地铁区间盾构多次下穿铁路营业线施工技术研究

占凡

（中铁二局集团有限公司城通分公司，四川 成都 610036）

盾构法施工已经成为城市地铁隧道工程施工中应用较广的一种施工方法，该方法具有施工速度快、安全性高、对周边环境影响小等特点，广泛应用于地铁区间隧道施工。又特别是在老旧城区施工过程中，采用盾构施工穿越各种重要建构筑物成为一种常态。本文通过某盾构区间左右线多次成功长距离下穿铁路为实例，保证了铁路正常运营和施工安全，下文对施工过程的技术措施进行阐述。

1 工程概况

此次下穿铁路盾构区间为双线地铁隧道，区间最小转弯半径410 m、最大纵坡28‰、盾构区间隧道顶埋深17.05～30.8 m，盾构外径6 m，内径5.4 m，采用中铁装备盾构机进行施工。

1.1 铁路简介

道床及轨枕形式如下：下穿范围段铁路道床为碎石道床，由具有一定粒径、级配和强度的硬质碎石堆集而成；轨枕为混凝土。最高运行速度为城际200 km/h。

1.2 下穿铁路位置关系及主要铁路设施

铁路位于地铁区间以410/430 m曲线半径上，第一次下穿铁路3条铁路股道及渡线道岔，另包括4个信号灯、2个道岔机、4根接触网立柱等相关设备设施，如图1所示；第二次下穿铁路2股道及侧穿一座铁路桥、7根接触网立柱，如图2所示。左线隧道顶部与铁路轨底竖向净距约25.7 m（第二次下穿净距27.6 m），右线隧道顶部与铁路轨底竖向净距约25.0 m（第二次下穿净距28.4 m）。

图1 第一次穿越平面位置关系

图2 第二次穿越平面位置关系

1.3 下穿铁路地质情况

穿越铁路段盾构隧道顶埋深为25.0～28.4 m，左右线地层主要为<8-3>中风化泥质粉砂岩，岩层强度为5.4～15.7 MPa；<7-3>强风化泥质粉砂岩，岩层强度为1.0～3.4 MPa。

2 技术重难点及应对措施

该铁路区间无法进行地质勘察，勘察资料缺失，无法准确判断该段地质情况，在盾构掘进过程中缺乏指导性，存在盲目性。针对此情况，需要做到以下2点：①分析周边区域地质构造，区域地质构造简单，为单斜构造，覆盖层为人工填土，下伏基岩为泥质粉砂岩等，地内无塌陷、崩塌、滑坡等不良地质体存在，综合判断稳定性较好，根据隧道埋深判断为强风化或中风化泥质粉砂岩；②在掘进过程中对渣样进行分析，判断地层情况。

城际列车以200 km/h高速通过，对沉降极为敏感，控制轨道沉降差极为重要。可通过试验段总结掘进参数，采用同步浆液量和压力双控指标、每环采用双液浆进行补浆、每隔8环注止水环箍等措施控制沉降，同时采用AB料新技术控制沉降，申请对过站列车进行限速[1]。

铁路绝大多数时间处于正常运营状态，对轨道沉降监测存在一定困难，铁路运营期间非铁路人员不得进入轨道范围内。铁路部门配合检查线路轨距、水平、方向等几何尺寸，较大变形一经发现，立即纠正；较小变形可利用夜间时段进行调整修复，避免沉降积累[1]。如变形继续加大，立即改道，盾构停机保压，查找原因等措施；测量人员在轨枕上、路基上布置监测点，在高架桥、屋顶等高空位置对其进行监测。

3 施工前准备

3.1 技术准备

3.1.1方案编制审批

在穿越铁路之前，编制《盾构下穿铁路专项施工方案》，组织专家评审；下穿前检查刀具，做好盾构机维护保养和刀具检查更换，确保连续不间断穿越；与铁路相关部门联动，采取测量巡视及列车限速措施；施工区间分为试验段、穿越段和保护段，利用试验段充分验证掘进参数的可实施性，掌握不同参数和地面沉降之间关系，确保穿越段参数最佳。

