張舵，周吉濤，費瑞振

盾構下穿運營高鐵隧道風險控制措施研究＊

張舵，周吉濤，費瑞振

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251）

盾構下穿施工會對上方高鐵隧道造成一定影響，如不均勻沉降、結構內力增加等，存在威脅高鐵安全運營及隧道結構產生裂損等風險?；谥袊桌軜嬒麓┻\營高鐵隧道工程，在深入研究盾構施工控制技術的基礎上，對盾構下穿運營高鐵隧道風險控制措施進行了探討，提出了主要技術控制措施和盾構施工控制措施，保障了盾構下穿運營高鐵隧道的順利實施。

盾構；下穿；高鐵隧道；風險控制

1 工程概況

京廣高速鐵路武漢至廣州段于2009-12-26開通運營，設計速度350 km/h。瀏陽河隧道內鋪設無砟軌道，采用CRTS-I型雙塊式整體道床，扣件采用300-1型。瀏陽河隧道寬 14.9 m，高12.78 m，采用C35防水鋼筋混凝土襯砌，拱部厚度0.8 m，仰拱厚度0.9 m。

長沙市軌道交通3號線的湘龍站至星沙站區(qū)間，沿開元西路向東掘進在右DK34+856處下穿京廣高鐵瀏陽河隧道（國鐵里程K1566+828），地鐵區(qū)間線間距20 m，相交位置位于京珠高速與開元西路交口西側、星沙湘繡城南側。地鐵區(qū)間采用盾構法施工，內徑5.4 m，外徑6.0 m，襯砌采用0.3 m厚C50鋼筋混凝土。盾構區(qū)間與瀏陽河隧道的豎向間距約11.9 m，下穿地層為中風化泥質粉砂巖及礫巖，地下水主要為基巖裂隙水，穩(wěn)定地下水位埋深1.80～7.40 m。

湘龍站至星沙站區(qū)間采用土壓平衡盾構直接下穿京廣高鐵瀏陽河隧道，為中國首例，且無洞外工程保護措施，具有極大施工風險。

2 主要技術控制措施

為進一步保證盾構下穿京廣高鐵瀏陽河隧道期間的安全，擬采取以下技術措施：①設計施工方案。通過鐵路部門的審查，并獲批準后方可實施；同時選用征得鐵路部門認可的專門監(jiān)測單位對施工整個過程進行全程監(jiān)控；為確保盾構施工不影響鐵路運行安全，與鐵路部門簽訂安全監(jiān)護協議。②優(yōu)化盾構機刀具配置、技術參數，確保用于本區(qū)間施工的盾構機技術性能優(yōu)異，滿足要求。③盾構下穿瀏陽河隧道期間，高鐵采取限速措施。④正式下穿前，在同類地質條件下設置盾構掘進試驗段，模擬盾構下穿鐵路掘進，調整掘進參數，保證正式下穿掘進時土體深層位移和地表位移控制在鐵路隧道變形允許范圍內。⑤利用中間風井對盾構機進行刀具更換和設備檢查，確保盾構機處于最優(yōu)的工作狀態(tài)通過鐵路隧道。⑥在盾構穿越施工過程中加強掘進參數控制，嚴格控制與切口土壓力有關的施工參數，保持土壓力平衡；均衡勻速、連續(xù)性施工、杜絕盾構機停滯，盡量不糾偏直接通過；縮短拼裝時間和盾構機停推時間；做好土體改良，增加渣土和易性；把控制地面沉降主要手段的同步注漿和二次注漿作為盾構施工管理的重點，確保注漿及時、注漿量充足。⑦做好監(jiān)控量測，成立聯合工作小組，建立安全風險分析平臺，保證數據實時采集、及時分析，根據監(jiān)測數據及時調整盾構施工參數，保持監(jiān)測與盾構機控制的實時聯動。⑧盾構通過后，對兩側管片注漿形成環(huán)箍，減少盾構施工的后期沉降。⑨下穿京廣高鐵瀏陽河隧道地段，管片配筋進行加強，同時管片增設注漿孔，每環(huán)管片設16注漿孔。在管片脫出盾尾5～8環(huán)后，通過管片上預留的注漿孔對地層進行鋼花管加強注漿。⑩根據監(jiān)測結果，在天窗期采用調整軌道扣件的辦法及時調整軌道高程，以滿足鐵路線路的標準。

3 盾構施工控制措施

根據盾構施工過程對國鐵隧道影響的不同，主要分為盾構穿越前、盾構穿越中、盾構穿越后階段。

3.1 盾構穿越前準備工作

盾構機穿越鐵路隧道前主要進行以下準備工作。

3.1.1 施工參數優(yōu)化

在盾構穿越鐵路之前的施工過程中，應當及時總結出盾構所穿越土層的地質條件，掌握這種地質條件下土壓平衡盾構推進施工的方法，掌握盾構推進施工參數和同步壓漿量，并且通過實踐不斷地對其進行優(yōu)化。

