富水砂层盾构隧道下穿铁路路基风险控制

富水砂层盾构隧道下穿铁路路基风险控制

赵品祥

中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031

摘要：铁路对变形极为敏感，富水砂层盾构隧道下穿铁路路基时易导致铁路变形超限，影响铁路行车安全，涉铁方案难以获得铁路部门审批。本文以某富水砂层地铁盾构隧道下穿广茂铁路路基为例，提出了盾构隧道自身控制和辅助保护措施，并通过对比分析采用保护措施前后铁路路基和轨道的变形差异，结果表明通过盾构自身控制和钢便梁+跟踪注浆的辅助措施可保证富水砂层盾构隧道下穿铁路路基的安全，钢便梁人工挖孔桩基础可通过WSS加固+钢护筒保证安全，为类似工程提供了参考和借鉴。

关键词：盾构隧道；铁路路基；富水砂层；钢便梁；人工挖孔桩

1引言

随着国内城市轨道交通线路的不断加密，盾构隧道下穿铁路路基的案例越来越多。目前盾构法隧道下穿铁路路基已取得一些成果，黄文君[1]分析了盾构施工工艺对铁路路基沉降影响规律，结果表明路基预加固能有效减少下穿过程中路基的沉降量；朱双厅[2]长沙地铁富水软弱地层盾构下穿京广详细下穿京广铁路施工风险，提出了对下穿铁路段采用旋喷桩加固+“横抬纵挑”法的保护和加固措施，通过转移列车荷载铁路，保证了盾构下穿既有铁路安全正常运营；程雄志[3]地采用桩板结构+路基注浆联合加固方法保证了地铁盾构下穿高速铁路路基的安全。总体而言，以上研究主要集中对铁路路基的主动加固，加固工程规模较大，工程投资较高，且加固质量参差不齐，最终效果也难以保证。本文结合某城市地铁区间隧道下穿广茂铁路路基为工程案例，在富水砂层地层中采用提出了盾构自身控制和钢便梁+跟踪注浆的辅助措施，保证了盾构穿越铁路的安全。

2工程概况

某地铁区间隧道下穿广茂铁路路基，隧道与广茂铁路夹角约为66°。广茂铁路建于1983年，为客货铁路，每天有64趟车，列车最高时速120km/h，铁路路基形式均为碎石道床，无接触网。地铁区间隧道采用泥水平衡盾构施工，隧道管片内径5.4m，壁厚为300mm。地铁区间隧道下穿铁路段周边重要管线和建构筑物有：0.323m钢质煤气管（埋深 约6.5m）、1.0mx1.0m铜质10KV电力管（埋深1.62m）、1.5mx1.5m砼质框架涵（埋深0.1m）；文昌大桥，1.5m钻孔灌注桩，桩长22.7~25.3m，桥下净高约6.5m。

盾构隧道与广茂铁路竖向净距约为9.89m，隧道主要穿越于淤泥质土和淤泥质粉细砂层，隧道拱顶有较厚的淤泥质中粗砂和淤泥质粉细砂；右线隧道上方有铁路光缆；∅323钢质煤气管（埋深约6.5m）；1mx1m铜质10KV电力管（埋深1.62m）；1.5mx1.5m砼质框架涵（埋深0.1m），下穿工程周边环境复杂。

3铁路保护措施

为了保证铁路的安全运营，在盾构隧道下穿铁路时，主要通过施工阶段盾构自身施工参数控制，减少盾构施工对铁路影响，同时采用主动保护措施对铁路进行保护，并加强隧道设计，减少运营期地铁对铁路的影响。

3.1盾构自身控制

左、右线地铁隧道下穿铁路时两条隧道分期施工，盾构穿越铁路分穿越前、穿越中、穿越后三个阶段进行控制，盾构下穿铁路前对盾构机进行全面检修并盾构掘进建立试验段，以获取最佳的盾构机状态和盾构掘进施工参数；盾构下穿铁路过程中，严格控制掘进参数、严格控制出土量、严格控制注浆参数、实行信息化施工；盾构通过后，根据地面监测信息，对地表沉降区域进行补注浆，并通过地质雷达对穿越洞身进行扫描，对壁后有空洞区域进行补注浆。

