软土地区盾构隧道长距离穿越铁路群组施工技术研究

李晓龙（上海东华地方铁路开发有限公司，上海 200071）

盾构隧道穿越既有铁路群组和高铁时，如何保证既有铁路和高铁的运营安全是施工控制的重点，需采取有效的安全技术措施以减小盾构穿越期间的扰动，确保既有铁路设备稳定。本文以嘉兴市域外配水工程盾构穿越铁路群组和高铁工程为例，通过盾构掘进试验、变形监测等手段，确定合理的盾构施工参数，研究解决盾构长距离、小半径、大埋深、大坡度穿越铁路群组和高铁施工时地表沉降控制难题，以期对类似穿越既有铁路工程的设计、施工提供技术支撑和借鉴。

1 工程概况

1.1 盾构隧道线路概况

嘉兴市域外配水工程起点为杭州仁和节点，终点为嘉兴市各受水水厂。其中涉铁工程引水线路标段主要为D 4-1～D 5～D 6 盾构井的供水盾构隧道区间，D 4-1～D 5全长 2957.677 m；D 5～D 6 全长 1900.915 m。线路出D 4-1 盾构井后，先后穿越沪昆铁路上行线、杭州北车辆段、乔司编组站、沪昆铁路下行线及沪昆高铁，然后线路以410 m 半径曲线随杭浦高速向东北调整，之后沿着杭浦高速敷设到达 D 5 盾构井。线路出 D 5 盾构井后，沿杭浦高速向东北与沪昆高铁并行敷设到达 D 6 盾构井。

1.2 盾构隧道穿越铁路情况

盾构隧道分别穿越普速铁路和高速铁路，其中普速铁路段全长 382.9 m，依次穿越沪昆铁路上行线 2 股道约25.1 m、杭州北车辆段 17 股道（含道岔）约 170.7 m、乔司编组站出发场出发线 11 股道约 76 m、沪昆铁路下行线 2股道约 18.1 m；穿越沪昆高铁段（473、474 号桥墩间）全长 92.4 m。越穿段最小平曲线半径 300 m，平面夹角为57°～89°，最大坡度为 4.175%，埋深为 25.6～40.0 m。管片衬砌采用标准环＋左右转弯环衬砌，管片内径为5500 mm，外径为 6200 mm，厚度为350 mm，环宽为1200 mm，左右转弯环楔形量 49.6 mm。该区间具有穿越铁路线路类型及群组众多、距离长、大埋深、坡度大、小半径等技术难点。盾构越穿普速铁路群组和高铁时的纵断面位置如图 1、图 2 所示。既有铁路相关情况见表1。

图1 盾构隧道穿越既有铁路群组纵断面图

图2 盾构隧道穿越高铁横断面图

表1 盾构穿越既有铁路群组相关情况统计表

1.3 工程地质条件

盾构隧道穿越既有铁路群组的地层包括 ②1 砂质粉土、②2 淤泥质粉质黏土、③1 粉质黏土、③2粉质黏土、④1 粉质黏土、④2 粉质黏土、⑤1 粉质黏土、⑤2 粉质黏土、⑥1粉质黏土、⑥2 黏质粉土、⑥3 粉质黏土。盾构隧道穿越高铁地段地层主要为 ⑤1 粉质黏土。盾构隧道穿越段地质纵剖面分别如图 1 和图 2 所示。

2 盾构穿越铁路群组及高铁施工技术方案

2.1 盾构机选型

本工程采用加泥式土压平衡盾构，其主要技术参数如表2 所示。

表2 盾构机主要技术参数

2.2 盾构施工参数选取

2.2.1 盾构施工参数计算

盾构穿铁路群组时覆土深度为 36.16～39.7 m，穿越沪昆高铁时覆土深度为 25.6 m。

（1）土仓压力：土压力理论值按朗肯经典公式计算如下。

盾构正常段掘进时，同步注浆量按理论管片壁后空隙填充量的 150% 控制，即 K=1.5，由上式可得 Q=2.84 m3。盾构穿越既有铁路群和高铁过程中，同步注浆量按理论管片壁后空隙填充量的 180% 控制，即 K=1.8，由上式可得Q=3.41 m3。

