张惠春
中铁九局集团第四工程有限公司辽宁沈阳
摘要：近年来，国内许多一二线城市都在修建地铁，个别三线城市也正在或计划修建地铁，地铁隧道修建工艺绝大多数采用盾构法，但随之而来的盾构法需穿越的地层变化、风险源也逐渐增多，个别情况下盾构施工风险较高，稍有控制不当将会产生沉降超限、坍塌、涌水、涌砂等问题。本文结合成都地铁9号线2标锦城大道站～三元站盾构在泥岩地质条件下下穿成昆铁路的施工案例，以沉降控制为根本，重点从地面注浆加固、洞内注浆加固、掘进参数控制等方面入手，对盾构在条件下下穿既有线高速铁路的施工技术做以探讨。
关键词：盾构施工；下穿铁路；地表加固；洞内加固；
1.应用背景
1.1铁路与隧道位置关系
本工程盾构开挖直径为6.98m，隧道拱顶最小埋深为25.93m，距离框架桥底板最小净距为16.978m，左线、右线隧道中心线线间距为15.92m，该段处于全断面中等风化泥岩层中，该类地层岩土质硬，推进扰动较大。隧道与铁路框架相交角度为96°，穿越长度为14.6m（10环），具体位置关系见下图：
图2-1盾构隧道与下穿铁路剖面相对位置及地质剖面图
1.2处理措施
铁路列车在该段运行速度约为120-160km/h，下穿影响段前后20m进行降速，依据铁路局相关规定，进行铁路限速（限速60km/h），但速度仍然较快，为控制轨道的沉降，从以下几个方面采取了措施：
（1）地面注浆加固。对所穿越铁路周围影响范围进行地表注浆加固浆液为水泥水玻璃双液浆。
（2）洞内注浆加固。为防止同步注浆及二次注浆不密实而产生滞后沉降，对洞内管片外1m范围内进行钢花管洞内注浆加固，浆液为水泥水玻璃双液浆。
（3）掘进参数控制。在下穿前设置试验段，总结掘进参数，并结合往年在当地相同地层的掘进参数，制定下穿时的掘进参数，重点控制土压力、出土量、同步注浆量等。
2.工艺方法及施工要点
2.1地面注浆加固
盾构通过铁路前，在地面进行预加固，预加固方式采用钢花管注浆方式，钢花管管径50mm，钢花管下部卵石层位置采用花管，加固范围为27m*18.5m*8m（长*宽*高），钻孔深度为14～21m，钢花管注浆扩散半径为1～2m，孔纵向间距2m，孔横向间距1.5m，钻孔成孔同地面夹角角度为30°～60°，共钻孔148根。注浆采用双液浆，注浆加固主要针对卵石土为主的地层。钢花管注浆在铁路天窗点时间施工，且注浆期间要对铁路进行监测和巡视。
加固范围如下图所示：
图4.1-1下穿成昆铁路地面钢花管加固范围平面图
2.1.1钢花管的制作
注浆钢花管采用φ50无缝冷轧钢管、壁厚4mm，钢管连接采用对口焊接或套管连接。尾部焊接φ6加筋箍，管壁四周钻8mm压浆孔，钢花管尾部50cm处设置止浆环，尾部50cm范围内不设压浆孔；钻孔深度为14～21m，钻孔角度30-60°，钢花管注浆扩散半径为1～2m，孔纵向间距2m，孔横向间距1.5m，可根据现场地质情况进行调整。
2.1.2地面注浆施工工艺
（1）安装钻机
钻机安放时，必须保证其平稳，防止钻进时钻机不均匀下沉、位移、摆动或倾斜而影响钻孔质量。
（2）施工放线
施工台架搭设完成后，测量组根据钻孔平面布置图将施工孔位放好并用红油漆画出。根据已布设好的控制点坐标，计算引孔的坐标位置，使用全站仪放出孔位，用水准仪测量地面高程，确定引孔深度。
（3）钻进成孔
将钻机安放在施钻位置上，调整好高度、钻杆的倾角和方位角，然后将钻机牢固固定，检查各管线和连接件是否正确。将钻头和钻杆对准已作好标记的孔位孔心，慢慢开动钻机，注意钻孔应平直，孔底偏差距离小于钻孔的半径。
（4）安装钢花管
钢管安装时用钻机顶进，顶进钢管时要保证倾角和方位角与钻孔钻杆前进的倾角和方位角一致。最好在钻完一个孔后不要移动钻机，立即将该孔的钢管顶入孔内，安装好导管后，再移开钻机进行下一孔的钻进。
（5）注浆施工
注浆钢花管注浆前必须对钢花管进行封口，封口材料采用掺入速凝剂的水泥砂浆，以提高凝结速度及强度，封口时要预埋一根排气管。第一次注浆采用水泥、水玻璃双液浆，水泥浆、水玻璃浆液配合比为1：1，先用PVC管插入孔底进行孔壁清孔注浆，注浆后需等孔内的残渣水溢出后方可停止注浆。此时观察双液浆的状态、钢管内是否漏浆，如孔内水泥浆下降较快，必须马上补浆，待水泥浆稳定后方可进行第二次注浆。
待第一次注浆稳定后，再对排气孔进行封口，进行第二次钢管孔内的压浆。按照设计要求一般注浆量为6.7m³，如注浆量已超过设计的用量，注浆的压力表还未稳定，或者边坡表面局部出现渗出水泥浆，此时应停止注浆，待水泥浆初凝后再进行压浆。再次压浆后，还出现上述情况，也应停歇注浆，依次循环将水泥浆压满并达到设计压力。当压力达到并稳定一定时间后，将管口的控制阀门关闭，并拆除注浆管。
注浆压力控制在0.2Mpa以内，注浆顺序每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象；全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在10～30min之内；当注浆压力≥0.2Mpa，稳定时间15min，发现地面有上抬的趋势时，立即停止注浆。注浆过程中，如发生窜浆或浆液漏失严重时，立即停止注浆。经过试验效果确定，并在注浆施工过程中根据检测反馈信息进行优化。加固范围剖面图如下图所示：