3.1.2 AB料新材料新技术引进

在穿铁前，引进浆液AB料，AB料属于一种浆液的促凝剂。使用时A料可直接混合于正常的同步浆液中，B料需溶于水形成B液，在同步注浆时，将B液新增管路至盾尾与同步注浆管联合。下穿铁路时，同步浆液在AB料的辅助加持下缩短了浆液初凝时间，增加了浆液凝固后的强度，对抑制地表沉降起到了良好的作用。A、B料分别如图3、图4所示。

图3 A料

图4 B料

3.1.3 施工监测

监测内容为试验段、穿越段和保护段范围，即沿隧道方向到达铁路围墙前60 m到盾尾脱离围墙20 m范围。

本次穿越铁路施工监测主要分为自动化监测、人工监测和铁路工务巡查检修。自动化监测按照图纸实施，与此同时在盾构下穿前，在铁路股道旁、道岔旁、铁路路基等位置提前清点，之后在旁边的高架桥、铁路人行天桥或是在铁路旁居民2层房屋楼顶上采用全站仪进行监测。同时铁路监测由工务段利用天窗点进行测量。铁路测点布置如图5所示。铁路变形控制值如表1所示。

图5 铁路测点布置图

表1 铁路变形控制值

当实际变形值达到控制值的80%，即为监控的报警值，发出预警，达到控制值时发出报警，当首次报警后，若测点以较大速度继续变形，视情况继续报警并加大监测频率。

3.1.4 开仓检查

为确保穿越铁路过程中刀具正常可控，在全数检查刀具磨损和刀箱情况后，提高中心刀和面刀更换标准至8 mm，并根据刀具布设位置针对性地进行更换，清理刀盘上的泥饼，确保顺利下穿运营铁路。

3.1.5 技术交底

在到达试验段前，将组织项目部和现场全体人员进行交底，使其详细了解穿越的平纵断面关系、下穿的具体环数、地质情况、施工组织计划和安全、技术措施等。

3.1.6 物资储备

提前配备优质的进口巴斯夫泡沫剂和康达特的盾尾油脂，在下穿铁路的穿越段使用，保证渣土改良和盾尾密封效果。

3.2 穿越前的施工组织

此次地铁区间下穿铁路施工主要分为施工前准备、试验段、穿越段和保护段几个阶段。左右线需分开穿越，左线先行下穿，在左线盾尾脱出保护段后，对铁路影响范围进行系统的壁后补偿注浆，同时在确定铁路设施的安全状态良好后再进行右线隧道的掘进施工。

3.3 下穿铁路数值分析

3.3.1 分析思路

应用MIDASIT公司的GTS岩土与结构有限元分析软件，采用地层-结构模型模拟分析随着盾构掘进，地表沉降和变形，评估地铁施工对既有铁路的影响。

3.3.2 计算模型

计算模型尺寸为150 m（长度）×100 m（宽度）×50 m（地面以下深度），如图6所示，地层采用实体单元模拟，盾构管片采用板单元模拟。划分网格时，采用混合网格生成器，管片和开挖土体单元尺寸取1 m，其余单元尺寸取2 m。盾构区间与既有铁路空间位置关系如图7所示。

图6 计算模型

图7 盾构区间与既有铁路空间位置关系

3.3.3 岩土参数

岩土参数如表2所示。

表2 岩土参数

3.3.4 工况分析

上述盾构开挖区域所属地层为<8-3>中风化岩，盾构掘进过程中，考虑左右线错开180 m距离。初始状态如图8所示。各开挖工况位移统计如图9所示。

图8 初始状态

图9 各开挖工况位移统计

3.3.5 数值分析结论

根据不同工况数值分析，盾构掘进对股道的最大沉降未超过5 mm，满足要求。

4 下穿铁路技术和管理措施

4.1 掘进参数管控

4.1.1 参数预警

参数预警如表3所示。下发异常参数预警表，不得超过规定限值。

表3 参数预警表

4.1.2 试验段参数设置

铁路段平均埋深26 m，地质整体为<7-3>强风化泥质砂岩、<8-3>中风化泥质砂岩，采用“半仓土，气压辅助掘进”模式，与全仓土压模式相比，半仓土具有减小盾构负荷、减慢刀具磨损、降低渣温的优点，保护刀盘处于良好的工作状态是顺利穿越铁路的关键。

