李曉龍（上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司，上海 200071）

盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群組和高鐵時(shí)，如何保證既有鐵路和高鐵的運(yùn)營安全是施工控制的重點(diǎn)，需采取有效的安全技術(shù)措施以減小盾構(gòu)穿越期間的擾動(dòng)，確保既有鐵路設(shè)備穩(wěn)定。本文以嘉興市域外配水工程盾構(gòu)穿越鐵路群組和高鐵工程為例，通過盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)、變形監(jiān)測(cè)等手段，確定合理的盾構(gòu)施工參數(shù)，研究解決盾構(gòu)長距離、小半徑、大埋深、大坡度穿越鐵路群組和高鐵施工時(shí)地表沉降控制難題，以期對(duì)類似穿越既有鐵路工程的設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支撐和借鑒。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道線路概況

嘉興市域外配水工程起點(diǎn)為杭州仁和節(jié)點(diǎn)，終點(diǎn)為嘉興市各受水水廠。其中涉鐵工程引水線路標(biāo)段主要為D 4-1～D 5～D 6 盾構(gòu)井的供水盾構(gòu)隧道區(qū)間，D 4-1～D 5全長 2957.677 m；D 5～D 6 全長 1900.915 m。線路出D 4-1 盾構(gòu)井后，先后穿越滬昆鐵路上行線、杭州北車輛段、喬司編組站、滬昆鐵路下行線及滬昆高鐵，然后線路以410 m 半徑曲線隨杭浦高速向東北調(diào)整，之后沿著杭浦高速敷設(shè)到達(dá) D 5 盾構(gòu)井。線路出 D 5 盾構(gòu)井后，沿杭浦高速向東北與滬昆高鐵并行敷設(shè)到達(dá) D 6 盾構(gòu)井。

1.2 盾構(gòu)隧道穿越鐵路情況

盾構(gòu)隧道分別穿越普速鐵路和高速鐵路，其中普速鐵路段全長 382.9 m，依次穿越滬昆鐵路上行線 2 股道約25.1 m、杭州北車輛段 17 股道（含道岔）約 170.7 m、喬司編組站出發(fā)場(chǎng)出發(fā)線 11 股道約 76 m、滬昆鐵路下行線 2股道約 18.1 m；穿越滬昆高鐵段（473、474 號(hào)橋墩間）全長 92.4 m。越穿段最小平曲線半徑 300 m，平面夾角為57°～89°，最大坡度為 4.175%，埋深為 25.6～40.0 m。管片襯砌采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)＋左右轉(zhuǎn)彎環(huán)襯砌，管片內(nèi)徑為5500 mm，外徑為 6200 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為1200 mm，左右轉(zhuǎn)彎環(huán)楔形量 49.6 mm。該區(qū)間具有穿越鐵路線路類型及群組眾多、距離長、大埋深、坡度大、小半徑等技術(shù)難點(diǎn)。盾構(gòu)越穿普速鐵路群組和高鐵時(shí)的縱斷面位置如圖 1、圖 2 所示。既有鐵路相關(guān)情況見表1。

圖1 盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群組縱斷面圖

圖2 盾構(gòu)隧道穿越高鐵橫斷面圖

表1 盾構(gòu)穿越既有鐵路群組相關(guān)情況統(tǒng)計(jì)表

1.3 工程地質(zhì)條件

盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路群組的地層包括 ②1 砂質(zhì)粉土、②2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1 粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、④1 粉質(zhì)黏土、④2 粉質(zhì)黏土、⑤1 粉質(zhì)黏土、⑤2 粉質(zhì)黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥2 黏質(zhì)粉土、⑥3 粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)隧道穿越高鐵地段地層主要為 ⑤1 粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)隧道穿越段地質(zhì)縱剖面分別如圖 1 和圖 2 所示。