（3）注浆压力。注浆压力宜控制在 3～5 Bar，以避免注浆压力过大造成盾尾密封处漏浆。

（4）出土量 V 计算如式（3）

表3 盾构穿越既有铁路群组和高铁时掘进参数初步控制表

2.2.2 试验段盾构施工参数与地表沉降量的关系

为保证盾构施工安全顺利穿越铁路群组，在穿越沪昆铁路上行线前设置试验段，长度为 120 m，平均日进度11.2 环/d，通过分析相关参数与地表沉降关系，总结形成盾构穿越铁路群组施工参数，指导盾构穿越既有铁路群施工。在穿越沪昆高铁前设置试验段，长度为 120 m，平均日进度8.3 环/d，以穿越既有铁路群的施工参数进行试验段施工，地表沉降观测结果满足设计要求后，可指导盾构穿越高铁施工。试验段盾构推进速度、出土量与地表最大累计沉降量的统计关系如图 3 所示，试验段盾构土仓压力、注浆量及注浆压力与地表最大累计沉降量的统计关系如图 4 所示。

图3 推进速度、出土量与地表最大累计沉降量关系

图4 土仓压力、注浆压力及注浆量与地表累计最大沉降量关系

（1）推进速度、出土量与地表沉降关系。由图 3 可知，掘进速度在 50～73 mm/min 时，地表累计沉降量介于2.39～ -2.08 mm，远远 ＜±10 mm 的控制标准。掘进速度在 60 mm/min 时，地表沉降量介于 0.14～0.65 mm，沉降较小。由此可见，当穿越铁路群组过程中，须适当降速，以达到“慢推快过”的要求，推进速度控制在 30～50 mm/min为宜。出土量为 37.7～38.2 m3/环，控制在理论值 38.1m3/环上下变化，相应的地表累计沉降量均在 2.5 mm 以内。

（2）土仓压力、注浆压力、注浆量与地表沉降关系。由图 4 可知，土仓土压力控制在 2.7～3.2 Bar，与理论计算值 2.73～3.09 Bar 基本相符，地表累计沉降量介于2.39～-2.08 mm，地表沉降情况控制良好。故穿越铁既有路群组时可按 2.9～3.2 Bar 进行控制。注浆压力在 8 Bar上下摆动，最小值约为 5 Bar，最大值约为 11 Bar；地表累计沉降量介于 2.39～-2.08 mm。由于纵断面处于大坡度（2.66% 下坡），注浆困难，增大注浆压力才能保证同步注浆，但是当注浆压力过大（≥8 Bar）时，易导致盾尾刷被击穿、地层失稳等情况。综合考虑，穿越既有铁路群组过程中，保证同步注浆压力为 5～8 Bar，如遇注浆困难情况，可采用少量多次方式进行同步注浆，以保证地层稳定，从而控制地表沉降，并根据实际掘进和监测情况作适当调整。同步注浆量在 3 m³上下摆动，最小值约为 2.7 m3，最大值约为 3.4 m3；相应的地表累计沉降量和隆起量分别介于0.82～2.08 mm 和 0.11～2.39 mm，当同步注浆量控制在范围时，大部分地表累计沉降量和隆起量在 ±1 mm 以内，地表沉降控制情况良好。

在盾构施工参数初步控制值的基础之上，根据试验段盾构施工参数与地表沉降数据综合分析，得出盾构穿越铁路群组施工参数为：推进速度，30～50 mm/min；土仓压力2.8～3.1 Bar；注浆压力 5～8 Bar；注浆量 3～3.4 m³；出土量 37.7～38.2 m³。

2.3 克泥效工法

克泥效工法是将高浓度的泥水材料与塑强调整剂（水玻璃）两种液体以一定比例混合后，瞬间形成为高黏度、不会硬化的可塑性黏土。通过专业的变频器设备向盾体与地层的空隙注入特殊的高强度塑性材料克泥效，该材料具有永不凝固和有一定承载能力的特性，克泥效工法不会因材料凝固而卡住盾体，还能有效填充掘进产生的空隙，起到支撑上方土体结构稳定。在盾构机中盾上方十五点和一点钟方向一边掘进一边交替注入填充空隙。