3.2盾构隧道下穿铁路的辅助保护措施

隧道下穿前采用2孔D24标准钢便梁对线路进行保护，并在盾构下穿铁路前后20环范围内管片增设注浆孔，根据监测结果进行补偿注浆；同时在钢便梁拆除后，根据铁路道床的监测情况，进行跟踪注浆保护。

实施过程中应加强纵梁之间、纵横梁之间、横梁与钢轨之间的联接可靠；纵梁与支墩之间传力可靠；横梁与既有钢轨连接处应加设绝缘橡胶垫，防止轨道电路短路，影响信号和行车。整个钢便梁在空窗期施工，避免影响列车运营，施工期间列车限速45km/h；在盾构通过一个月内仍需进行监测，一个月后所有监测数据稳定后方可拆除钢便梁；钢便梁拆除完毕，经运营单位现场配合人员确定达到放行列车条件后，方可开通线路，经整修养护线路后逐渐恢复至正常速度。

3.3人工挖孔桩开挖安全保护措施

由于钢便梁基础边紧贴铁路限界，虽钢便梁理论上可采用较小的设备进行机械桩施工，但无法获得铁路工务段的同意，机械桩的方案可实施性不大，为此钢便梁基础采用直径为1.5m的人工挖孔桩。考虑到该段范围砂层和软土较厚，为了避免基础施工期间造成铁路沉降超限，人工挖孔桩采用WSS加固+钢护筒跟进，具体加固措施如下：

3.3.1 WSS注浆

1）注浆采用前进式注浆设备，实现边钻进边注浆，有效防止常规钻孔之后尚未注浆之间的时间差形成冒水通道。加固以单液浆填充为主，双液浆进行封边为辅。

2）注浆采用WSS机注浆，钻孔孔径为42mm。钻孔梅花形梅花形布置，外圈环线间距1m，内圈梅花形布置，径向净距0.5m，需根据现场实际需要布置注浆孔位置、确定注浆孔角度，注浆孔平面间距应控制在0.7m内，原则上先注外围一周的注浆孔，然后再进行中间孔位注浆，使浆液在一个相对封闭的环境里扩散，以更好地固结土体。

3）WSS内侧注浆孔注普通水泥浆，浆液水灰比为0.8：1～1：1；注浆应结合现场地质情况，遵循“多设注浆孔、单孔少注浆”的原则，控制单孔注浆量，注浆压力不小于0.6MPa，以0.8-1MPa为宜，注浆速度30～70L/min，水泥浆拌制采用42.5级普通硅酸盐水泥。最外圈注浆孔注双液浆形成止浆帷幕，双液浆质量配比为水：水泥：水玻璃=（0.8～1）：1：（0.08～0.20），水玻璃波美度为38～43Be′,模数为2.4～3.0；注浆压力控制在0.6～0.8Mpa，注浆速度30～70L/min。

4）WSS注浆加固后的地层应进行抽芯试验，钢护筒范围内的地层不进行加固，加固体无侧限抗压强度不小于1.5Mpa，渗透系数不小于渗透系数不大于1x10-6cm/s。

5）WSS应先在周边类似地层先进行试验，加固体满足设计要求调整好Wss钻孔布置和施工好参数，再对铁路一侧的人工挖孔桩地层进行加固，加固体抽芯试验满足设计要求方可进行人工挖孔桩施工，否则需要补偿加固，直到满足设计要求为止。

6）WSS钻孔注浆应在天窗期进行，并加强对铁路、周边管线、桥梁、箱涵等进行监测和保护，加固完对铁路和周边环境进行恢复，不能影响铁路正常运营。

3.3.2钢护筒跟进

砂层和淤泥质土层需要利用钢护筒进行跟进，钢护筒内径1.8m，壁厚6mm，分多节预制，采用焊缝连接，通过静压法分节压入，在焊缝连接部位做好防渗漏措施。钢护筒的内壁每隔500mm做钢筋加劲箍(钢筋采用直径18mm的一级钢)加强护筒整体刚度。钢护筒需确保至少0.5m的嵌固深度，在砂层和淤泥质土层中，钢护筒嵌固深度应大于3m，且钢护筒必须一次穿越淤泥层。

钢套筒压入过程中应保证不破坏WSS加固体，同时因砂层较厚，钢护筒无法一次性打入，建议每次打入0.5m，钢套筒采用节点焊接连接，每节具体高度根据施工情况调整，但需确保施工过程中不影响铁路正常行车安全。

