盾构复杂线型上软下硬泥岩地层下穿运营铁路施工技术

梁梦秋

摘 要：随着城市轨道交通建设快速发展，地铁隧道盾构下穿既有铁路施工已是常见工况，相关施工技术和影响分析研究论著较多。但在无设计预留通道和任何地面加固隔离措施情况下，盾构复杂线型上软下硬地层下穿运营干线铁路的案例和研究相对较少。广州地铁八号线某区间盾构大纵坡小半径施工线性复杂，连续下穿多处地面建构筑物并在沉降敏感的上软下硬泥岩地层下穿广茂铁路，过程中通过掘进参数实验研究、综合跟踪注浆技术应用、天窗期掘进组织管理和信息化施工等措施，在无任何地面预加固隔离等辅助措施情况下，左右线盾构两次成功下穿正常运营的广茂铁路并安全顺利贯通。据此，对其关键施工技术研究和应用经验进行总结，以供类似工程参考借鉴。

关键词：上软下硬;综合注浆;下穿运营铁路;沉降控制

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.098

0 引言

经过几十年的蓬勃发展，我国城市轨道交通线网逐步完善，尤其是盾构施工技术应用成熟后，极大的促进了地铁线网规划及隧道线性设计的灵活性和合理性，总体呈现密集化、立体化特点。但随之建设难度和施工风险也逐步增加，盾构上跨、下穿、临近重要建筑物及运营线路等高难度高风险施工工况越发频繁，绝大多数情况下必须采用预留盾构下穿结构通道、地面预加固隔离、扣轨托换、运营线路降速等措施降低安全风险后，盾构在均质地层中实现顺利下穿。如四川省建筑科学研究院李成言等人以长株潭城际铁路树木岭隧道工程为依托，提出了通过袖阀管注浆对隧道周围一定范围土体进行预加固后大直径盾构下穿运营京广铁路控制技术;中铁二局杜能胜对粉土粉砂质地层盾构下穿站场内铁路股道施工技术进行了总结;河南工业大学赵文才等对大纵坡小曲线半径盾构隧道下穿铁路变形影响规律进行了深入研究，提出了一些关键结论也具有较高的参考价值。而在复杂线性沉降敏感的上软下硬泥岩地层中，盾构无任何地面预加固等措施直接下穿运营干线铁路案例少有。本文主要对广州地铁8号线某区间盾构在无任何地面预加固处理等措施情况下，通过掘进参数实验研究、综合跟踪注浆技术应用、天窗期掘进组织管理和信息化施工等措施，在大纵坡小半径复杂线型和沉降敏感的上软下硬泥岩地层中两次成功下穿广茂铁路施工关键技术进行研究总结，对类似工程具有较高的参考借鉴意义。

1 工程概况

广州地铁8号线某盾构区间在管片环号286～303环、长度约为23m的范围内下穿运营广茂铁路，隧道与铁路呈86°相交，共下穿5股有砟道床。下穿段隧道纵坡28‰，隧顶埋深15.9m，线间距为15m，平面曲线半径R=400m。盾构机采用中铁装备φ6280mm复合式土压平衡盾构机，配备四辐条面板式复合刀盘，综合开口率35%。

盾构下穿段地层从上至下分别为杂填土、淤泥质粘土、全风化泥质粉砂岩，洞身范围为强、中、微风化泥质粉砂岩，属于典型的上软下硬地层施工。强风化带泥质粉砂岩呈半岩半土状或碎块状，手可折断，为极软岩，遇水软化失水沉降敏感。中风化带泥质胶结，成厚层状构造，呈碎块状或短柱状，风化裂隙较发育，天然抗压强度3.80～12.5MPa。微风化带天然抗压强度值为11.70～20.40MPa。地下水以基岩裂隙水为主，具承压性，水头埋深约为4.5米，根据试验段掘进及管片渗漏情况判断，该段地层地下含水量非常丰富。

