范围为承台下方2 m，桩基础周围1 m。

图6 扣轨施工单股道(单位：mm)

注浆材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1，水玻璃掺量为3%，注浆从外围向中间依次进行。当注浆压力保持在1.0～2.0 MPa，注入量<1～2 L/min，并稳压20 min，即可结束注浆。

加固后的地层应具有良好的均质性和自稳性。注浆加固完成后应及时清洗注浆管，预留跟踪注浆的条件。盾构通过后应根据监控量测的结果，必要时进行地面二次注浆，具体加固措施详见图7和图8。

图7 承台注浆管布置

7 结束语

在呼和浩特轨道交通2号线盾构隧道下穿呼和浩特火车站施工过程中，综合使用上述加固措施，盾构机顺利通过了铁路站房和高架候车厅、进站天桥

图8 高架候车厅地面注浆加固范围(单位：mm)

和旅客地道以及铁路轨道等一级风险源，监测最大沉降量为2.2 mm，满足了既有铁路安全运营的要求。