盾构下穿既有铁路沉降控制技术研究

王建国

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 工程概况

本区间为单洞单线区间，区间起点为机场北站，终点为吊出井，起点里程为YDK41+437.900，终点里程为YDK42+343.576（ZDK42+335.972），区间长度905.676m（左线898.072m），线路埋深在19m～27m之间，最小线间距12.05m。区间线路自机场站端以2‰、28‰及5‰坡度向下直至吊出井，具体见图1。

图1 机～吊区间线路平面示意图

本区间采用盾构法进行施工，在YCK8+900里程设联络通道一处，不设泵房。区间段沿线范围内上覆第四系全新统人工填土层（Q4ml）、海陆交互相层（Q4mc）、全新世冲洪积层（Q4al+pl）、残积层（Qel），下伏基岩主要为震旦系混合花岗岩。其中本区间隧道洞身范围地层主要为混合花岗岩、砂质黏性土层。右线下穿地铁11号线隧道区段首段及末段为上软下硬地层，中间段为全断面硬岩，左、右线下穿穗莞深隧道区段均为全断面硬岩。区间勘察范围内的地下水按赋存方式划分为第四系松散层孔隙水、块状基岩裂隙水两种类型。

2 施工准备

结合盾构机掘进区间的工况特点，选择一台海瑞克S773和一台铁建重工DL409复合式土压平衡盾构机进行区间内盾构施工，两台盾构机的机械性能参数由专家评审之后提出修改建议，对维修改造后的盾构机进行勘验，保证盾构机在使用前性能达到最优。盾构始发前，联合监理、业主及穗莞深施工单位对穗莞深隧道表面、渗漏点和裂缝等及隧道的现状情况(包括隧道的表面情况和维修情况)进行详细检测并记录。提前做好盾构机等施工设备的检查与维修，开仓更换刀具，保证以良好的状态顺利安全下穿穗莞深隧道。

3 盾构下穿既有地铁沉降控制关键技术

3.1 沉降分析及控制

地表变形有地表自然沉降变形、盾构通过时变形，盾构机通过后变形等，而造成地表变形的主要原因就是盾构施工。以下是盾构施工各个阶段的详细特征及原因，详情见表1。

（1）在先期工程施工过程当中，由于盾构施工导致地下水位降低、水土流失产生沉降，此阶段地表变形小。

（2）在进行盾构机开挖前就已经出现了变形的现象，而造成此现象的发生就是因土层压力不均衡现象所导致的。

表1 盾构施工变形阶段及特点

（3）发生在盾构到达该里程时，主要因为刀盘与盾体之间的间隙、超挖、纠偏以及盾构机与土体的摩擦等原因而引起的地层隆起或沉降。

（4）发生在盾构通过该里程后，如果衬砌背后与洞体的空隙填充不及时或过于饱满土体弹塑性变形会造成地层沉降或隆起。

（5）在施工末尾后，仍然会出现沉降的现象，此现象是无法通过人力来进行操作，但是，后期沉降会相对较慢，而沉降的占比占到4%～5%。通过对早期的资料进行全面性的分析及观看能够有效地了解沉降的发生和时间、地点都存在着一定的联系。

综上所述，在实际施工过程当中，相关的施工为保证沉降工作整体的质量，可以从施工的设备仪器，施工的操作，人员的修补，数据的调整等方面进行沉降的减少。

3.2 沉降控制技术

3.2.1 前期沉降控制

做好土压力施工控制，借鉴右线下穿地铁11号线的经验，在盾构掘进时选择合适土压，防止穗莞深隧道前期隆起和沉降。

3.2.2 开挖面沉降控制

盾构掘进开挖面沉降主要通过土压控制、出土量、掘进参数调整进行控制，保持开挖面土压平衡、对土仓压力进行实时监测，对土压设定进行试验；根据开挖面土压平衡、控制出土量；对总推力、推进速度、刀盘扭矩、千斤顶压力进行监测并分析其随地层条件变化的规律。

3.2.3 盾构通过时沉降控制

本工程选用海瑞克盾构机，刀盘设计直径为6980mm，前盾直径为6950mm，刀盘较盾体直径大约30mm左右，为减少该阶段沉降，应尽量缩短盾体通过时间，因此需保证盾构能连续掘进，防止盾构机发生不必要的停机。而当盾构机因特殊原因在下穿隧道期间时，通过盾构机盾体上的径向孔向盾体周边注入厚浆，以填充盾体周边的孔隙，减小盾体通过阶段的沉降。

3.2.4 控制技术措施

在盾构穿越过程中，要具有可操作性的施工方案，要保证设备仪器模式的无误、土仓压力的稳定，操作过程中稳步推进以及注浆工作的质量等，具体操作如下。

（1）在初步实验过程当中，相关的施工人员需要对其参数，进行全面性的测试工作，并在测试工作后进行分析，找出设备仪器合理有效地数据参数。

（2）盾构机在工作过程当中，很容易对周边岩层造成破坏，故操作手在盾构机掘进过程当中，需要放慢盾构机的施工速度，保证注浆、管片拼装等其他工作整体的质量。

（3）土仓的压力会直接影响到整体施工的质量，因此，作业人员要根据施工场地的实际情况，对土仓压力进行全面性的把控，保证盾构掘进过程中土仓的压力合理且稳定，避免压力过大或过小现象的发生。

