上软下硬地层穿越既有铁路桥盾构施工风险控制技术

上软下硬地层穿越既有铁路桥盾构施工风险控制技术

贾小飞

广州轨道交通建设监理有限公司 广东 广州 510010

摘要：盾构在上软下硬的地层掘进时，地质上下岩层强度相差较大，如平衡压力控制不好，盾构掘进过程中会引起刀盘切削的上部土体则容易进入土舱内；下部硬岩则掘进困难，容易导致盾构机容易上翘、刀盘刀具破损过大等问题。施工过程中，主要控制盾构姿态、速掘进度及盾构机平衡压力，采用一定的预处理措施，使盾构机在防止刀盘刀具破坏的同时，避免盾构机姿态不平衡失控而超限。

关键词： 沉降；地面坍塌；盾构姿态；管片错台；停机；换刀

1、工程概况

北山道站~盐田食街站区间是深圳地铁8号线二期工程第2段区间工程，区间隧道Z（Y）DK54+005.000~Z（Y）DK54+020.000侧穿平盐铁路，其中区间左线隧道距2#桥墩基础水平距离为5.364m,竖向距离为7.462m，区间右线隧道距离3#桥墩基础水平距离为0.270m，竖向距离为7.730m。

平盐铁路桥为1990年左右建设，为1孔16m+2孔20m+1孔16m低高度钢筋混凝土梁桥。主体结构桥台顶帽为200号钢筋混凝土，墩台帽梁为250号钢筋混凝土，桥台托盘（包括台身高40cm）为200号混凝土，桥台台身为150号混凝土，桥台耳墙为200号钢筋混凝土，双柱墩为200号钢筋混凝土，墩台基础为150号混凝土明挖基础。

区间采用２台土压平衡盾构机，左、右线分别为铁建重工φ6440（开挖直径）盾构机和中交天和机械设备制造有限公司φ6500（开挖直径）盾构机进行施工。2台盾构刀盘针对本工程的地质条件需具有以下特征：本盾构刀盘材质采用Q345B钢板，中间支撑结构，刀盘受力更为均匀，保证刀盘具有较高的强度和刚度。刀盘为辐条+面板式结构，开口率为33%，能够实现较高的掘进效率，中心部位较大开口，防止泥饼产生，

2、工程地质情况

2.1地质情况

平盐铁路（左线）地质依上之下分布：素填土（碎石、块石）、中砂、粗砂、砂质黏性土、砂土状强风化岩、中风化岩，洞身范围内主要分布为中风化岩；平盐铁路（右线）地质依上之下分布：素填土、素填土（碎石、块石）、中砂、含有机质砂、卵石、全风化岩、土状强风化岩、中风化岩、微风化岩，并结合补勘（DZBK-PYTL-02孔位）揭示洞身范围内主要分布为砂土状强风化岩、中风化岩和微风化岩。

平盐铁路桥补勘揭示其位置的地质条件为上软下硬，桥墩基础持力层为砂层。补勘孔位共5个，分别位于为2号墩2个，3号墩2个，右线隧道上方1个，通过隧道上方补勘孔位揭示其三组试件抗压强度分别为146.1Mpa、149.1Mpa、158.1Mpa。

DZBK-PYTL-02~ DZBK-PYTL-04断面地质分布

北盐区间地质微动探测揭示，右线微动测点YL1-31~ YL1-33有异常，位于里程YCK54+002.5～YCK54+013范围，埋深11.4m～14.3m，推测为局部基岩凸起、孤石或局部风化不均引起。

2.2周边建筑物概况

北山道站~盐田食街站区间主要沿北山道下方敷设。区间隧道出北山道站后沿北山道继续向东偏南敷设，先后侧穿北山汽修厂、怡佳宾馆（深圳地铁 8 号线二期经理部）、多处 2～5 层民房、和享雅园、盐田街道办事处、裕民大厦、黄必围小区 1 栋、黄必围小区 3 栋，正穿平盐铁路主线桥后进入盐田食街站。