运营广茂铁路是我国西南地区物资进入港澳市场、发展对外贸易和旅游事业的运输干线，为有闸道床铁路。据现场调查统计，下穿点每日共有100列各类火车始发或经过，其中货运列车28列，旅客列车67列（含动车、城际高速列车33列，普通客运列车34列），车头5列。动车主要为时速200km/h的“和谐号”动车组，往返广东西南和云贵川等地区。列车运营空窗期大约为凌晨0点至4点之间。

2 主要问题及风险分析

广茂铁路为西南地区重要交通干线，线路运营繁忙，空窗期时间短。受运营单位管理程序限制，无条件在地面对铁路进行预加固或扣轨加固等处理，无法进入轨行区进行即时监测，无法保障随时维修。且该铁路配合运营动车编组，对铁路轨道沉降要求高，最大累计沉降控制为10mm，单次最大沉降值为3mm/d，盾构下穿施工容错度低风险极大。分析主要有以下问题和风险需要解决。

（1）上软下硬泥岩地层本身掘进风险高，稍有改良控制不当极易刀盘结泥饼造成掘进困难地面沉降失控，同时该地层失水地面沉降敏感，施工中必须采取一切措施避免在铁路下方长时间停机开仓或水土流失等情况。

（2）复杂线型盾构掘进姿态控制难度加大，盾构纠偏和必要的超挖加剧地层扰动，隧道管片易破损渗漏水等，对掘进过程中和后期地表沉降影响较大，需采取措施控制。

（3）铁路有大量动车组运营，社会影响大，对路基沉降及轨道平顺度要求高，空窗期时间短，运营单位配合度及应急措施有限，对设备及人员组织管理配合容错度极低。

3 下穿铁路施工关键技术

结合类似工程施工经验，经充分研究论证后确定盾构下穿运营铁路总体方案思路。即在盾構机下井前首先对设备进行必要的检修和适应性改造，确保设备渣土改良性能及跟踪二次注浆条件;下穿前设置试验掘进段，根据试验段地面监控量测数据，总结修正盾构在上软下硬泥岩地层掘进参数，制定下穿铁路执行的控制参数;并在盾构下穿过程严格施工组织和信息化施工管理，考虑沉降滞后时间尽可能预留空窗期进行铁路应急整修条件;掘进过程中和隧道贯通后采用综合跟踪注浆技术控制铁路后期沉降直至完全稳定。

3.1 试掘进参数研究

将本区间下穿铁路前水文地质情况相似的第170环～250环作为试验段试掘进，试验段地层理论计算参数并按经验修正后设定总推力1200t、推进速度3～4cm/min、刀盘转速1.5r/min、土仓压力1.5bar、刀盘扭矩2000kN·m、同步注浆6m3、二次注浆压力0.3MPa、出土量60～62m3。期间模拟正式下穿施工组织管理，试掘进过程中发现在上软下硬地层中掘进参数易出现波动，土仓压力有瞬时损失现象，最小土压值为1.32bar，同时刀盘前方地面单次沉降超出了允许值3mm/d。如图2、3所示。

通过对试验段的施工参数进行统计分析和研究，分析原因并采取措施如下：①土仓压力出现瞬时损失现象分析主要原因为管片防水条在拼装时破损，二次注浆没有及时跟进，导致漏浆泄压情况。后续加强管片拼装质量控制的同时，在盾构机1号车架前平台设置双液注浆机及拌浆设备，掘进过程中按需对脱出盾尾的管片及时进行二次跟踪注浆。②地层含水丰富裂隙水补给快，由于土仓压力与计算静水压力基本一致或稍低，掘进过程中盾体周围地下水大量汇集涌入，影响土仓改良效果和土压平生导致螺旋机出土存在喷涌、土压波动。随即将掘进土压提高至1.7bar（比理论计算土压高出0.2bar），保证土仓压力略大于开挖面静水压力，避免盾构周围地下水向土仓汇集影响掘进。