“半仓土，气压辅助掘进”模式主要是自然空气注入到土仓内来平衡掌子面的压力。气源主要为隧道自然空气，通过空压机注入量来调节仓内压力，通常为泡沫剂和空气混合物。该模式主要通过顶部和掌子面的地质条件来确定仓内渣土界面高度；顶部为富水砂层及淤泥土，不使用该种模式；顶部为可塑状黏土且具有短时稳定能力，仓内渣土超过土仓高度1/2；顶部为稳定岩层，仓内渣土液面高度不应低于1/3，为了保持螺旋机出土需要，也为了防止地质突变带来风险，在掘进过程中不宜频繁改变渣土面高度[2]，避免对掌子面形成负压，从而引起坍塌。

通过整理穿铁试验段掘进参数，并根据各种类似地层进行对比分析，拟定了穿越参数，如表4所示。

表4 掘进参数

4.1.3 穿越段、保护段参数设置及优化

在试验段掘进十分顺利的情况下，将试验段参数应用到穿越段以及保护段，在第一次成功穿越完成后及时总结参数，为后续3次穿越提供数据，并且每日根据不同的地层、地下水及监测等情况，每日下发盾构管控掘进指令单动态调整掘进参数。

穿越过程中加大地面巡查至每1 h一次，严格控制出土量，并采用方量计算以及龙门吊称重进行核算。每环采集渣样2次，测量渣温2次，并及时反馈给地面。如发现渣温过高，需及时调整渣土改良参数，防止刀盘结泥饼。如渣温过高未及时调整参数，在泥质粉砂岩掘进中刀盘容易结泥饼，使刀盘扭矩变大，刀具磨损加快，刀具易偏磨，速度变慢，掘进效率降低，容易引起较大的沉降。

4.2 姿态调整

穿越段平面线性为曲线段，纵断面为28%的下坡，盾尾间隙单侧为35 mm，为保证穿越铁路的安全及成型隧道质量，盾构水平姿态控制在﹣30～﹣20 mm以内；考虑到管片后期上浮等情况，垂直姿态控制在﹣40～﹣30 mm以内，以此严格要求盾构机掘进，有效减小盾构机对地层的扰动。同时坚持“勤纠、缓纠”的原则，每环姿态不宜变化过大，每环调整量在5 mm以内，同时根据管片姿态测量的情况调整掘进方向。

4.3 渣土改良

在穿越铁路过程中，为保证最好的渣土改良效果，选用进口的巴斯夫牌泡沫剂，测泡沫发泡效果、发泡倍率、持泡时间，并明确当渣温大于34℃时预警。渣土改良配比如表5所示。

表5 渣土改良配比表

4.4 出土量控制

每掘进1环进尺的理论出土量为：V=L×πd2/4=46.4 m3，根据前期掘进经验和查阅《建筑施工手册》，泥岩类取松散系数k=1.40～1.45（65～67 m3）比较合理，每掘进1环进尺的出土量应控制在65 m3。

掘进出土管控由方量控制、质量控制、行程控制3方面进行控制，并相互佐证：①方量控制。每掘进1 500 mm，<7>号地层小于60 m3，<8>号地层小于65 m3，<9>号地层小于67 m3。②质量控制。每掘进1 500 mm，<7>号地层小于120 t，<8>号地层小于130 t，<9>号地层小于135 t。③行程控制。每箱土（12 m3），<7>号层大于300 mm，<8>号层大于280 mm，<9>号层大于270 mm。

4.5 同步注浆

同步注浆管控由质量控制、压力控制、方量控制3方面进行控制：①质量控制。初凝时间根据地层、地面环境控制在2～4 h，浆液比例为1.7～1.8，扩展度控制在26～29 cm。②压力控制。注浆压力易控制在2～3 bar。③方量控制。注浆方量根据地层、地面环境考虑，根据中铁装备盾构机刀盘外径算得理论注浆量为V=（π6.282/4－π62/4）×1.5×1.5=6.07 m3，原则上不能低于6 m3，但考虑到损失和地层中有裂隙存在，在下穿铁路段每环注浆量加大至7 m3[3]。

在同步注浆的同时启用AB料，通过试验段开孔检查浆液质量的实验得到，当每方浆加入A料15 kg、B料20 kg时，同步浆液的初凝时间约28 min，满足现场施工。同步浆液配比如表6所示。