2.3水文地质概况

本区间场地内原发育三洲塘水体等支流，后因城市规划建设截流，可认为无地表水体。

根据其赋存介质的类型，沿线地下水主要有两种类型：一是松散岩类孔隙水；另一类为基岩裂隙水，主要赋存于块状强风化、中等风化带中，略具承压性。

2.4周边地下管线概况

该区段沿线管线较多，雨水、电力、给水管道位于隧道上方，燃气位于隧道北侧 7.4m、污水管道位于隧道北侧 6.1m。

3、施工风险识别及对策

3.1盾构掘进对沿线建（构）筑物沉降的控制

本区段施工影响的地面建(构)筑物主要为：下穿平盐铁路桥（采用注浆加固及桩基托换处理技术）。

3.1.1施工风险分析

根据现场周边环境勘察，平盐铁路位于既有市政主路上方，东北方位为盐梅路通往大小梅沙旅游景区，东侧为通往盐田海鲜街海边栈道辅路，日常车流量大，尤其在节假日期间车流量增加经常导致交通拥堵，交通疏解难度大，倒边次数多，对交通影响大。

另一方面考虑左、右线距离 2#、3#桥墩较近，地质为上软下硬地层，穿越平盐铁路时安全风险系数高、沉降敏感系数大，对盾构掘进参数控制要求高，施工过程难于控制沉降变化对铁路的影响，铁路桥垂直位移不大于5mm。

平安铁路桥南侧 3#桥墩加固区域存在燃气管线，施工难度、风险大， 需进行燃气管线迁改。

3.1.2施工风险对策

（1）提前做好与交通部门、各地下管线产权单位协同作业，确定加固方案并批报，做好 3#号桥墩地下燃气管线迁改工作。

（2）做好交通疏解和围蔽实施方案，施工的同时保证现有道路的通畅。

（3）施工前采用直径 48@1.0*1.0m 双排袖阀管对天桥桩基进行注浆加固，沿着２#、３# 桥墩西尾桥台双排布置，加固深度低于基础底部 3m，加固时保证浆液质量。采用 P42.5 普通硅酸盐水泥，水灰比 1.0~1.5， 施工完毕后进行加固土体检验，无侧抗压强度 1.0MPA，渗透系数不小于1.0*cm-6/s,若达不到设计要求，应及时弥补。

（4）区间正线距离平盐铁路３＃桥墩较近（右线隧道与 3#独立基础最小水平净距为 0.270m，最小竖向净距为 7.7３m），防止平盐铁路沉降， 区间通过前应对正线区间进行注浆加固，加固深度至中风化岩层顶面。

（5）并对 2#、3#桥墩进行桩基加固补强措施（采用桩基托换处理，确保平盐铁路沉降，影响正常货运）。

（6）确定合理的土仓压力，控制掘进速度和盾构姿态，匀速通过。

（7）加强施工管理， 严格控制出土量，严禁超挖，同步注浆及时，注浆饱满。

（8）加强施工监控测量，做到信息化施工。

（9）根据现场施工实际情况进行地面跟进注浆作业，保障平盐铁路桥的安全运行。

3.2盾构掘进对管线沉降的控制

3.2.1施工前管线调查

北盐区间位于盐田区主要干道下方，施工前做好管线探测调查工作，根据管线探测调查资料，该区段沿线管线较多，雨水、电力、给水管道位于隧道上方，燃气位于隧道北侧 7.4m、污水管道位于隧道北侧 6.1m。

3.2.2施工风险对策

（1）施工前，根据管线探测资料，熟知影响管线的类型和埋深，结合设计图纸及地质勘察报告对管线影响进行预测，确定和优化施工参数。

（2）施工时，通过实时的信息化监测技术，根据反馈的土层变形情况进一步优化施工参数，控制地层变形，以控制对管线的保护。

（3）盾构施工时对土仓压力、出土量、超挖量、掘进速度、同步注浆和二次注浆、注浆量和注浆延迟时间、盾构姿态严格控制。

（4）发现地面沉降超过预警值，对照管线探测资料进行加固管线地基，提高承载力抑制管线沉降变形。

（5）及时进行同步注浆，注浆量和注浆压力根据监测数据动态控制。4.二次注浆以少量多次为原则，在测点刚脱出盾尾时，沉降速度较快，每天进行监测同时进行补浆，当测点稳定后，补浆施工停止。