采取措施后试掘进地面监测数据稳定正常，修正总结制定下穿段各项施工参数如表1。

3.2 铁路远距离监测

正常环境情况下，盾构下穿铁路等建构筑物自动化监测或人工监测技术手段已非常成熟，测量精度和数据计算反馈及时性完全满足施工要求。但广茂铁路平均每天往返车次高达12min/列，全天仅凌晨0～4点为空窗期，根据运营单位强制管理规定，铁路运营期间人员禁止直接进入轨行区实时监控量测，禁止在轨枕上安装自动化监测棱镜（防飞溅撞击列车），不能满足盾构下穿信息化施工要求。

故综合比选采用远距离人工监测的方式对铁路进行监控量测，即在铁路附近人行天桥上设置固定测站架设1s全站仪，在铁路轨枕、接触网立杆、周边房屋基础特征点上布设高精度小棱镜进行三维坐标测量，计算测点位移情况进行对比分析。根据盾构掘进单环施工循环时间，监测频率控制在3h/次左右，必要时灵活调整监测频率和监测范围，减小监测工作量及时反馈数据。

3.3 专项施工组织措施

针对盾构低容错度和高风险下穿施工，严格施工组织管理确保技术措施执行到位、问题发现和处置及时有效是关键。在试掘进段调整责任心强、有丰富施工经验的管理人员到关键岗位负责实施，项目领导人员到现场全程24h带班组织，专家现场驻点指导，确保管理体系运转顺畅、现场问题处置果断及时。并采取以下施工组织措施确保顺利下穿。

（1）针对下穿段大纵坡小半径施工，为确保施工连续性和控制洞内运输车运行速度，调整电机车编组采用单环单列编组，并增加配备一列车备用。

（2）调派盾构机及配套设备厂家专业技术人员到现场值班，并提前落实了同型号设备整机配件来源，确保现场备件之外的配件能够及时到位排除故障。

（3）盾构机操作室、现场监控室、各主要工作面配备有线电话、对讲机通信，建立手机即使通讯工作群，视频监控和参数监控与公司远程监控中心进行互联，确保公司后台和项目管理人员信息联动，实时掌握分析盾构施工参数快速响应。

（4）调整全天盾构施工组织节奏，尽量利用晚间和天窗期客运列车减少时段快速掘进。协调铁路站段工务班组帮助配合，根据每天监测数据和轨检情况，按需在天窗期时间内对下穿段道床进行整修恢复，确保列车正常运营。

3.4 下穿掘进关键技术

通过试验段试掘进研究和下穿铁路段实践应用，左右线盾构两次下穿掘进相关技术和经验总结如下。

（1）综合上软下硬泥岩地层特性及试验段掘进参数总结分析，在盾构下穿铁路掘进采用局部气压辅助模式推进。即土仓压力值比计算理论值高出0.2bar，控制仓内渣土面在顶部以下1.5m左右，上部主要为泥浆和泡沫混合物，可有效扼制了地下水流失汇集涌入土仓，保障渣土改良效果的同时稳定地层，为地面沉降控制起到关键性作用。

（2）盾构推进参数选择按照试掘进总结控制参数执行，下穿过程中根据地面监测情况微调。需特别说明的是，为确保盾构尽快完成下穿，尽早提供洞内注浆等沉降控制措施条件，盾构掘进按照正常速度3～4cm/min控制。通过试掘进和下穿掘进分析看，合适均衡的掘进速度更利于设备综合性能匹配和控制，过慢的掘进速度反而影响渣土改良、土压稳定易造成螺旋机喷涌等情况。

（3）泥岩地层中胶结物含量超过45%，稍有控制不当极易结泥饼。通过试验段和下穿铁路掘进过程中每环筛洗分析渣样分析总结，泡沫剂原液浓度3%，发泡率控制在11倍左右，选择刀盘中心2个和周边1个喷口进行改良，单管流量控制在120L/min左右改良效果最好，施工过程中未发生喷涌和土压大幅度波动现象，渣土改良流塑性好。