3.3.3混凝土护臂

混凝土护壁施工时，每天的掘进深度不得大于1m，护壁略高出地面。挖孔桩施工时遇不良地层时应控制护壁施工段长度不超过0.5m，必要时在护壁中加强钢筋并加大护壁厚度,并保证孔内作业有可靠的安全保障措施。

图5 人工挖孔桩保护措施平面示意图

3.4线路日常养护

广茂铁路为无缝线路，为了保护整条线路的安全，钢便梁架空前应对本区段线路进行应力放散，拆除钢便梁后需对放散后的线路进行恢复，并按照原锁定轨温，重新锁定线路。恢复，应力放散和调整施工前，应制订施工计划及安全措施，组织人力，备齐料具，充分作好施工准备。应力放散施工后，锁定轨温、焊接质量、锁定质量等应达相关规范验收标准。

3.5 铁路路基变形控制

铁路路基主要的监测内容为铁路路基、轨道变形监测，其中路基竖向位移限值为±10mm，路基水平位移限值为±7mm；轨道竖向位移限值为-3mm~+8mm，轨道水平位移限值为±7mm。盾构下穿铁路期间监测频率为1次/2小时，盾构通过铁路后一个月内监测频率为1～2次/天；之后监测频率为1次/2天，直至变形稳定。

4现场施工情况施工情况

4.1左线隧道施工情况

由于铁路方案长时间未批复，现场工期紧张，施工单位在未获得铁路部分批复时私自进行施工，在未对铁路进行加固的情况下完成左线隧道下穿铁路路基，整个施工过程铁路路基的最大沉降值为±12mm，铁路轨道最大几何尺寸偏差高低值为±8.8mm，铁路路基和轨道变形超过规范限制。铁路工务部门通过对铁路路基进行监测以及空洞探测发现已实施的左线地铁隧道上方存在土层松软情况，要求对所揭示的空洞区域进行注浆充填处理，加固完毕后再重新对铁路范围内地层进行探测，若加固后仍存在土层松软或出现空洞，则需要加密袖阀管的间距，直至全部地层填充密实为止。

4.2右线隧道施工情况

右线盾构隧道施工前，施工单位吸取左线施工教训，完成涉铁施工方案审批、安全协议签订、线路加固架空施工许可和营业线施工计划，并按设计要求实施了铁路钢便梁架空保护措施。钢便梁人工挖孔桩基础通过WSS加固+钢护筒跟进，施工过程中审查砂层范围未发生涌水涌砂事故，保证了施工安全。结合已施工左线隧道的掘进参数，右线盾构掘进时采用高粘高压泥浆护壁（粘度25s-30s、比重1.15-1.2g/cm³、泥水仓压控制在1.3-1.4bar），施工期间铁路路基最大沉降值为±3.5mm，铁路轨道最大几何偏差高低值为±2.8mm，铁路路基和轨道变形远小于左线盾构施工期间的变形，且在规范变形控制值范围内。最后在铁路变形稳定后拆除钢便梁，对铁路线路进行整体恢复，完成铁路验收。

5结语

盾构隧道在富水砂层段下穿铁路路基风险较大，为了减少盾构下穿对铁路的施工风险，可采取以下措施：

1）通过盾构自身施工控制和钢便梁+跟踪注浆的辅助措施可保证富水砂层盾构隧道下穿铁路路基的安全。

2）盾构施工参数直接控制着铁路路基的变形，盾构穿越铁路前应建立试验段，盾构穿越过程中采用信息化施工。

6）钢便梁基础采用机械桩方案难以获得铁路工务部批复，建议采用人工挖孔桩基础，深厚砂层段的人孔挖孔桩可采用WSS+钢护筒跟进保证安全。

4）盾构隧道施工前应制订详细的涉铁施工计划，与铁路部门签订安全协议，并完成铁路部门所有流程。

参考文献：

[1]黄文君，郑明新，欧阳林 盾构施工工艺对铁路路基沉降影响的数值分[J]．析隧道建设，2015，35（2）；

[2]朱双厅，沈炜东，刘锦成，长沙地铁富水软弱地层盾构下穿京广铁路风险分析与控制研究[J]．铁道标准设计，2014，35（6）；

[3]程雄志，地铁盾构下穿高速铁路情况下的路基加固与轨面控制[J]．城市轨道交通研究，2013，12（2）。