地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究

地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究

刘彦生

刘彦生

中铁六局集团有限公司北京100089

摘要：随着我国经济的快速发展，社会的不断进步，城市轨道交通建设迅猛发展，城市地铁建设工程日益增多，盾构机下穿既有铁路时有发生，进而引发既有铁路差异沉降和整体沉降，对铁路正常运营造成一定影响。因此，需采取合理有效的施工措施将地铁盾构施工对既有铁路的影响降到最低，本文基于郑州轨道交通5号线成功下穿陇海铁路为例，主要对地铁盾构下穿既有铁路沉降影响进行分析，提出合理的应对措施，以保障列车的正常运行和运营安全。

关键词：地铁；盾构隧道；下穿铁路；地基加固；沉降监测

引言

随着我国地铁隧道建设规模的不断扩大，大量的新建地铁隧道需要穿越既有铁路线路。在新建地铁隧道下穿既有铁路线路过程中不可避免会对地层产生一定的扰动，而对周边环境造成一定程度的影响，使既有铁路线路、周边地表发生隆沉变形。过大的变形会对铁路车辆的运营造成不利影响，且会使铁路机车运行过程中产生一定的附加轮轨作用力，影响地铁隧道的后期沉降。因此，在施工过程中需要对铁路线路变形进行加强监测，并及时将变形情况反馈给施工单位，通过调整和优化施工方法来减小和控制相应的变形量。目前，对地铁盾构隧道下穿既有铁路线路过程中关于铁路线路及地表沉降的变形规律，国内外学者进行了诸多研究，然而在不同的土层特点及施工背景下，地铁盾构隧道下穿既有铁路线路过程中，铁路线路的变形会呈现出不同的特点。本文结合郑州轨道交通5号线下穿陇海铁路工程，对盾构施工工艺的考究、盾构穿越过程中变形和沉降的监测及对监测结果进行分析研究，希望能为后期相似工程的施工、控制既有铁路变形沉降提供一定的参考。

1工程概况

本工程盾构隧道采用单层装配式平板型钢筋混凝土衬砌管片，管片外径6200mm、内径5500mm、环宽1500mm管片，混凝土强度为C50，抗渗等级为P12。管片环面外侧设有弹性密封垫槽，内侧设嵌缝槽。管片块与块间采用12根弯螺栓连接、环与环之间采用16根弯螺栓连接。衬砌环组合类型采用通用楔形衬砌环，纵缝采用凹凸榫，错缝拼装，楔形量40mm。盾构区间隧道下穿该处陇海铁路共2条股道，其中Ⅰ道为陇海铁路下行线、Ⅱ道为陇海铁路上行线。铁路道床均为碎石道床，混凝土轨枕。盾构区间段下穿陇海铁路（陇海铁路里程K556+690.000～720.000），区间隧道与铁路斜向交角约85.5度，斜向穿越铁路路基宽度约18m。隧道穿越范围地层主要为：②36c细砂、②36砂质粉土、②51细砂，勘测期间地下水埋深约16m。

图1盾构下穿陇海铁路平面关系图

下穿陇海铁路部位，隧道埋深约17.3m，地面标高为91.1m，地面轨面标高约为4.2m，盾构线间距30.2m，具体与隧道剖面关系见下图。

图2盾构下穿陇海铁路剖面关系图

施工过程中陇海铁路运行正常，设计时速均为200km/h，桥梁轨道均为有砟轨道，铁路等级为Ⅰ级铁路。

2地铁盾构下穿既有铁路沉降影响因素

2.1盾构机掘进施工不科学

在进过程中，周边的土体会发生移动，导致开挖面周围土体发生下沉；掘进过程中会破坏地下水平衡，使孔隙的水压力下降，从而引发土体沉降；盾构机掘进过程中并不是按照原设计路线进行掘进，而是在误差允许范围内按照蛇形行进方式掘进的，施工过程中盾构机曲线推进、仰头、扣头以及纠偏等姿态的调整，会增大对土体的扰动，从而增加发生地表沉降的可能性；推进相关参数设置的不合理导致推进施工中增加发生沉降的可能性，比如盾构推进速度、油缸总推力以及同步注浆压力等。

2.2注浆的影响

通常盾构机的盾壳外径比管片的外径大，随着盾构机的掘进，盾壳和管片之间存在一定孔隙，在施工中一般采用同步注浆及二次注浆方法及时填充孔隙。盾尾同步注浆对地表沉降的控制起着非常重要的作用，若注浆压力过小或注浆量不足，管片和土体间的间隙填充不饱满、不及时，极易引起土体发生沉降变形，甚至使隧道结构出现大的偏移（向上、向左或向右）；若注浆压力过大或注浆量过大，浆液浸入地层，常常会引起地表隆起。