對類似地層進行土層深層沉降變形監(jiān)測，監(jiān)測深度應與國鐵隧道接近。在此階段監(jiān)測數據最能夠準確反映盾構推進的各項參數，組織測量人員在推進期間24 h值班監(jiān)測，每環(huán)監(jiān)測2次，開始推進時測1次，推進結束時測1次。

3.1.2 機械設備檢查及維護

在盾構機進入鐵路隧道前，在區(qū)間風井內對盾構機及后配套設備進行一次全面、細致的檢修，根據刀具磨損情況，提前更換刀具。對存在故障隱患的部位及時排除。特別是對注漿管路進行徹底的清洗疏通，避免輸送管在盾構下穿鐵路時堵塞，導致漿液供應中斷，從而造成盾構機停機，同時對盾尾密封系統進行檢測，確保下穿鐵路時不發(fā)生漏漿現象從而保證注漿量。

檢修前制訂詳細的設備檢修計劃，并安排經驗豐富的機修人員對設備進行徹底的檢修。對于液壓油封、高壓油管、繼電器等易損件，要準備備件，以備損壞時能夠及時更換，確保不因設備故障導致施工中斷。

3.1.3 與鐵路部門協調

在穿越施工前，與該段鐵路主管部門取得聯系，建立相應的協作機制；在隧道變形和軌道沉降超標時，能夠及時通知鐵路管理部門，并配合采取相應措施。

3.2 盾構推進施工控制重點

根據工程經驗，盾構應勻速、連續(xù)下穿瀏陽河隧道，在下穿過程中采取以下控制措施。

3.2.1 加強監(jiān)測，信息化施工

施工前所得的初始數據為3次觀測平均值，以保證原始數據的準確性。穿越過程中根據實際需要可以進行24 h不間斷的跟蹤監(jiān)測，并實時反饋到盾構班組，用以指導盾構施工參數的設定，然后通過地面變形量的監(jiān)測進行效果檢驗，從而反復循環(huán)、驗證、完善，保證施工過程中鐵路及其他構筑物的安全。

待盾構穿越后，變形趨于穩(wěn)定時，逐漸減少監(jiān)測次數，并恢復正常監(jiān)測，待變形穩(wěn)定后方可停止監(jiān)測。

3.2.2 嚴格控制切口土壓力等施工參數

在盾構穿越過程中必須嚴格控制切口平衡土壓力，具體施工設定值根據盾構埋深、所在位置的土層狀況以及監(jiān)測數據進行不斷的調整。必須嚴格控制與切口壓力有關的施工參數，如推進速度、扭矩、總推力、出土量等，盡量減少平衡壓力的波動。出土量控制在95%左右，施工過程中可根據實際情況適當調整。

參考長沙類似地層數據，取0=0.2，g取22.5 kN/m3，深度取26～32 m，計算出土壓理論值0.12～0.15 MPa；控制盾構機扭矩在1 000～2 000 kN·m，做好土體改良劑的注入，控制出土量，防止盾構機扭矩的過大波動。

3.2.3 推進速度及糾偏

根據以往施工經驗，推進速度不宜過快（難以保證同步漿液的注入量和盾尾密封油脂的飽滿壓入）也不宜過慢（增加對盾構周邊土體的擾動，增大沉降）。推進速度宜控制在20～30 mm/min。在此推進速度下保證盾構均衡勻速推進、連續(xù)性施工，杜絕盾構停滯，以減少盾構對土體的擾動，減少地表沉降。

在穿越鐵路隧道施工時必須預先控制好盾構的姿態(tài)，控制和掌握盾構單次糾偏的幅度，使糾偏盡量均勻且穩(wěn)定，以減少糾偏對周圍土體造成的影響。在該地段盡量不進行糾偏，直接通過。

3.2.4 管片拼裝

在管片拼裝過程中，安排最熟練的拼裝工進行拼裝，縮短拼裝的時間、盾構停推的時間，減少土體沉降。

拼裝過程中發(fā)現前方土壓力下降，可以采用螺旋機反轉的手段，即將螺旋機機內的土體反填到盾構機前方，起到維持土壓力的作用。拼裝結束之后，應當盡可能快地恢復推進，減少土體沉降。

3.2.5 改良土體

如果盾構掘進力矩過大，出土困難，可利用位于刀盤上的加泥孔，向前方土體加膨潤土或泡沫劑等改良土體，改善渣土的流塑性和減少排土扭矩。土體流塑性增加之后的作用：使盾構機前方土壓計反映的土壓數值更加準確；確保螺旋機出土順暢，減少盾構對前方土體的擠壓；及時填充刀盤旋轉之后形成的建筑空當，對控制盾構機前方土體壓力及地面沉降有利。根據長沙類似工程經驗，改良劑一般采用泡沫劑，每環(huán)管片用量30～40 L。

