大直径盾构机下穿既有线沉降控制技术

大直径盾构机下穿既有线沉降控制技术

刘永涛

甘肃铁科建设工程咨询有限公司，甘肃省兰州市 730000

摘  要  本文依托成自高铁项目锦绣隧道的盾构施工过程，通过对大直径盾构机下穿既有线沉降数据的分析，总结了大直径盾构机在泥岩地层中下穿既有线的盾构掘进参数以及施工过程采取的有效技术措施，成功实现大直径土压平衡盾构机下穿高铁既有线沉降控制在1mm范围内，为后续连续再次下穿既有线沉降控制提供了有力的保证。

关键词   掘进参数   下穿   沉降控制   注浆  

Abstract：Based on the shield construction process of Jinxiu tunnel of Chengzi high-speed railway project, through the analysis of the settlement data of large-diameter shield machine under the existing line, this paper summarizes the shield tunneling parameters of large-diameter shield machine under the existing line in mudstone stratum and the effective technical measures taken in the construction process, and successfully realizes the settlement control of large-diameter earth pressure balance shield machine under the existing line of high-speed railway within 1mm, It provides a strong guarantee for the settlement control of the subsequent continuous Undercrossing of the existing line again.

Key words： tunneling parameters underpass settlement control grouting

1、项目简介

1.1工程概况

成自铁路项目全长176公里，是四川境内首条设计时速350公里的高速铁路，其中锦绣隧道采用盾构法施工，盾构机开挖直径12.79米，也是国产最大直径的土压平衡盾构机。盾构隧道管片外径12.4米，内径11.3米，幅宽1.8米，管片厚度0.55米，衬砌环由9块管片组成，采用通用环管片拼装。

盾构隧道全长2.62公里，始于成都驿都大道西侧，依次穿越城市主干道三环快速路、既有高速铁路线及公路隧道等建筑物地带，隧道最小转弯半径为654米，线路纵坡设计为“V”字坡，纵坡最大坡度为-30‰，覆土埋深8~60米，盾构隧道长距离穿越地层为弱风化泥岩（天然单轴抗压强度3.7~19.3Mpa，平均7.9Mpa），部分为强风化泥岩层。

1.2盾构机情况

锦绣隧道采用铁建重工生产的大直径土压平衡盾构机，配置复合式刀盘，刀盘设计开口率40%，注入口16个，刀具配置主要有80把滚刀、108把切刀；盾体采用锥形设计，前盾直径12740mm/中盾直径12725mm/盾尾直径12710mm；盾尾间隙40mm（不含盾尾刷护板厚度45mm）；盾构机无铰接设计，设计转弯能力为半径600米；推进油缸采用分6区25组双缸设计，最大行程3米。

1.3盾构机下穿既有线概况

盾构隧道在线路里程D1K3+083.450～D1K3+125.847范围内下穿既有成渝成都南下行联络线桥梁37#、38#墩以及既有成渝成都南上行联络线路基，下穿既有铁路桥梁上部结构为简支梁结构，采用摩擦桩基础，隧道穿越段桥梁段隧顶埋46.3m～48.6m，正穿桥桩处隧顶与桩端最小竖向间距约16.5m，侧穿桥桩处隧道与桥桩外轮廓最小水平间距约0.9m，竖向间距约19m；既有铁路路基段为有砟铁路，盾构隧道穿越路基段隧顶埋深约44.5m。

2、下穿既有线沉降数据分析

2.1盾构段下穿既有铁路线监测布点情况

根据现有设计资料，结合相关规范，确定本工程穿越范围为42.4m，范围内按照每10m左右布设一个监测断面，保持与地表沉降点在同一断面，共布设7个监测断面。如下图：

2.2主要检测内容

（1）桥墩监测：在影响范围内，在每个桥墩上布设 2 个竖向位移监测点（兼做倾斜监测点）和一组倾斜监测点；点位标记清晰，并统一编号；

（2）路基竖向位移监测：在影响区域范围内，沿轨道走向每 5m 设一个监测断面，每个监测断面布设 2 个竖向位移监测点；点位标记清晰，并统一编号；

2.3盾构下穿过程既有线沉降数据分析

统计记录盾构掘进下穿既有线前、中、后部分沉降位移数据，如下表所示：

通过上述记录数据分析，路基竖向最大位移累计变形沉降1.0mm，桥墩竖向位移最大变形量-0.9mm，桥墩倾斜最大变形量0.019%，远低于铁路沉降预警值。

3、盾构掘进参数总结

盾构机在下穿既有铁路线过程中通过前期试验段得出掘进参数如下：

（1）土仓压力控制：盾构掘进下穿既有线时隧道覆土厚度46m~48m，地下水位埋深19m~21m，掘进地层主要为泥岩裂隙水，土仓压力底部控制在2.3bar，顶部1.5bar，平均1.8bar;

