盾构近接铁路掘进期斜坡及注浆加固措施研究

郭 军

（中铁十五局集团第五工程有限公司 天津 300000）

1 引言

随着城市地铁线路日益增多，地下轨道交通建设过程中面临的施工难题也日益突出。地铁建设属于后建工程，在施工期间难免遇到近接既有结构施工的工况，尤其是当盾构近接既有铁路掘进时，若造成较大地面变形将会导致工程风险。

李正涛等［1］基于监测数据整理与有限元分析，总结三洞近接铁路路基施工关键技术，指出先掘进左线隧道、再掘进右线隧道，最后驶出入场线的施工次序有利于控制地表变形及隧道群间的相互干扰。蔡兴瑞［2］指出注浆加固［3］不仅能够减小铁路道床与轨道的竖向变形，还能避免喷涌等事故发生，因此在减弱盾构掘进对地层扰动、降低施工风险等方面具有良好的应用效果［4］。程国良等［5］根据严格的监控指标及控制措施，提出可靠的前期准备方案。在富水砂性地层环境下，降低地层损失、增大隧道埋深、实施注浆加固等方案有助于控制地层及铁路轨道沉降［6］。唐志辉［7］针对是否加固［8］、加固范围等问题，作了深入分析与讨论。即使对于无预加固，且存在列车荷载作用的最不利施工工况，赵太东［9］指出将注浆压力控制在0.30 MPa及以上，可有效补偿地层应力损失、控制其塑性区的发展。

现有研究中，鲜有盾构邻近铁路掘进期斜坡与注浆加固措施方面的研究。在地层加固措施方面，无收缩双液注浆（WSS）工法具有改善地层抗剪强度的优点，且不局限于复杂地层条件的限制，在诸多地基加固工程中均有体现。鉴于此，文本基于工程实际，将铁路斜坡加固、WSS注浆与监控技术相结合，详细介绍施工步骤与流程，为类似工程提供有借鉴意义的经验及建议。

2 工程背景

如图1所示，本工程施工的盾构隧道近接正在运营的铁路掘进（里程DK19＋810～DK19＋820）。隧道与铁路净距不足20 m，近接区域地层特性以块状强风化花岗岩地层为主。考虑施工过程中运营铁路的安全问题，在盾构穿越铁路时要严格控制铁路部位地面的隆起和下沉［10］。经过综合考虑，决定在盾构掘进期采取对铁路下方进行加固、WSS工法注浆等措施。

图1 隧道近接铁路施工布置

3 近接掘进期斜坡加固措施

3.1 斜坡加固设计

经过现场实地勘察和施工经验总结，决定在铁路斜坡位置梅花形（垂直）布置半径2.1 cm、间距0.8 m的钢花管。注浆范围为坡顶至坡底竖向约20 m，横向约9 m，布设15×10排共150根钢花管。坡底采用水平注浆方式支护，管长20 m，间距0.4 m，设置两排管共44根，如图2所示。

图2 斜坡加固示意

3.2 斜坡加固施工

（1）定位放线

现场测量队伍应依据施工图纸进行测量放线，保证每一根打入的钢花管位置不超过误差范围。

（2）钢花管制作及打设

如图3a所示，钢花管入土端加工成桩尖状，钢花管全长范围内设注浆孔，对向布置间距500 mm；如图3b所示，斜坡位置用洛阳铲打孔后将钢花管插入，底部用钻孔机打孔后将钢花管插入。为保证钢花管的完整性，在插入过程中旋转钢花管，通过两种施力方式将其插入孔底。

图3 现场加固设备

（3）注浆参数

注浆材料选用普通硅酸盐水泥（42.5等级），水灰比约1∶1，设定的注浆压力范围为0.3～0.5 MPa，扩散半径应控制在1 m左右，注浆量每孔不超过1 m3。

（4）注浆施工

按照施工方案进行浆液配置，搅拌时间应超过2 min。为防止串孔现象发生，应按间隔注浆的顺序施工；当注浆压力变化幅度过大时，宜停止施工，及时查明原因。具体操作时，应综合考虑孔口冒浆及注浆压力两项指标，提前调制水泥砂浆，倘若初始注浆阶段孔口冒浆，则应快速用水泥砂浆封堵孔口，等浆液强度合格后方能继续注浆。

4 近接掘进期注浆加固措施

4.1 WSS注浆工艺

为确保盾构机在下穿铁路时能够正常掘进施工，在下穿前提前更换刀具。由于盾构机停机位置选择为上部岩石全风化带地段，地层相对稳定，为了进一步降低检查及换刀的风险，项目部决定在洞内采取WSS注浆加固方法。图4a和图4b分别给出了WSS工法注浆施工步骤及流程。