2.3盾构机本身的影响

盾构机推进过程中，会对周围岩石和土体产生剪切和摩擦，破坏原有的地层结构，使地层原有力系发生一定损失，进而引发地表沉降。同时盾构机的直径也会对地表沉降产生影响，在盾构机掘进时，会扰动周围土体，盾构机的直径越大，对土体的扰动就越大，并且其直径越大，导致损失的土体越多，增大了地层原有力系的损失，这都可能引发地表沉降。

3盾构下穿铁路主要施工技术措施

3.1施工准备

牢固树立“安全第一、预防为主”的指导思想，本着进度、效益服从于安全的原则，以确保行车、人身和既有设施安全为目标，轨边及临近线路加设防护员。

3.1.1盾构设备准备

在穿越铁路影响范围前，对盾构设备进行检修、维保工作。对设备进行巡检，及时发现设备存在的问题。巡检内容包括对设备进行清洁、紧固、润滑、调整、防腐等，预防故障发生。根据既定计划和保养内容，对设备进行月保、季保、年保；有计划的对设备进行全面的检查，评估其状态，并相应的作出保养内容。盾构刀盘在始发前均为全新安装，确保从始发到穿越铁路期间不进行刀盘更换。检查关键配件储备情况，对易损件等提前储备，避免下穿期间停机。

3.1.2技术准备

正确合理的总体方案筹划是保证铁路及工程安全的基础。盾构施工是一种工厂化的标准机械化工法，受地质条件、设备配置及现有盾构施工工艺的限制，要完全满足超越现有盾构本身能够完成的沉降控制标准。制定专项施工方案、应急预案并组织专家论证，包括主要掘进参数的制定、注浆材料及注浆工艺、盾构始发及到达专项方案、洞门加固及检查方案、始发场地布置、设备物资材料计划、设备维修保养方案等，审批后进行交底，并且进行相应的安全培训及安全技术交底。

3.1.3对铁路进行扣轨加固

严格按照设计方案对既有线路加固，同时在施工过程中要密切与相关工务段配合，服从工务段统一安排，配合工务段工作人员工作，保证线路安全运行。并备好路基加固材料，确保线路正常运行万无一失。

3.1.4人员准备

盾构下穿既有铁路是施工重难点工程，属于一级风险源，为保证盾构顺利下穿既有铁路，项目部设立一支精英架子队，管理层全部由优秀的技术、专业人员组成。盾构施工队伍进场后进行专门的教育学习，针对现场的实际情况以及可能发生危险进行详细的说明，并依据施工方案进行专项交底。

3.2盾构隧道施工合理化、科学化

3.2.1控制盾构机推进轴线

施工过程中采用土压平衡式盾构掘进机，利用土仓内的土压力来平衡开挖面的土体，达到对盾构正前方开挖面支护的目的。在盾构施工中要根据不同土层和覆土深度，地面建筑物、配合监测信息的分析及时调整土压力值的设定，同时推进坡度保持相对稳定，控制一次纠偏量，减少对土体的扰动，并为管片拼装创造良好的条件，再根据推进速度，出土量和地层变形的信息、数据的反馈及时调整初始设定的土压力值和注浆量，进而达到对轴线和地层变形在最佳状态下的控制。特别注意曲线段盾构推进时，要适时调整各种施工参数，以期在尽量短的时间内将土压平衡值和注浆量调至曲线推进的最佳状态。

加强对推进轴线的控制，是确保隧道满足设计并顺利进洞贯通的重要环节。盾构的曲线推进实际上是将处于曲线的切线位置上的管片进行折线拟合。因此推进的关键是确保对盾构的头部的控制，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，因此必须做到勤纠，而每次的纠偏量应尽量减少，确保通用环的楔形环面始终处于曲率半径的径向平面内，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的，使隧道轴线始终控制在允许偏差范围内。

3.2.2控制盾构姿势

施工过程中加强测量频次，及时复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。施工中盾构机推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，通过调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力；在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力；在左转弯曲线段掘进时，则适当加大右侧油缸推力；在右转弯曲线掘进时，则适当加大左侧油缸的推力；在直线平坡段掘进时，则应尽量使所有油缸的推力保持一致。施工中往往会出现由于管片选型错误、盾构机司机操作失误等原因导致盾构机推进方向偏离设计轴线并超过管理警戒值，这时就要及时调整盾构机姿态、纠正偏差，当在急弯和变坡段，可利用盾构机的超挖刀进行局部超挖和在轴线允许偏差范围内提前进入曲线段掘进来纠偏，若当滚动超限时，就及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

3.2.3控制掘进参数

针对盾构下穿铁路对其沉降要求的严格性，为确保成功下穿铁路，在穿越前要做试验段掘进，结合区间地面实际情况，建立试验段（100m），在此期间，盾构在通过试验段的过程中采集推进数据，研究产生沉降的各种因素，制定预控措施，确保盾构顺利通过铁路。根据试验段的掘进参数和地表沉降数据反馈，确定盾构穿越铁路的掘进参数。施工过程中根据实验所得并结合实际施工环境，合理设定掘进参数，科学指导实施。

