盾构法隧道施工下穿既有铁路沉降控制技术及监理措施

任 锐

（广东建科建设咨询有限公司 广州 510500）

0 引言

盾构法下穿建构筑物是城市轨道交通的一项重难点技术，存在安全隐患高、社会影响大、技术要求严的特点。本文站在监理的角度，基于已成功完成盾构下穿既有铁路的案例，围绕施工过程中的沉降控制问题展开论述，为今后盾构下穿建构筑物施工提供借鉴。

1 工程概况

盾构区间左线长1 517.709 m，右线长1 489.834 m，最大纵坡2.8%。采用中铁装备φ6 280 mm 土压平衡式盾构机掘进，开口率约35%，线路下穿的某既有铁路是广东与内地联系的第二条铁路通道，是我国发展对外贸易和旅游事业的运输捷径。该铁路为碎石道床，轨枕为混凝土枕木。盾构隧道埋深25.0～28.4 m，渉铁段地质主要为：〈7-1〉强风化粗砂岩，岩层强度1.0～3.4 MPa；〈7-3〉强风化泥质粉砂岩，岩层强度1.0～3.4 MPa；〈8-3〉中风化泥质粉砂岩，岩层强度5.4～15.7 MPa。区间线路第一次下穿铁路平面与铁路股道相交角度约27.3°，如图1⒜所示，阴影部位为铁路股道区域。第二次下穿角度约11°，如图1⒝所示。

2 工程重难点分析

2.1 盾构下穿跨铁路沉降控制

地铁盾构下穿铁路桥墩为摩擦桩。根据《铁路线路修理规则》（铁运［2016］146 号）及以往地铁盾构隧道下穿有砟铁路线路的经验，总结出铁路变形建议值（见表1）［1］，盾构下穿施工引起的铁路路基表面沉降控制在8 m以内。地铁盾构法施工引起的地面沉降主要有5 个方面：先行沉降、掘进过程中的沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降以及后续沉降［2］，因此，需要在盾构穿越前做到提前布设好监测点，穿越后应持续关注沉降变化，做好二次补浆。

表1 铁路变形建议值Tab.1 Suggested Value of Railway Deformation

2.2 盾构连续高效施工

盾构下穿铁路期间做到连续快速施工，避免不停机，提高穿越效率。一方面，提前策划土方外运工作，确保外运能力满足，做好盾构机械设备维修保养工作。对拼装机、双轨梁、盾尾油脂泵、同步注浆管等常规关键设备进行提前检修保养。另一方面，盾构在泥质粉砂岩中掘进预防结泥饼。及时添加适量的土体改良剂，调节设定好发泡参数，准备分散剂，在有结泥饼的征兆时，注入分散剂改良渣土；在进入试验段前进行开仓，对刀具进行检查。

3 监理工作控制要点

3.1 掘进参数管控

盾构掘进参数的设定至关重要，在盾构正式下穿铁路前监理应组织参建各方拟定掘进参数，以地表沉降为主要控制指标，以千斤顶推理力、刀盘转速和土压力等掘进参数为控制变量，实现掘进参数的优化［3］。并将掘进过程分成试验段、穿越段、保护段共3个阶段进行。

⑴试验段：应在影响区外进行复探、试机、模拟掘进。复探是确保地质与设计一致；试机是防止出现设备问题；模拟掘进是对理论掘进参数进行验证［4］。验证形成最终掘进指导参数，如表2所示。

表2 掘进指导参数Tab.2 Tunneling Guidance Parameters

⑵穿越段、保护段：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经验教训，为后续3 次穿越提供宝贵经验，并且每日根据不同的地层、地下水及监测等情况。

3.2 姿态调整

专业监理师收集每日盾构姿态报表及管片复测报表，及时记录并进行分析，当发现盾构机轴线有偏离现象立即发出相应纠偏的监理通知单。当盾构轴线已出现大偏离值时，应会同施工单位、设计单位、建设单位召开质量专题分析会。

按照《盾构法隧道施工及验收规范：GB 50446—2017》［5］，成型隧道轴线平面及高程允许偏差为±50 mm。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（-20）～（-30）mm 以内；考虑到管片后期上浮等情况，垂直姿态控制在（-30）～（-40）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。

3.3 渣土改良

为保证最好的渣土改良效果，监理要对泡沫剂的厂家、质量合格证、第三方检测报告进行严格把关，并通过参与验证泡沫发泡效果、发泡倍率、持泡时间，拟定参数。

3.4 出土量控制

严格控制出土量、保证不超挖，是控制沉降的重要措施，所以要认真计算复核每掘进一环的出土量。按照计算公式V=L×πd²/4=46.4 m³，根据前期掘进经验和查阅《建筑施工手册》［6］，泥岩类取松散系数k=1.40～1.45（65～67 m³），每掘进1 环进尺的出土量控制在65 m³（5 箱土），掘进出土管控分为方量控制、重量控制、行程控制3个方面进行控制，相互佐证。