图4 WSS注浆施工步骤及流程

具体施工时，首先在洞内搭设支架，为注浆机提供一个作业平台，在其上方铺设走道板，见图5a。平台搭设完成经检查合格后，将注浆机移至平台，通过盾构机的超前注浆孔进行打孔，孔深为8 m，见图5b。

图5 WSS注浆施工工艺

4.2 WSS注浆机具与浆液特性

WSS注浆机械设备包括钻机、高压泵、搅拌机、流量器等；器具包括旋转二重管、切换喷头、旋喷液混合器等。

渗透性能较高注浆浆液分为三种类型，即超高强度型（CW-3A）、高强度型（CW-3B）、普通型（CW-3C）。表1和表2分别为无压缩浆液的标准配比及性质。

表1 无压缩注浆液标准配比

表2 浆液性质

作为注浆工艺关键参数，注浆压力直接影响注浆效果。除了受地层条件限制外，注浆压力的设定还应综合考虑浆液自身的黏度及凝结时间，具体方案为：

（1）根据测得的静水压力值，设定的注浆压力可取2～3倍的静水压力值（不超过5倍）。

（2）根据注浆地层深度计算：

式中：P为设计注浆压力（MPa）；H为注浆深度（m）；K为注浆压力系数。

（3）本次在洞内加固，地面覆土12～13 m，水平钻孔约8 m。综上所述，本工程中注浆压力的取值范围宜为0.3～0.35 MPa。

4.3 WSS注浆效果

（1）基于一定的注浆压力，土颗粒间的水分被挤出，同时土颗粒间的间隙被注浆浆液及时填充，土体逐渐固结，达到改良土体的目的。

（2）注浆浆液与土体凝结后会增大地层的粘结力和内摩擦角，同时地层的透水性也会有所减弱。

（3）注浆加固后各层土体强度均有所提高，卵石层、细中砂层、黏土层的强度指标分别为25～30 kg／cm2、15 ～ 20 kg／cm2、10 ～ 12 kg／cm2；止水系数达到10－7～10－8cm／s。

5 监测分析

运营铁路对地表变形及其敏感，相关单位对运营区域地表变形要求也极为严格，为了保证盾构掘进期铁路运营安全，需要针对该敏感区域制定监控量测方案［11－13］。

5.1 监测方案

以铁路与隧道中心线交点为中心，向隧道前后每2 m布一个测点，两侧监测点距隧道轴线4 m，左线和右线各布置15个沉降监测点，以监测盾构下穿铁路期间的沉降情况。图6a和图6b分别为左线和右线监测点布置图。

图6 监测点布置

基于铁路运营要求，同时结合盾构掘进特点，宜在开仓换刀前进行监测点布置，及时记录初始值。待进仓工作就绪、准备带压施工时，需加密监测，第一天的监测频率为每隔2 h监测一次，后续的监测频率为每隔4 h监测一次，保持该量测频率直到作业结束，期间按时上报监测数据。在实际监测中，当监测数据达到控制基准的70%时作为预警值；当监测数据达到控制基准的80%时列入安全警戒状态，需加密布置监测点，做好防控工作，以防数据突变。

监测结束后，需及时归纳总结监测数据，利用软件进行计算，将监测得到的沉降值、沉降速度等数值以图、表形式展现出来，以反映监测周期内各参数的变化规律。

5.2 监测结果

左线近接铁路掘进期地表累计沉降监测结果见图7。15个地表监测点均下沉，其中7号监测点（Z7）沉降量最大，最大值约2.1 mm。

图7 地表沉降监测结果（左线）

右线近接铁路掘进期地表累计沉降监测结果见图8。大部分地表监测点出现负的沉降值（隆起），最大隆起量为5.0 mm（Y1测点）。近接施工结束后，15个监测点均下沉，最大值约4.7 mm（Y2测点）。

图8 地表沉降监测结果（右线）

综合上述左、右线盾构穿越期间运营铁路地表变形监测曲线，后者变形最大值达到5 mm，超过业主规定范围，这是由于初次穿越对盾构掘进参数控制不准确所造成，经过两天的调整试验和摸索，后期为确保盾构穿越顺利进行，调整了注浆和盾构掘进参数，顺利下穿运营铁路，后期变形最大值不足3 mm，满足铁路安全运营要求。

6 结束语

（1）斜坡加固过程中，钢花管全长范围内设注浆孔，且入土端加工成桩尖状；斜坡位置用洛阳铲打孔后将钢花管插入，底部用钻孔机打孔后将钢花管插入。

（2）本文介绍的WSS工法注浆施工步骤及施工流程，可使注浆浆液快速充填土体颗粒间的间隙并使其固结，增大地层的粘结力和内摩擦角，同时地层的透水性也会有所减弱，有效改良了土体。

（3）通过监测数据可知，盾构穿越运营铁路时，通过调整注浆和盾构掘进参数，确保了盾构顺利掘进及运营铁路的安全，相应的施工方案值得推广应用。