2 盾構(gòu)穿越鐵路群組及高鐵施工技術(shù)方案

2.1 盾構(gòu)機(jī)選型

本工程采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)，其主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 盾構(gòu)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 盾構(gòu)施工參數(shù)選取

2.2.1 盾構(gòu)施工參數(shù)計(jì)算

盾構(gòu)穿鐵路群組時(shí)覆土深度為 36.16～39.7 m，穿越滬昆高鐵時(shí)覆土深度為 25.6 m。

（1）土倉壓力：土壓力理論值按朗肯經(jīng)典公式計(jì)算如下。

盾構(gòu)正常段掘進(jìn)時(shí)，同步注漿量按理論管片壁后空隙填充量的 150% 控制，即 K=1.5，由上式可得 Q=2.84 m3。盾構(gòu)穿越既有鐵路群和高鐵過程中，同步注漿量按理論管片壁后空隙填充量的 180% 控制，即 K=1.8，由上式可得Q=3.41 m3。

（3）注漿壓力。注漿壓力宜控制在 3～5 Bar，以避免注漿壓力過大造成盾尾密封處漏漿。

（4）出土量 V 計(jì)算如式（3）

表3 盾構(gòu)穿越既有鐵路群組和高鐵時(shí)掘進(jìn)參數(shù)初步控制表

2.2.2 試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降量的關(guān)系

為保證盾構(gòu)施工安全順利穿越鐵路群組，在穿越滬昆鐵路上行線前設(shè)置試驗(yàn)段，長度為 120 m，平均日進(jìn)度11.2 環(huán)/d，通過分析相關(guān)參數(shù)與地表沉降關(guān)系，總結(jié)形成盾構(gòu)穿越鐵路群組施工參數(shù)，指導(dǎo)盾構(gòu)穿越既有鐵路群施工。在穿越滬昆高鐵前設(shè)置試驗(yàn)段，長度為 120 m，平均日進(jìn)度8.3 環(huán)/d，以穿越既有鐵路群的施工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)段施工，地表沉降觀測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求后，可指導(dǎo)盾構(gòu)穿越高鐵施工。試驗(yàn)段盾構(gòu)推進(jìn)速度、出土量與地表最大累計(jì)沉降量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖 3 所示，試驗(yàn)段盾構(gòu)土倉壓力、注漿量及注漿壓力與地表最大累計(jì)沉降量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖 4 所示。

圖3 推進(jìn)速度、出土量與地表最大累計(jì)沉降量關(guān)系

圖4 土倉壓力、注漿壓力及注漿量與地表累計(jì)最大沉降量關(guān)系

（1）推進(jìn)速度、出土量與地表沉降關(guān)系。由圖 3 可知，掘進(jìn)速度在 50～73 mm/min 時(shí)，地表累計(jì)沉降量介于2.39～ -2.08 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn) ＜±10 mm 的控制標(biāo)準(zhǔn)。掘進(jìn)速度在 60 mm/min 時(shí)，地表沉降量介于 0.14～0.65 mm，沉降較小。由此可見，當(dāng)穿越鐵路群組過程中，須適當(dāng)降速，以達(dá)到“慢推快過”的要求，推進(jìn)速度控制在 30～50 mm/min為宜。出土量為 37.7～38.2 m3/環(huán)，控制在理論值 38.1m3/環(huán)上下變化，相應(yīng)的地表累計(jì)沉降量均在 2.5 mm 以內(nèi)。