盾构穿越既有铁路群组和高铁时均在同步注浆前采用克泥效工法，通过前盾上带阀门的预留注浆孔注入克泥效浆液，但是克泥效工法采用的 A、B 液配比有所不同。盾构穿越既有铁路群地段时，A液为特殊膨润土液，配合比为：膨润土∶水=2∶11；B液为水玻璃原液；A 液∶B 液=20∶1（体积比）。盾构穿越高铁地段时，A 液为特殊膨润土液，配合比为：膨润土∶水=400∶825；B 液为水玻璃和水的混合液，比例为：水玻璃∶水=1∶1（体积比）；A 液∶B 液=12∶1（体积比）。克泥效浆液注入压力设定为 0.3 MPa，每环理论注入量可按下式计算：

α—填充系数，根据不同的地质条件与克泥效浆液配比而定，这里既有铁路群地段取 1.2，高铁地段取 4。

将 D1=6.36 m，D2=6.34 m 代入上式，可得既有铁路群地段 v=0.24 m³；高铁地段 v=0.8 m³。实际注入量和注入压力可以根据不同的地质情况，结合地面沉降监测适当调整。

2.4 盾构穿越铁路群组的施工技术保护措施

（1）盾构穿越既有铁路群组和高铁时均采用克泥效工法，在既有铁路群组路基段，注入量为 0.24 m³；高铁地段，注入量为 0.80 m³；注入压力均为 0.3 MPa，以对穿越过程中造成的空隙进行及时填充，并快速凝固，控制盾构机开挖及通过过程中的土体下陷。克泥效工法范围与管片增开注浆孔范围一致。

（2）在隧道管片上增设注浆孔（增设 10 个/环），二次注浆加固且范围为管片外 2 m，施做整环、纵缝嵌缝，抑制盾构通过后沉降对铁路运营的影响。盾壳脱离管片 4～5环，及时打开注浆孔进行二次补充注浆，进一步抑制既有建构筑物变形。

（3）盾构穿越沪昆高铁之前，在穿越范围施工隔离桩及冠梁支撑进行防护。隔离桩直径为 1 m，间距为 1.2 m，顶部由混凝土冠梁连接，并设置混凝土支撑。

（4）盾构在既有铁路线路中心 30 m 范围内掘进时，普速铁路限速 60 km/h 通过，高铁限速 200 km/h通过，加强巡道养护，加强监测。

3 盾构穿越期既有铁路群组和高铁变形监测结果

3.1 变形控制标准及报警值设置

依据相关规范和设计要求，穿越既有铁路群和高铁地段的施工变形控制值为：既有铁路群路基水平位移、竖向位移变化速率 ≤±2 mm/d，累计变化量 ≤±10 mm；高铁水平位移、竖向位移变化速率 ≤±1.0 mm/d，累计变化量 ≤±2 mm。

3.2 施工变形实测数据分析

（1）盾构穿越既有铁路群组阶段，路基水平位移基本为零，路基累计最大沉降量在 -3.5～3.3 mm 之间变化，满足 10 mm 沉降变形控制标准。

（2）盾构穿越高铁时，高铁桥墩的单天最大位移速率为±0.4 mm/d，累计最大位移量为 -0.3 mm 和 -0.5 mm，满足高铁桥墩位移量控制要求。

4 结 语

对盾构穿越既有铁路群组和高铁施工技术进行研究分析，得出如下结论。

（1）盾构穿越既有铁路群组可通过增加隧道埋深、加强隧道结构设计、采用克泥效工法等措施，不再对既有铁路群组进行预加固来减小对路基加固和盾构穿越施工对既有铁路运营的影响。盾构穿越高铁桥时提前设置隔离桩及冠梁支撑防护以减小对高铁的影响。

（2）盾构穿越既有铁路群组前应选择合适的试验段，通过试验段盾构施工参数及地表沉降监测数据分析，为盾构穿越既有铁路群组提供了合理的推进速度、土仓压力、注浆压力、注浆量和出土量等施工参数控制指标。

（3）盾构穿越既有铁路群组前，在同步注浆前通过前盾上带阀门的预留注浆孔注入克泥效浆液，以减少盾构同步注浆的浆液渗透到土层中，使同步注浆能达到更好的填充作用。克泥效注入压力设定为 0.3 MPa，既有铁路群组路基段，克泥效注入量为 0.24 m³；高铁地段，克泥效注入量为 0.80 m³。注入压力和注入量结合地面沉降监测进行适当调整。

（4）盾构穿越既有铁路群组期间，推进速度控制在8～12 环/d，列车限速 60 km/h；盾构穿越高铁期间，推进速度控制在 7～8 环/d，列车限速 200 km/h。