（4）采用同步注浆和按需多次二次注浆的综合跟踪注浆技术，确保在地层沉降反应时间内有效填充土层损失控制沉降。通过现场试验研究和下穿应用，同步注浆4孔同步注入，配置浆液初凝时间不大于10h，泌水率不超过5%（体积比），28天抗压强度不小于2.5MPa，浆液稠度10cm时地面沉降和管片上浮控制效果较好，浆液配比参考如表2。

因采用气压辅助掘进，需在同步注浆的基础上，同步进行間隔二次注浆补强管片顶部可能存在气囊空隙，并按需跟踪注浆控制工后沉降。①下穿运营铁路段隧道管片增设注浆孔10个，与管片吊装孔配合使用，全环合计16个注浆孔，根据监测数据及管片姿态综合选择二次双液注浆点位，控制管片上浮及地层沉降。②在1#台车前方平台固定设置小型液压双液浆注浆机和拌浆设备，在车架上堆放适量水泥等注浆材料，推进过程中每班在盾尾后3～5环进行二次补强注浆。水泥浆液水灰比为1∶1，水玻璃溶液∶水泥浆=1∶1（体积比，水玻璃溶液为35波美度水玻璃与水1∶1混合溶液），注浆量每孔控制在0.2m3左右，注浆压力不超过0.4MPa，注浆完成后间隔半小时检查注浆效果，确保开孔无渗漏。③在盾构尾部台车上再增设一套双液注浆机和拌浆设备，按需对管片开孔注入双液浆填充管片背后空隙，形成止水环隔断隧道外纵向涌水通道，有效控制工后沉降。④在双液注浆过程中设置管片顶部排气孔，安装注浆单向逆止阀，注浆时打开球阀直至出现冒浆时关闭，10min后检查注浆效果，如仍有水气溢出，应对该孔进行再次注浆。

4 结论及建议

通过掘进参数实验研究、综合跟踪注浆、掘进组织和信息化施工管理等关键技术措施应用，区间左右线盾构在无任何地面预加固处理等措施情况下，先后两次安全顺利下穿广茂铁路，分别历时4天，左线铁路路基最大累计沉降8.2mm，右线最大累计沉降9.5mm，满足铁路10mm的沉降控制要求，得到了广州地铁集团及铁路运营单位的高度评价，是一次大胆的创新和尝试，对类似水文情况下盾构无地面措施和设计预留通道下穿運营铁路具有较高的参考借鉴意义。

但在下穿过程中，也出现了一处土仓压力波动较大，导致铁路单次沉降超过3mm/d的情况，现场立即调整了施工参数予以控制。总结相关关键技术应用和经验教训，有以下建议可控参考。

（1）正式下穿前在相似水文地质段设置试验段十分必要，可通过地面沉降规矩总结修正得出合理的下穿施工参数，并充分暴露施工组织和管理方面的具体问题并提前解决。

（2）在地下水丰富的上软下硬泥岩层盾构掘进，土仓压力应控制在理论计算值以上0.2bar，确保地下水不进入土仓影响渣土改良，同时防止地层失水沉降。同时应严格做好每环渣样筛洗分析，实时掌握地质和改良掘进情况。

（3）隧道内综合跟踪注浆是控制地表沉降的关键有效手段。同步注浆采用总量控制，二次注浆和跟踪注浆采用量压双控，按需注入确保管片背后填充密实形成止水环，阻断地下水控制管片上浮。

（4）务必协调铁路站段和工务班组积极配合，增加地面巡道频率，实时反馈轨道沉降情况指导行车调度和空窗期修整，确保行车安全。

（5）盾构下穿运营铁路施工风险和社会影响极大，权属单位审批和论证时间普遍半年以上，应在工程进场时提前启动完善相关审批手续。同时在类似上软下硬地层时，建议尽量优化线路加大隧道埋深到全断面硬岩，或采用地面预加固隔离、扣轨等措施降低风险。

参考文献

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