（2）土倉壓力、注漿壓力、注漿量與地表沉降關(guān)系。由圖 4 可知，土倉土壓力控制在 2.7～3.2 Bar，與理論計(jì)算值 2.73～3.09 Bar 基本相符，地表累計(jì)沉降量介于2.39～-2.08 mm，地表沉降情況控制良好。故穿越鐵既有路群組時(shí)可按 2.9～3.2 Bar 進(jìn)行控制。注漿壓力在 8 Bar上下擺動(dòng)，最小值約為 5 Bar，最大值約為 11 Bar；地表累計(jì)沉降量介于 2.39～-2.08 mm。由于縱斷面處于大坡度（2.66% 下坡），注漿困難，增大注漿壓力才能保證同步注漿，但是當(dāng)注漿壓力過大（≥8 Bar）時(shí)，易導(dǎo)致盾尾刷被擊穿、地層失穩(wěn)等情況。綜合考慮，穿越既有鐵路群組過程中，保證同步注漿壓力為 5～8 Bar，如遇注漿困難情況，可采用少量多次方式進(jìn)行同步注漿，以保證地層穩(wěn)定，從而控制地表沉降，并根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)和監(jiān)測(cè)情況作適當(dāng)調(diào)整。同步注漿量在 3 m3上下擺動(dòng)，最小值約為 2.7 m3，最大值約為 3.4 m3；相應(yīng)的地表累計(jì)沉降量和隆起量分別介于0.82～2.08 mm 和 0.11～2.39 mm，當(dāng)同步注漿量控制在范圍時(shí)，大部分地表累計(jì)沉降量和隆起量在 ±1 mm 以內(nèi)，地表沉降控制情況良好。

在盾構(gòu)施工參數(shù)初步控制值的基礎(chǔ)之上，根據(jù)試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)與地表沉降數(shù)據(jù)綜合分析，得出盾構(gòu)穿越鐵路群組施工參數(shù)為：推進(jìn)速度，30～50 mm/min；土倉壓力2.8～3.1 Bar；注漿壓力 5～8 Bar；注漿量 3～3.4 m3；出土量 37.7～38.2 m3。

2.3 克泥效工法

克泥效工法是將高濃度的泥水材料與塑強(qiáng)調(diào)整劑（水玻璃）兩種液體以一定比例混合后，瞬間形成為高黏度、不會(huì)硬化的可塑性黏土。通過專業(yè)的變頻器設(shè)備向盾體與地層的空隙注入特殊的高強(qiáng)度塑性材料克泥效，該材料具有永不凝固和有一定承載能力的特性，克泥效工法不會(huì)因材料凝固而卡住盾體，還能有效填充掘進(jìn)產(chǎn)生的空隙，起到支撐上方土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在盾構(gòu)機(jī)中盾上方十五點(diǎn)和一點(diǎn)鐘方向一邊掘進(jìn)一邊交替注入填充空隙。

盾構(gòu)穿越既有鐵路群組和高鐵時(shí)均在同步注漿前采用克泥效工法，通過前盾上帶閥門的預(yù)留注漿孔注入克泥效漿液，但是克泥效工法采用的 A、B 液配比有所不同。盾構(gòu)穿越既有鐵路群地段時(shí)，A液為特殊膨潤土液，配合比為：膨潤土∶水=2∶11；B液為水玻璃原液；A 液∶B 液=20∶1（體積比）。盾構(gòu)穿越高鐵地段時(shí)，A 液為特殊膨潤土液，配合比為：膨潤土∶水=400∶825；B 液為水玻璃和水的混合液，比例為：水玻璃∶水=1∶1（體積比）；A 液∶B 液=12∶1（體積比）?？四嘈{液注入壓力設(shè)定為 0.3 MPa，每環(huán)理論注入量可按下式計(jì)算：

α—填充系數(shù)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件與克泥效漿液配比而定，這里既有鐵路群地段取 1.2，高鐵地段取 4。

將 D1=6.36 m，D2=6.34 m 代入上式，可得既有鐵路群地段 v=0.24 m3；高鐵地段 v=0.8 m3。實(shí)際注入量和注入壓力可以根據(jù)不同的地質(zhì)情況，結(jié)合地面沉降監(jiān)測(cè)適當(dāng)調(diào)整。