3.3上软下硬地层穿越既有铁路桥掘进控制

3.3.1盾构掘进风险分析

（1）地面坍塌风险

盾构在上软下硬地层中穿过，洞身在同一开挖断面上存在上下、左右软硬不均的现象。地层中残积土及全、强风化层遇水极易软化、崩解；砂层自稳性差，易产生涌砂、流砂等风险；此外在该上软下硬及孤石地段掘进时由于地下水丰富，加上盾构机对上部软弱土体的扰动，盾构掘进时很容易出现喷涌，发生上覆地层溜坍的风险，从而导致地面塌孔，影响周边道路和周边建筑物及管线的安全。

（2）盾构姿态风险
  盾构主要在上软下硬地层中穿过，岩石抗压强度为140～158MPa，局部基岩强度最大高达158MPa，为极硬岩层。由于隧道范围内上下部分地层强度差异性极大，盾构机在该地层中掘进容易发生姿态抬头现象，影响盾构施工姿态的控制，容易造成隧道轴线偏移和地面的沉降超限，可能发生盾构机偏移或卡住、蛇形推进，注浆不及时易产生地面沉降甚至坍塌、隧道管片破损以及盾构机损坏等难以预料问题。

（3）盾构掘进风险措施

1）做好地质补勘，在地层起伏交界处进行钻孔，查看上软下硬地层位置和长度。

2）掘进过程中不断观察出土情况，并结合推力、扭矩、速度、土压及渣土中石块的比例和大小，判断硬岩的比例，及时调整掘进参数。

3）上软下硬地层，以硬岩强度来配置刀具，掘进根据隧道顶部地质情况选择合适的土压，适当降低土压有利于提高刀具寿命。

4）上软下硬地层掘进时，为控制盾构姿态，保证正确的掘进线路，合理控制上下千斤顶推进油压。

5）在上软下硬地层应采用低转速，减少滚刀与岩体分界面的冲击；掘进过程中推力控制在 10000kn~12000kn，扭矩在 1200~1800kn.m，掘进速度控制在20～40mm/min，刀盘转速按照 1.0～1.3rpm，出土量 64.67m³，注浆量控制在 5.4m³~8.1m³， 盾尾注浆压力设定为 2.0～3.0bar，泡沫的注入量为 300～600L/m3。具体掘进参数根据施工实际的地层情况可进行调整。

6）加大发泡剂比例，改善土体流动性和土仓温度，降低土仓温度有利于减少刀盘的磨损和偏磨。在掘进过程时，要注意建立土压平衡、润滑刀具、增加渣土的流动性使渣土顺利进入土仓并排出。对砂质粘性土层，主要采取向刀盘面、适当向土仓内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入适量泡沫，防止产生泥饼。泡沫的注入量为 300～ 600L/m3。对泡沫注入参数的设定：①原液比例 2～6％；②膨胀率（发泡率）6～15；③泡沫注入率（按出土量计算）20～30％。

7）下部为硬岩，掘进速度受硬岩制约而变慢，容易多出土，应以盾构机进尺来控制出土量，防止超挖，同时保证盾尾回填注浆。8.针对上软下硬地层在有条件的情况下，提前做好地面注浆加固等处理措施。

