杜山峰

中鐵工程服務有限公司，中國·四川 成都 610095

1 引言

盾構法施工作為城市軌道交通建設的主要施工工法，具有效率高、速度快、對環(huán)境影響小、地質適應性強等優(yōu)點。通過數(shù)值計算和模型分析，得出土壓平衡盾構在配合適當?shù)妮o助措施的情況下完全可以下穿既有鐵路的結論。根據(jù)目前的施工技術，盾構在復雜環(huán)境中掘進對隧道上方既有運營鐵路穩(wěn)定性影響較大，若無完善可靠的處理措施，其安全及使用功能無法得到保障，將造成巨大損失和不良社會影響。如何控制隧道開挖對既有鐵路穩(wěn)定性的影響，是近年盾構法隧道施工面臨的一個重要問題。針對盾構長距離下穿既有鐵路，大多采用超前預加固、鐵路軌道預加固等措施，但存在工程界面協(xié)調難度大、工期長、沉降值不易控制、工程造價高等問題。

論文以天津地鐵10 號線龍圖道至方山道區(qū)間盾構穿越京山鐵路及京津城際工程為背景，通過數(shù)值模擬軟件計算，找出兩者相互影響關鍵點，結合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)提出富水粉砂地層盾構下穿鐵路的施工關鍵技術，以期最大程度地減少盾構施工對運營鐵路穩(wěn)定性及地表沉降的影響。

2 工程概況

2.1 區(qū)間設計及穿越鐵路情況概述

本區(qū)間線路自龍圖道站始發(fā)，途經石油公司東郊油庫、津山鐵路、津秦高鐵及京津城際延伸線高鐵、最后到達方山道站。左線單線全長約612m，右線單線全長約607m。區(qū)間隧道縱坡為“v”字形，最大縱坡為34‰，最小縱坡為32‰，線間距約為15～17m，區(qū)間隧道頂埋深10～20m，隧道開挖直徑6.34m，采用兩臺中鐵裝備土壓平衡盾構機進行施工[1]。

盾構機始發(fā)后196m 下穿普速津山鐵路，隧道與鐵路的交點中心里程分別為 DK25+933.771、DK25+928.589；再掘進26m 后依次下穿津秦高鐵、京津城際延伸線高鐵范圍，左、右線穿越長度分別為13m、16m，鐵路群區(qū)域穿越長度共計約49.4m（包含兩鐵路之間的相鄰段），穿越角度均基本為正交。隧道與既有鐵路平面位置關系如圖1所示，隧道與既有鐵路剖面位置關系如圖2、3 所示。

圖1 隧道與鐵路平面圖

圖2 隧道與普鐵剖面圖

圖3 隧道與高鐵剖面圖

2.2 工程地質及水文

隧道穿越鐵路整體位于⑥2、⑦2，⑧2，粉質黏土層中，部分區(qū)間需經過⑧3粉土層、⑧4粉砂層，上部覆土為雜填土、粉質黏土及粉土。

場區(qū)地下水位標高為0.7～1.70m，屬潛水類型，主要補給來源為大氣降水、地表徑流，常因氣候、降水等影響而變化。場地內粘性土滲透系數(shù)小，弱透水性。場地內地下水位較高，含水層呈層狀分布，在垂直方向具有不均勻性。

2.3 鐵路設計情況及保護標準

津山鐵路設計時速120km/h，為普速有砟道床鐵路，基礎型式為路基結構，路基高度約地面上1.45m，盾構區(qū)間結構頂距離路基面約19m。津秦高鐵是客運專線設計時速350km/h。京津城際延伸線設計時速160km/h。兩條鐵路均為高速鐵路，形式為預應力混凝土簡支箱梁，單個承臺下8～12 根直徑1m 樁基，樁長60m[2]。

地鐵隧道施工期間鐵路保護標準為一級，具體要求見表1。

表1 鐵路各項控制標準

3 盾構掘進與運營鐵路的相互影響分析

地鐵區(qū)間下穿鐵路施工時，會相互產生影響，盾構施工過程中的地表沉降，會影響鐵路運營的安全；而鐵路的動荷載，又會影響地鐵結構的安全。

①盾構在鐵路下通過時，對土體擾動大，造成地表不均勻沉降，使鋼軌接頭產生過大間隙、錯臺和折角，嚴重影響列車運行安全。

②列車在運行中，對路基土體產生的動應力沿深度逐漸衰減，衰減程度與土層的力學性質以及列車動載大小等因素有關，一般認為動應力的影響深度約4～7m。但當基床下部有構筑物時，動應力的傳播將發(fā)生較大變化。

③盾構施工引起線路下沉，導致線路不平順加大輪軌間沖擊力，使路基內動應力加大，土體動荷載增加，則作用在地鐵隧道管片上的荷載增加，影響地鐵隧道的安全。

④該鐵路群列車行駛速度快、行車密度大，會加大列車動載的作用，勢必引起路基面動應力的增大。

4 盾構下穿鐵路群專項設計優(yōu)化

由于原設計在盾構過鐵路段僅采取對津山鐵路盾構機下穿段進行扣軌加固，對盾構管片及掘進施工未采取針對性專項設計。經過反復論證后，對過路段進行以下優(yōu)化設計：

①區(qū)間管片采用多孔加強型管片，在盾構通過后通過管片開孔向地層進行深孔注漿，以加強補充地層損失。

②盾構掘進過程中采取盾體上方注入克泥效的方式，以減少掘進過程中地層沉降。

③在盾構同步注漿漿液中加入A、B 料，以改善漿液凝結時間，減少盾構工后沉降。

④盾構掘進過程中，在管片拖出盾尾4 環(huán)后同步進行注入雙液漿，對地層進行及時補充，減少地層沉降[3]。

5 數(shù)值模擬

針對盾構區(qū)間下穿鐵路群進行分析，數(shù)值計算采用PLAXIS 軟件，它可以模擬巖土或其他材料的力學行為。PLAXIS 將計算區(qū)域劃分為若干三角形單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構關系，如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流動，則單元網格及結構可以隨著材料的變形而變形。