2.4 盾構(gòu)穿越鐵路群組的施工技術(shù)保護(hù)措施

（1）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組和高鐵時(shí)均采用克泥效工法，在既有鐵路群組路基段，注入量為 0.24 m3；高鐵地段，注入量為 0.80 m3；注入壓力均為 0.3 MPa，以對(duì)穿越過程中造成的空隙進(jìn)行及時(shí)填充，并快速凝固，控制盾構(gòu)機(jī)開挖及通過過程中的土體下陷?？四嘈Чしǚ秶c管片增開注漿孔范圍一致。

（2）在隧道管片上增設(shè)注漿孔（增設(shè) 10 個(gè)/環(huán)），二次注漿加固且范圍為管片外 2 m，施做整環(huán)、縱縫嵌縫，抑制盾構(gòu)通過后沉降對(duì)鐵路運(yùn)營的影響。盾殼脫離管片 4～5環(huán)，及時(shí)打開注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，進(jìn)一步抑制既有建構(gòu)筑物變形。

（3）盾構(gòu)穿越滬昆高鐵之前，在穿越范圍施工隔離樁及冠梁支撐進(jìn)行防護(hù)。隔離樁直徑為 1 m，間距為 1.2 m，頂部由混凝土冠梁連接，并設(shè)置混凝土支撐。

（4）盾構(gòu)在既有鐵路線路中心 30 m 范圍內(nèi)掘進(jìn)時(shí)，普速鐵路限速 60 km/h 通過，高鐵限速 200 km/h通過，加強(qiáng)巡道養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3 盾構(gòu)穿越期既有鐵路群組和高鐵變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 變形控制標(biāo)準(zhǔn)及報(bào)警值設(shè)置

依據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，穿越既有鐵路群和高鐵地段的施工變形控制值為：既有鐵路群路基水平位移、豎向位移變化速率 ≤±2 mm/d，累計(jì)變化量 ≤±10 mm；高鐵水平位移、豎向位移變化速率 ≤±1.0 mm/d，累計(jì)變化量 ≤±2 mm。

3.2 施工變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

（1）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組階段，路基水平位移基本為零，路基累計(jì)最大沉降量在 -3.5～3.3 mm 之間變化，滿足 10 mm 沉降變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

（2）盾構(gòu)穿越高鐵時(shí)，高鐵橋墩的單天最大位移速率為±0.4 mm/d，累計(jì)最大位移量為 -0.3 mm 和 -0.5 mm，滿足高鐵橋墩位移量控制要求。

4 結(jié) 語

對(duì)盾構(gòu)穿越既有鐵路群組和高鐵施工技術(shù)進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論。

（1）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組可通過增加隧道埋深、加強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用克泥效工法等措施，不再對(duì)既有鐵路群組進(jìn)行預(yù)加固來減小對(duì)路基加固和盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有鐵路運(yùn)營的影響。盾構(gòu)穿越高鐵橋時(shí)提前設(shè)置隔離樁及冠梁支撐防護(hù)以減小對(duì)高鐵的影響。

（2）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組前應(yīng)選擇合適的試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)段盾構(gòu)施工參數(shù)及地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，為盾構(gòu)穿越既有鐵路群組提供了合理的推進(jìn)速度、土倉壓力、注漿壓力、注漿量和出土量等施工參數(shù)控制指標(biāo)。

（3）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組前，在同步注漿前通過前盾上帶閥門的預(yù)留注漿孔注入克泥效漿液，以減少盾構(gòu)同步注漿的漿液滲透到土層中，使同步注漿能達(dá)到更好的填充作用。克泥效注入壓力設(shè)定為 0.3 MPa，既有鐵路群組路基段，克泥效注入量為 0.24 m3；高鐵地段，克泥效注入量為 0.80 m3。注入壓力和注入量結(jié)合地面沉降監(jiān)測(cè)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（4）盾構(gòu)穿越既有鐵路群組期間，推進(jìn)速度控制在8～12 環(huán)/d，列車限速 60 km/h；盾構(gòu)穿越高鐵期間，推進(jìn)速度控制在 7～8 環(huán)/d，列車限速 200 km/h。