（2）总推力控制：掘进程采用土压+气压模式推进，总推力控制在32000KN~38000KN;

（3）掘进速度控制：为减小盾构机掘进时对土体的扰动，降低掘进速度，推进速度控制在20mm/min~30mm/min;

（4）出土量控制：盾构掘进采用连续皮带机出渣，每环的出渣理论方量为238m3，为渣土改良按照1.3计算，重量按照系数1.8~2计算，每环的土渣量控制在523.6t~618.8t；

（5）同步注浆控制：①注浆量控制，盾构机开挖直径12.84m，管片外径12.4m，管片环宽1.8m，砂浆理论注浆方量为15.7m2，泥岩地层按照1.2填充系数注浆19m2，施工过程中按照19m2同步注浆；②注浆压力控制，根据土仓压力及注浆量的控制，防止砂浆前窜包裹盾体，注浆压力控制在2.5bar~3bar；③注浆时间与盾构的掘进时间同步；④同步砂浆配比/m2，水泥：粉煤灰：膨润土：细沙：水=200:400：80：700：380

4、下穿既有线沉降控制措施

4.1掘进参数的控制

通过前期试验段总结的掘进参数，严格按照试验的掘进参数控制，对土仓压力的控制采用土压+气压模式控制，土仓压力底部控制在2.3bar，顶部1.5bar，平均1.8bar；对出土量由试验得出，皮带机安装称重系统，控制在530t~560t，严禁超排土方；通过总推力、掘进速度、刀盘扭矩作为可调参数确保土仓压力和出土量的控制。

4.2同步注浆+同步补浆措施

同步盾尾注浆为及时填充盾尾间隙，防止因盾尾间隙的存在导致地层发生较大变形，盾尾脱离管片后，土体与管片存在间隙，此时浆液迅速填充空隙，可大大减少土层的移动，从而减少地表的变形。注浆效果的质量往往因填充不密实，导致地表沉降；注浆压力过大，砂浆容易击穿盾尾刷，导致盾尾漏浆，或砂浆包裹盾尾，导致盾构姿态纠偏困难。

在同步注浆泵出口处，设置三通，其中一路为正常了盾尾同步注浆，另一路为通盾尾后第4环管片二次注浆孔，在此位置设置注浆压力表、泄压阀，主要目的解决同步注浆不饱满问题，填充管片壁后的空洞，起到防止地表沉降的效果。

4.3二次注浆技术措施

当盾构机下穿既有线时，采用增设注浆孔的管片进行管片壁后补浆，依据监测数据进行二次注浆，注浆时间为盾尾之后4-5环。二次注浆分为单液浆和双液浆，单液浆主要作为地层填充使用，水灰比为1:1；双液浆主要作为地层止水环使用，5-10环进行一次，采用水泥浆+水玻璃组成的双液浆，浆液配比：水泥浆采用42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1:1；水玻璃采用波美度35的溶液与水按1：1.5进行稀释。注浆压力控制在比该位置水土压力增加24bar，使浆液具有一定的扩散能力，该过程中遵循密实填充、少量多次的原则，同时防止地面过渡隆起，对此要 随时监控相关数据。依据同步注浆的具体要求把控二次补浆的质量好坏，控制既有线地表的沉降。

洞中进行反向扫描，二次浆液的强度达到要求后，先行探测隧道顶120°范围以内管片背后的详细注浆情况，通常会用到高频雷达天线，具体由1条主线、2条辅线组成，便于及时、精准反馈管片四周的浆液密实状态。如还有存在脱空时应立即单液浆补浆。

5、总结

成自高铁项目锦绣隧道大直径土压平衡盾构机在穿越既有线路基及高架桥桩过程中，通过掘进参数控制、注浆技术控制等措施，将既有线地表沉降数据均控制在1mm内，既保证了既有高速铁路地安全运行,也为后续大直径土压平衡盾构机在泥岩中穿越既有铁路线施工积累了宝贵的经验。

参考文献：

[1] 地铁盾构下穿铁路群施工控制技术研究[J]. 周鑫,马继山,彭显晓.  天津建设科技. 2021(04)

[2] 盾构隧道下穿铁路桥变形控制和施工对策[J]. 刘晖.  市政技术. 2019(03)

[3] 朱正国,李兵兵,李文江,等.新建铁路隧道下穿既有铁路 施工引起的地表沉降控制标准研究[J]. 中国铁道科学,2011(5)