表6 同步浆液配比表（单位：kg）

隧道掘进过程中，注浆量根据不同的地质情况和地表监测情况进行动态调整。每环的压浆量大于建筑空隙的150%，注浆压力渐近增加以满足注浆量为上限值，原则控制在0.3 MPa。为保证穿越段施工质量，项目对同步注浆配合比重新进行试验，选择最优配合，初凝时间控制在2 h内，管片上浮量在20 mm以内。测扩展度如图10所示。压力控制如图11所示。

图10 测扩展度

图11 压力控制

4.6 二次注浆

4.6.1 二次跟踪注浆

为使隧道周围土体彻底固结，控制土体后续沉降，确保铁路运营安全，在盾构掘进的时候不断进行二次跟踪注浆，管片脱出盾尾第10～12环附近顶部开孔，采用纯水泥单液浆，水灰比为1∶1时进行二次注浆。

4.6.2 环箍设置

为提高同步注浆质量，避免已成环管片背后的地下水大量涌入土仓，每隔8环对管片背后进行整环二次注浆，形成一个由凝固双液浆构成的止水环，截断管片背后来水。采用双液浆，初凝时间30 s以内，注浆压力控制值在0.5 MPa以下。

4.6.3 工后补偿注浆

在盾尾脱出铁路保护范围后，对整个穿越范围的管片壁后每3环顶部开孔，进行一次系统的工后补强注浆，控制隧道后期沉降，再次确保运营线安全。采用纯水泥单液浆，注浆压力控制值在0.6 MPa以内[4-5]。

4.7 盾尾密封

盾尾密封双控原则为质量控制、压力控制。

油脂量控，根据掘进速度变动，为保证盾尾密封质量,在盾构下穿铁路段加强盾尾油脂的注入[3]，原则上每环质量不小于45 kg，增加至60 kg。注入压力，盾尾油脂静止压力不小于3 bar。管片粘贴海绵条及丁基橡胶薄板，能有效防止盾尾漏水、漏浆、漏气，同时控制同步注浆的压力。辅助措施如图12所示。

图12 辅助措施

4.8 盾构掘进参数预警制度控制

严格控制出渣量，每环掘进完成后出渣量大于规定值的±2 m3，门吊承重大于规定值的5 t，确保运营铁路安全；每环检测渣温至少2次，渣温34℃时为警戒值，当渣温达到警戒值或每环温度变化超过3℃时，立即分析判断原因并采取措施；每环同步注浆有效注浆量保证在7 m3以上，同时确保注浆管路畅通，一旦出现2根以上管路堵塞时，必须立即保压停机进行疏通。

5 穿越成果

区间左右线盾构按计划先后2次顺利下穿铁路，未发生长时间停机等异常情况，成功安全、快速、连续、顺利地下穿铁路，成果如下：①左线下穿铁路。第一次历时6 d，下穿铁路91.5 m，平均每天12.25 m；第二次历时11 d，下穿铁路138 m，涉及92环，平均每天12.5 m。最大沉降为﹣4 mm，未出现监测报警情况。②右线下穿铁路。第一次历时7 d，下穿铁路138 m，平均每天19.7 m；第二次历时11 d，下穿铁路112 m，平均每天10.2 m。最大沉降为﹣7 mm，未出现监测报警情况。

6 总结及建议

在城市中进行盾构施工时，尤其是老旧城区中，由于周边环境极其复杂，区间隧道线路受到车站站位以及周边建构筑物的影响，不可避免地将下穿众多重大风险源。盾构成功下穿4次铁路，得出以下结论及建议。

穿越区段坡度为28‰大纵坡，地下水向掘进方向汇集稀释同步浆液且存在盾尾同步浆液流失现象，采用AB料这种新技术可缩短同步浆液初凝时间，减少同步浆液流失控制地面沉降效果明显；采用自动化及人工测量相结合的监测手段，能快速获取沉降信息，为调整掘进参数提供数据支撑；合理的施工组织措施能实现盾构快速、匀速穿越，避免长时间停机引起地面沉降；加强信息共享，下穿运营铁路这种重大风险需要同铁路部门加强信息共享，确保铁路运输安全。