⑴方量：每掘进1 500 mm，〈7〉层小于60 m³，〈8〉层小于65 m³，〈9〉层小于67 m³。

⑵重量：每掘进1 500 mm，〈7〉层小于120 t，〈8〉层小于130 t，〈9〉层小于135 t。

⑶行程：每箱土（12 m³），〈7〉层大于300 mm，〈8〉层大于280 mm，〈9〉层大于270 mm。

现场监理人员卡控时取每一厢土的实际方量，随时对比出土量与进尺量是否与试验段出土量吻合，并作好记录。

3.5 同步注浆

同步注浆作业直接关系着施工地表行车及构筑物的安全，控制好同步注浆作业对盾构法隧洞施工意义重大。监理须指派专人负责质量控制、压力控制、方量控制并作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的质量。

⑴ 质量：根据杨星等人［7］运用有限差分软件FLAC 3D 对隧道开挖引起的地层沉降进行了模拟，分析了不同浆液特性对地表沉降的影响初凝时间根据地层，最终确定浆液比重1.7～1.8，扩展度控制在26～29 cm。

⑵压力：注浆压力宜控制在2～3 bar。

⑶方量：注浆方量根据地层、地面环境考虑，原则上不能低于6 m³。

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。根据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［8］。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。

3.6 二次注浆

监理对壁后二次注浆进行跟踪记录。二次注浆主要减少隧道的后期沉降，可根据地面变形的监测情况，在管片脱离盾尾之后，通过管片上的注浆孔对管片壁后进行补压浆，减少隧道的后期沉降［9］。

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。因此管片脱出盾尾第10～12环附近顶部开孔，在盾构掘进的时候不断的进行二次跟踪注浆，采用水泥浆和水玻璃双液浆，水泥浆水灰比1∶1，水玻璃加量60%～100%［10］。注浆压力控制值为0.5 MPa以下。

3.7 盾尾密封

盾尾密封可防止土体中的水渗入隧道，导致股道沉降。所以要对盾尾密封进行关注和检查。盾尾密封双控原则：重量控制、压力控制。

⑴油脂量控：根据掘进速度变动，原则上每环重量不小于45 kg。

⑵注入压力：盾尾油脂静止压力不小于3 bar。

造成盾尾密封装置被击穿，引起土体中的水渗入隧道，导致股道沉降。

3.8 管片拼装

监理应严格按照《盾构法隧道施工及验收规范：GB 50446—2017》检查管片拼装质量，环内错台控制在5 mm，环间错台控制在6 mm。在管片拼装过程中，必须严格控制管片拼装的垂直度、整圆度、拧紧螺栓的扭矩。管片安装完后，应用整圆器及时整圆，对管片的变形及时矫正，并在管片环脱离盾尾后对管片连接螺栓进行二次紧固［11］。同时也要做好管片间止水胶条的检查。封顶块插入时，对其两侧的密封垫应涂刷减阻剂，防止由于摩擦而使止水橡胶脱落。

3.9 地面监测

监理应及时进行数据复核，必要时对监测过程进行旁站。监测方式分为自动化监测和人工监测两种：

⑴自动化监测

采用极坐标法对水平位移进行监测，从而推算出测点的水平位移量［12］。

①轨面及路基沉降监测，轨道几何尺寸（水平、高低、规矩），2个穿越段6条轨道，每条股道布置10个监测点，一共布置60个监测点。

②轨道几何尺寸（水平、高低、规矩）5 条枕木监测一个点，每条线路布置约30 个检查点，6 条股道布置180个检查点。

⑵人工监测

在盾构下穿前，提前请点，在铁路股道旁、道岔旁、铁路路基等位置贴反射片，之后采用全站仪进行监测。

4 监理工作方法和措施

4.1 监理工作方法

包括巡视、旁站、检查及专题会。巡视重点关注盾构各项掘进参数的巡视、出土量、注浆量、路面变化等。旁站是对重要工序的全过程监督，主要是盾构下穿铁路期间24 h现场监督，以及开仓换刀的监督。检查是在重要工序以及关键节点验收前进行。当出现较大质量安全隐患时，需要组织参建各方召开专题会议。

4.2 监理措施

⑴方案审批。监理部组织富有经验的专监对下穿铁路专项施工方案进行审批，并组织专家评审会。

⑵组织所有监理人员全面地阅读图纸、规范、施工方案等技术文件，制定详细的监理细则。

⑶下穿铁路前对刀具进行检查。审查开仓前各项准备条件，对刀具更换进行旁站监督检查。

⑷下穿铁路前参与拟定各项掘进参数，提供合理建议。

⑸下穿铁路前对各项准备条件进行预验收，并组织关键节点实施前的验收会议。

⑹下穿铁路期间做好每日巡查、对关键质量控制点、重要工序进行旁站，发现存在质量、安全隐患时及时下发监理通知单，当存在较大质量安全隐患时组织参建各方召开专题会议。

⑺在穿越铁路后，继续关注地面监测变化，及时做好二次注浆工作，预防后期沉降。

5 结语

通过科学的技术和管理，广州地铁该区间盾构按计划先后共计4 次顺利下穿铁路，未发生长时间停机等异常情况，沉降控制在±8 mm 以内，日平均完成掘进拼装在8环以上。成功、安全、快速、连续、顺利地完成任务。不仅将盾构施工对铁路的影响降到最小，也为之后类似盾构施工穿越重大风险源积攒了丰富的经验，提供参考借鉴。