5.1 盾構區(qū)間下穿津山普鐵線路模擬分析

土體采用Mohr-Coloumb 模型，采用15 節(jié)點三角形單元模擬，參數(shù)按地勘資料選取。隧道襯砌按彈性模型，采用梁單元模擬，材料參數(shù)按C50 混凝土取用。模型中除自重外，還有地面列車活載，列車活載采用特種活載模式，模擬全斷面開挖土體，開挖完畢后及進拼裝管片。計算結果表明，盾構穿越施工地層損失率為2‰時，盾構隧道未采取措施時地表最大沉降8.7mm；采取洞內二次深孔加強注漿后地表最大沉降3.4mm，小于沉降變形控制值10mm。

5.2 盾構區(qū)間側穿鐵路高架模擬分析

土體采用Mohr-Coloumb 模型，采用15 節(jié)點三角形單元模擬，參數(shù)按地勘資料選取。隧道襯砌及橋梁均按彈性模型，采用梁單元模擬。隧道襯砌材料參數(shù)按C50 混凝土取用，橋梁及其樁基按其混凝土標號選取參數(shù)。計算結果表明，盾構穿越施工地層損失率為2‰時，盾構隧道未采取措施時鐵路橋樁基最大沉降3.2mm，最大水平位移2.5mm；采取洞內二次深孔加強注漿后鐵路橋樁基最大沉降1.6mm，最大水平位移1.5mm。

6 盾構下穿鐵路群關鍵施工技術措施

本工程除了采取設置試驗段、控制推進速度及盾構姿態(tài)、合理設定土倉壓力、嚴格控制出渣量等常規(guī)措施外，筆者認為以下技術是本工程成功的關鍵措施所在。

6.1 克泥效的應用

為有效控制盾構土體損失率，減少對周圍土體擾動，并控制環(huán)境影響，采用克泥效工法。掘進期間同步由盾構機的徑向孔向盾構機的盾體外注入克泥效，及時填充開挖直徑和盾體之間的空隙?？四嘈ё⑷朦c位為1 點鐘位置與11 點鐘位置輪流注入，注入率在120%～130%。并根據(jù)地面同步監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調整注入壓力和注入量[4]。

6.2 A、B 料的應用

當管片脫離盾尾后，為了盡快填充環(huán)形間隙使管片盡早支撐地層，防止地面變形過大而危及周圍環(huán)境安全，該項目在同步注漿時采用AB 料同步砂漿，通過縮短砂漿初凝時間達到脫出盾尾管片快速穩(wěn)定的目的，同時可有效控制管片上浮問題?，F(xiàn)場每環(huán)同步砂漿中加入A、B 料各50kg，砂漿初凝時間由原先的2.5h 左右加快至30～40min 左右，使同步注漿達到最佳效果。

6.3 洞內同步二次注漿技術的應用

為保證鐵路運營安全，在盾構穿越鐵路范圍內，當管片脫出5 環(huán)后及時組織二次注漿，二次注漿是控制地面后期沉降的主要技術措施，二次注漿通過二次注漿泵將水泥漿通過管片上預留的注漿孔注入管片與周圍土體之間。

二次注漿采用單液漿與雙液漿相結合的方式進行，雙液漿漿液配比∶水泥漿水灰比（重量比）為1 ∶1；注入時，漿液與水玻璃體積比為1 ∶1。

注入壓力控制在0.3MPa 以內，二次注漿以地面沉降檢測情況為指導，保證持續(xù)對沉降進行控制，注漿壓力逐步提升，先低后高、平穩(wěn)注入，并遵循“少量多次”的注入原則。

6.4 工后管片深孔注漿技術的應用

為減少盾構掘進過程中對既有鐵路周邊土體影響，以及后期沉降的產生。在隧道盾構掘進完成后，通過管片增設注漿孔進行工后深孔注漿加固處理。

深孔注漿在加固范圍內由中間向兩側對稱注漿，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況多點同時進行，注漿完畢后封閉注漿孔。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，漿液由A 液（水+水泥），B液（水玻璃+水）組成。初凝時間控制在1min 以內，結合監(jiān)測情況確定注漿次數(shù)和注入量。

6.5 全自動監(jiān)測系統(tǒng)信息化施工技術

地表沉降監(jiān)測是盾構信息化施工的重要組成部分，對優(yōu)化盾構施工參數(shù)，保證施工安全具有十分重要的意義。為了及時共享和反饋監(jiān)測成果，提高監(jiān)測信息管理與數(shù)據(jù)分析的效率，該項目采用全自動監(jiān)測系統(tǒng)。達到24h 實時監(jiān)控，并安排專人24h 值守監(jiān)測系統(tǒng)，施工現(xiàn)場可根據(jù)監(jiān)測情況及時進行參數(shù)調整及二次注漿工作的組織。確保了盾構安全、順利穿越鐵路段。

7 結語

該項目盾構穿越鐵路施工于2021年4月15日開始，至4月28日兩臺盾構均安全快速完成涉鐵施工，過程監(jiān)測數(shù)據(jù)完全滿足鐵路運營要求，受到了業(yè)主及鐵路部門的一致好評，取得了良好的經濟效益和社會效益。該區(qū)間最終監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示鐵路路基沉降僅0.65mm，高架結構下沉僅0.33mm，幾乎達到0 沉降。工程風險無處不在，但只要我們采取正確的處理措施，做好充分準備，就可實現(xiàn)預期目標。