3.2.4加强监控量测

地铁盾构下穿既有铁路的安全性有着十分重要的影响。所以，必须对盾构下穿阶段进行严格监控测量，把施工引起的一系列动态变化信息及时反馈到盾构施工现场，使现场及时调整施工参数，优化改进施工参数，以避免危及铁路行车运营安全的事故发生。施工过程中根据相关规定设定预警值，及时采取有效的工程技术措施和对策，确保工程安全，防止工程破坏和环境事故的发生。同时，适时将现场监测结果反馈设计单位，使设计能根据现场工况发展，进一步优化方案。施工监测范围为隧道中心轴线两侧盾构底埋深1倍范围内的地面、建（构）筑物、管线和其他重点保护对象，地表断面监测范围为两条隧道中点左右18米，即主测断面宽度约为68m。测点的布设为横向垂直盾构前进方向为一断面，每个断面16个地表沉降监测点，监测点设4个断面，地表沉降点共计64个观测点；接触网立柱竖向位移监测点布置2个；接触网立柱倾斜监测点布置2个。监测工作自始至终要与施工的进度相结合，监测频率应满足施工工况的要求。地面、管线和建筑物沉降监测频率如下表。

沉降监测频率表

盾构穿越期间，根据实际情况可加密监测频率，对位移变化异常的特殊工况要适当加密观测次数，必要时进行实时跟踪监测，监测结果及时反馈到相关人员；同时有专职人员昼夜对穿越地段周边环境巡视，及时观察异常情况。

3.3同步注浆和二次补浆

盾构施工过程中，必须进行同步注浆，同步注浆选择具有和易性好、泌水性小的浆液进行及时、均匀、定量压注。合理调整注浆压力，充分充填盾构施工产生的地层空隙，避免由此引起的地表沉陷。同时，防止过大的注浆压力引起地表有害隆起或破坏管片衬砌。同步注浆注浆压力应大于开挖面的土压力，一般可控制在1.1～1.2倍的静止土压力范围内。另考虑隧道上部土体重度加路基（桥梁）、及火车的动荷载影响，注浆压力控制在0.2～0.3MPa左右。在同步壁后注浆施工中，为控制注浆效果和质量，应对注入压力和注入量这两个参数进行严格控制，本工程采取的是以设定注入压力为主，兼顾注入量的方法。注浆量一般为理论注浆量的1.5～2倍，并应通过地面变形观测来调节。当出现管片错台和地面沉降量超限时，说明注浆不足或不理想，应尽快进行补充注浆。盾构机穿越后考虑到环境保护和隧道稳定因素，在管片拼装完毕5环左右时，通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充同步注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。同时对盾构推力导致的，在管片、注浆材料、围岩之间产生的剥离状态进行填充并使其一体化，提高止水效果。

3.4监测数据分析

右线盾构盾头到达旋喷加固区、穿越既有铁路、盾构盾尾离开加固区共历时9天，在右线盾构下穿铁路线路施工期间，路基最大沉降量为1.2??mm（测点3），轨面最大沉降量为-1?mm（测点3），对既有线路沉降控制方法合理有效，该项目施工工法具有较大的研究价值。

图3路基沉降阶段变化图

图4轨道沉降阶段变化图

结束语

盾构法下穿既有铁路沉降控制是施工过程中的关键技术，通过对地基加固、盾构穿越过程中铁路线路变形进行监测，并对监测结果进行分析研究，适时调整施工参数，最终成功下穿。其中最大累计沉降不到1mm，基本实现“零”沉降通过既有铁路。本文主要针对地铁盾构隧道下穿既有铁路变形控制研究展开讨论，希望能对相似工程从业人员提供一定参考与借鉴。

参考文献

[1]雷震宇，周顺华，许恺.铁路下穿式结构施工受轮轨作用力的影响分析[J].中国铁道科学，2003，24（6）：70-73.

[2]吴波，高波，索晓明.地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值分析[J].中国铁道科学，2004，25（4）：59-63.

[3]陶连金，郭军.构隧道开挖引起的地表沉降规律[J].地下空间与工程学报，2005，1（2）：247-249.

[4]培林，周顺华.软土地区盾构隧道下穿铁路干线引起的线路沉降规律分析[J].中国铁道科学，2007，28（2）：12-16.

[5]俊强，胡灿.盾构推进和地表沉降的变化关系探讨[J].南京工业大学学报，2005，27（4）：44-48.

[6]霍军帅，王炳龙，周顺华.地铁盾构隧道下穿城际铁路地基加固方案安全性分析[J].中国铁道科学，2011，32（5）：71-76.