3.2.6 同步注漿

根據長沙類似地層工程經驗，同步注漿采用水泥砂漿，水泥用量120～150 kg/m3。注漿量取環(huán)間空隙理論體積的1.3～2.0倍，每環(huán)管片（1.5 m）注漿量5～8 m3。注漿壓力0.2～0.5 MPa，一般控制在0.3～0.4 MPa。固結體強度1 d不小于0.2 MPa，28 d不小于2.5 MPa。漿液結石率>95%，即固結收縮率<5%，可采用補償收縮砂漿。漿液穩(wěn)定性：傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

3.2.7 二次注漿

在管片脫出盾尾5～8環(huán)后，對管片的建筑空隙進行二次注漿。根據長沙類似工程經驗，二次注漿一般采用水泥漿，若地下水豐富、水壓力較大，也可采用水泥水玻璃雙液漿。二次注漿時根據監(jiān)測數據及時進行分析并調整注漿參數及注漿量，注漿壓力控制在0.4～0.8 MPa之間。每環(huán)注漿量約0.5～1 m3。二次注漿范圍在鐵路隧道前后各30環(huán)。如果隧道變形和沉降變化量大的，可以根據實際情況在隧道內進行跟蹤注漿。

3.2.8 防止土壓平衡盾構正面平衡壓力的過量波動

當土體很軟，排土很快影響正面壓力的建立時，適當關小螺旋機的閘門，保證平衡土壓力的建立；管片拼裝作業(yè)，要正確伸、縮千斤頂，嚴格控制油壓和伸出千斤頂的數量，確保拼裝時盾構不后退；正確設定平衡土壓力值以及控制系統的參數；加強設備維修保養(yǎng)，保證設備完好率，確保千斤頂沒有內泄漏現象；向切削面注入泡沫、水或膨潤土泥漿，改善切削土體的塑流性能，提高螺旋機的排土能力，穩(wěn)定正面土壓；維修好設備，減少液壓系統的泄漏；對控制系統的參數重新進行設定，滿足使用要求。

3.2.9 防止盾構機結泥餅施工措施

應避免采取停機后人工清理泥餅方式，施工中擬采取的主要技術措施為：把刀盤上的部分刀具換成齒刀，增加刀盤的開口度；加強盾構掘進時的地質預測和泥土管理，密切注意開挖面的地質情況和刀盤的工作狀態(tài)；刀盤前部中心部位布置有數個泡沫注入孔，在這種地層掘進時可以適量增加泡沫的注入量和選擇比較大的泡沫加入比例，減小碴土的黏附性，降低泥餅產生的概率；一旦產生泥餅，及時采取對策，采用防結泥沖刷系統進行沖刷，必要時采用人工處理的方式清除泥餅；必要時螺旋輸送機內也要加入泡沫，提升碴土的流動性，利于碴土的排出。

3.3 盾構穿越后控制措施

盾構穿越鐵路隧道后，采取以下主要措施。

3.3.1 形成環(huán)箍

在盾尾脫離鐵路隧道之后，在兩側的位置通過管片注漿孔進行漿液的壓注，使其在管片背后形成兩道環(huán)箍，有效地防止土體向兩側發(fā)生位移，減少盾構施工的后期沉降，采用雙液漿。

3.3.2 鋼花管注漿

下穿京廣高鐵瀏陽河隧道地段，管片配筋進行加強，同時管片增設注漿孔，每環(huán)管片設16注漿孔。預留注漿孔范圍為：左DK34+796.476～左DK34+916.476，右DK34+ 795.912～DK34+915.912。

鋼花管深孔注漿加固采用超細水泥漿或超細水泥漿-水玻璃雙液漿，注漿時應遵循“多點、低壓、多次”注漿原則，降低注漿壓力影響；注漿壓力為0.2～0.5 MPa，提前進行注漿實驗，但需控制鐵路隧道不得隆起，在管片出盾尾5～8環(huán)后即可進行。注漿結束后，拆除注漿頭，用雙快水泥砂漿對注漿孔進行封堵，帶上螺堵。

4 結論

基于上述盾構下穿運營高鐵隧道風險控制措施，2018-12—2019-04長沙地鐵3號線盾構成功下穿京廣高鐵瀏陽河隧道，驗證了本文研究得出的主要技術控制措施和盾構施工控制措施具有科學性及適用性，可以用于指導現場施工，為后續(xù)類似工程提供經驗參考。

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U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.067

2095－6835（2019）24－0148－03

張舵（1983—），男，高級工程師，從事隧道及地下工程研究。

中國鐵路設計集團有限公司科技開發(fā)課題（編號：721239）

〔編輯：張思楠〕