3.3.2管片错台

（1）错台原因分析

油缸的偏差导致千斤顶作用在管片面的受力不平行，管环间产生垂直分力，进而产生管环间扭矩，一定程度上造成管片上浮及错台。

管片脱出盾尾后，管片外缘与隧道洞径不能完全密贴，存在环向建筑空隙，未及时将建筑空隙填充，造成管片上浮的空间。

管片脱出盾尾后同步注浆浆液未能及时凝固，浆液作用于管片的浮力超过管片自重抗浮力，使得管片上浮。

在复合地层交界处容易产生“抬头”及“栽头”现象，所以盾构机姿态控制不好，造成管片和洞径之间出现较大建筑空隙，使得管片存在更大的上浮的空间。

考虑施工期间深圳当地的雨季，地下水位高（隧道位于地下水位以下），在透水地层中盾构掘进时， 管片浸泡于水或泥浆中，浮力会使管片上浮。

（2）施工对策

1）发现油缸存在偏差，及时联系厂家进行维修，对各推进油缸进行调整，进行试推进，减小管片上浮量。

2）施工过程中及时进行同步注浆，保证第一时间将建筑空隙填充，保证浆液具有充填性。

3）浆液具有初凝时间短和一定早期强度，但要注意初凝时间不能过早，保证注浆管路不堵塞。浆液硬化后体积收缩率要小，渗透系数小。要有合适的稠度，不被地下水稀释。

4）盾构掘进过程时需要对盾构机姿态精细控制，使盾构机以尽可能小的偏移量进行蛇形运动，发现偏差时逐步纠正，不得过猛纠正偏差。

5）盾构掘进过程时需要对盾构机姿态精细控制， 发现上浮情况出现，及时调整盾构姿态弥补因浮力过大造成的管片上浮。

3.3.3盾构机停机风险

（1）停机风险

因恶劣天气，局部设备故障、盾构姿态等因素造成短时间停机风险；

（2）施工风险对策

1）停机期间安排盾构司机、技术人员、设备保养人员坚守岗位，监测人员随时监测地面变化。

2）停机前的最后一环的掘进，调节停机时的土仓压力略大于设定值；

3）根据同步浆液的初凝时间，安排停机5~7小时后，再掘进50~100mm，掘进过程不进行注浆和出土，防止浆液凝固盾尾密封刷。

4）如果停机时问超过3天，需要定期做小距离的推动。

5）停机期间，按正常保养程序对盾构机进行保养。根据实际情况尽快恢复盾构的正常推进。

3.3.4盾构换刀风险

（1）盾构换刀风险分析

盾构机在此地层中掘进，刀具的磕碰磨损及偏磨比较严重，掘进速度较慢，将会导致频繁的开仓检查及更换刀具，但是本段盾构隧道埋深较深，约为11.7～18m，地层复杂，加压开仓风险极大，存在掌子面坍塌、气体中毒、涌水等风险。

（2）盾构换刀风险对策

1）加强开仓区域路面监测，在具备加固条件的区域选择地面换刀点地面加固，开仓前必须进行气体检测，施工作业人员轮流进仓施工。

2）开仓换刀期间，地面进行24小时值班，发现异常情况立即进行汇报。

3）如采取带压开仓作业，作业前各种准备工作必须做充分，并经过技术部门的严格检查、确认。

4）盾构机到达开仓位置前，加强同步注浆和二次注浆，并用双液浆进行补强加固。

5）作业前对进仓换刀人员身体情况进行检查，保证人身安全。

6）应急物资备齐，盾构机开仓作业非专业人员禁止靠近。

4、小结

（1）盾构下穿上软下硬地层施工，姿态控制较为重要，盾构机导向系统数据应准确，掘进中人工复测应及时跟进，相互比对印证，避免姿态偏差较大不能有效纠偏。

（2）上软下硬地层穿越既有铁路桥盾构施工一定要采取合理的施工措施，各项风险因数需全面考虑，在确保管线、建筑物沉降要求前提下，尽量采取合理的施工方法进行组织施工，沉降不能得到有效控制，可采取加固、补强等相应措施，姿态偏差不能有效控制时，可采取深层基岩爆破处理。

（3）保持土仓内的压力平衡以稳定开挖面，控制地层沉降，控制出渣量，控制盾构姿态，同时加强监测密度，根据监测的数据及时调整盾构正面压力、推进速度、出土量、同步注浆的稠度及注浆压力等施工参数，是确保盾构的顺利推进和管线、建筑物施工安全和正常使用的必备要素。

参考文献

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