（4）渣土量会直接影响后期沉降，因此，在施工过程中，作业人员需要对渣土量进行全面性的把控，对渣土数量过多的地区进行填充注浆处理。

（5）为保证施工整体的质量，相关的施工人员还需要对施工的实际情况进行全面监控，做好盾构机各项数据的反馈工作，从而真正实现信息化操作。

（6）注浆配比。为达到较好控制地层变形效果，机吊区间下穿段同步注浆采用可硬性浆液，二次注浆注水泥、水玻璃双液浆方案。通过调整各原材料的含量和规格，试验浆液的初凝时间、达到强度时间、稠度、泌水率、固结收缩率等性质确定下穿穗莞深隧道的浆液配比。根据试验结果，决定采用早强型普通硅酸盐水泥，并考虑增加CaCl2等加速浆液凝固的外加剂，保证浆液可以在1d内达到强度。适当提高粉煤灰含量，并且用强度等级更高，细度更高的粉煤灰，以提高砂浆的粘聚性和保水性。下穿穗莞深隧道同步注浆配合比见表2。

表2 下穿穗莞深隧道同步注浆配合比

（7）洞内环箍注浆在隧道施工当中起到至关重要的作用，盾构机在施工过程当中，或多或少的会对周边岩层土壤造成一定的影响，因此，相关的施工人员需要采用洞内环箍注浆进行加固工作。比如：在盾构机后方通过管道进行高压力的注浆工作，能够有效地对周边的岩层质量进行巩固工作，从而保证沉降工作的质量，其次，对出现裂缝等问题的土体进行洞内环箍注浆还能够有效地控制地面变形，从而真正使沉降设计工作达到严格地标准。

（8）三次注浆。为止住盾尾来水造成喷涌情况以及进一步填充空隙，当在管片脱出盾尾八环后，进行三次补充注浆，采用双液浆，水泥浆水灰比为0.8～1；水玻璃与水按1:1.5进行稀释；注入时水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=1:1。

3.2.5 后续沉降控制

为保证盾构施工过程中穿越后穗莞深隧道安全，需进行深孔加强注浆加固，以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。在管片纵向螺栓的位置每22.5°增加一个注浆孔,即在每个邻接块和标准块各增加两个注浆孔,每环管片注浆孔增加到16 个。通过11 点位或1 点位预留注浆孔对在建穗莞深隧道左线DK41+622.21～DK41+719.97及DK41+622.21～DK41+751.13右线段进行洞内注浆加固。注浆范围为隧道两侧120°,注浆厚度为穗莞深隧道与机～吊区间隧道净距H-1m。

管片背后二次深孔加强注浆采用水泥-水玻璃双液浆，注浆时需要在1 点位或11 点位注浆口上安装逆止阀，防止地下水通过注浆管流入隧道。根据实际施工情况及在建隧道内监测情况对单孔注入量进行调整。

3.3 其他沉降控制

3.3.1 防止管片上浮及侧移的措施

及时跟踪测量管片姿态，反馈监测数据，分析管片姿态每日变化趋势，研究管片是否存在上浮，以及上浮速度及上浮量；加强同步注浆管片，保证管片上部及圆曲线外侧的管片空隙也被浆液填充密实；根据管片姿态监测情况，如管片上浮量较大，则垂直偏差可调整为-30mm～-40mm之间。

图3

3.3.2 选择注浆浆液，控制地表变形

根据机场北站至吊出井盾构成功穿越所获取的经验，可以直接选用“准厚浆”浆液作为注浆工作的基础材料，此材料的主要成分含有石灰、钠基、粉煤灰、砂子、添加剂、水。此浆液的优势就是填充质量较高，浆液整体稠度较高，硬化体积收缩小等，对于表面变形的控制有着极好的效果。

4 盾构施工沉降量监测技术

本隧道结构变形监测控制网（点）以在建穗莞深隧道线路铺轨控制基标系统为基准建立，起始并附合于隧道控制基标点上，选择6个基标点作为高程基准点。控制网同观测点一起布设成闭合环网、附合网或附合线路等形式。基准点的选择须远离盾构施工影响范围。

机～吊区间中心线与在建穗莞深隧道左线、右线相交位置一个布设监测点，然后分别沿在建穗莞深隧道方向按5m、10m、20m的间距向两侧布设监测点，点位布设在隧道侧壁的管片上，左右线共布设14个沉降测点；采用TrimbleDINI03电子水准仪观测结合几何水准测量，并记录数据；需要经过3次反复测量，把标准误控制在±0.15mm 以内，往返较差及环线闭合差应在±0.3mm（n 为测站数）以内；平差后数据取位应精确到0.1mm，预警值取控制值的60%，报警值取控制值的80%。

图4

5 结语

综上所述，下穿既有铁路盾构施工是交通轨道施工中要重难点工程，通过制定施工方案、完成技术交底、选择合适的盾构机、配备施工人员、组件安全预警人员、精准控制施工过程的施工参数、动态监测数值等内容，加强对盾构法下穿既有铁路造成的沉降变形，保证施工的顺利进行和施工安全。