图4.1-5下穿成昆铁路地面钢花管加固范围纵剖图
2.1.3注浆效果检测
钢花管加固工作全部完成3-5天后，对注浆效果进行检测，沿铁路方向加固区每侧钻孔3个，芯样应完整饱满，岩芯采取率应达到90%以上。
2.2洞内注浆加固
在盾构通过铁路线后，通过增加注浆孔特殊管片及时进行洞内径向注浆，管片径向1m范围，如图4.2-1；洞内注浆采用水泥水玻璃双液浆，水灰比为1：1，注浆压力不大于0.5MPa。具体施工工艺如下：
图4.2-1洞内径向加固示意图
（1）钻孔位置确定
根据设计要求，对特殊地段进行洞内径向钻孔注浆加固。
（2）施工流程
1）开孔
利用隧道特殊管片增设的注浆孔进行开孔，安装单向止水阀（图4.2-3），用堵漏材料对周边进行封堵，钻孔施工采用风洞凿岩机（图4.2-4）。
2）钻孔注浆
①注浆管加工
注浆管加工：注浆管采用Ф42mm、壁厚3.5mm无缝钢管，长2m，根据现场钻孔情况适当调整长度，在距离管底不小于1.2m范围内设泄浆孔（保证大于2m的有效注浆段），孔间距10-15cm、呈梅花型布置4mm的溢浆孔，花管在下管之前将溢浆孔用贴片或者胶布粘贴封孔。
图4.2-3安装单向止水阀图4.2-4风洞凿岩机钻孔
图4.2-5钢花管示意图
②注浆管安装
采用风洞凿岩机在已开孔的位置钻孔，钻至要求深度后，安装注浆花钢管。
2.3掘进参数控制
2.3.1试验段掘进方案
左线下穿铁路之前，根据区间线路情况，针对该段地质条件及埋深设置穿越成昆铁路段参数控制模拟段。（盾构穿越同为泥岩、埋深基本一致）。
在下穿前的模拟段，主要采集的参数包括：土压力、总推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、出土量（含出土重量及出土方量）以及注浆量。模拟段掘进完成后，及时统计分析上述参数数据，为下穿段的掘进提供依据。
2.3.2掘进参数拟定
（1）土压力设定
1）土仓压力理论计算
P=P1＋P2＋P3=γw·h＋K0·[（γ-γw）·h+γ·（H-h）]＋15
P：土仓压力（kPa）；P1：地下水压力（kPa）；
P2：静止土压力（kPa）；P3：预备压力（取15kPa）；
γw：水的容重（10kN/m3）；h：地下水位以下的隧道埋深；
K0：侧向土压力系数，本次施工取0.34（地质勘测报告提供）；
γ：土的容重（22.5kN/m3）设计参数；
H：隧道埋深（算至隧道中心）（16.73m）。
根据上式中，侧向土压力系数K0=0.34，土的容重γ=22.5kN/m3，水的容重γw=10kN/m3。由于盾构在该段穿越中分化泥岩，岩性较好，节理不发育，暂定地下水h=0。：该段土仓压力值设为P=150.5kPa=1.5bar。
（2）推进速度设定
根据施工经验，推进速度宜控制在40mm～60mm/min，保证盾构均衡、匀速、连续推进，减小土体扰动，减少地表沉降。
（3）出土量设定
严格按理论出土量出土，每环出土量偏差不超过1m3。
每环理论出土量：π/4×D²×L×m=3.14/4×6.98²×1.5×1.45=83.18m3
其中：D—盾构外径（m）
L—管片长度（m）
m—渣土改良、水、土体密度不均等的系数，取1.45。
实际出土量按照理论出土量的95%进行控制在79m³，154t。
盾构下穿危险源的掘进参数结合本标段隧道的埋深及地质情况，按照控制欠压、充分注浆、主动防护等原则进行设定。
盾构轴线控制偏离设计轴线不大于±20mm，严禁在下穿时超量纠偏、蛇形摆动。
2.3.3掘进控制
根据模拟段实际施工参数及施工情况，制定下穿成昆铁路施工相关参数，以确保满足沉降在允许范围之内。
（1）严格控制出土量，禁止发生超挖、欠挖等现象。
对出渣量采取双控制管理措施，第一：通过油缸行程管理对渣土的体积统计；第二：通过对出渣的重量称重，统计每环出渣量的总重量，并及时与体积记录相复核，根据每环的行程量及出渣情况统计分析，得出出渣情况超欠挖分析报告。
（2）严格控制同步注浆量和浆液质量，并进行二次注浆。
在管片上增设注浆孔、预埋注浆管，根据地质及掘进情况，选择合适的时机对隧道周边一定范围内的地层进行注浆加固。
通过同步注浆系统及二次注浆系统及时填充盾片后间隙，减少施工中对土体的扰动，从而减小土体变形。二次注浆采用水泥、水玻璃双液浆。
（3）在盾构机正式掘进过铁路之前，对盾构机各个系统进行检修，以确保盾构机在穿越时以最佳状态匀速、连续的掘进，同步注浆量、出渣量、泡沫和油脂的注入量与掘进速度同步。
（4）在下穿段内采用B型多孔配筋管片，满足二次补浆及跟踪注浆的施工条件。
（5）盾构施工过程中，进行系统、全面的监控测量，实行信息化施工。
2.3.4土压力控制
通过对比试验段以前及试验段土压力参数，结合地面监测点每日沉降观测数据，经过综合分析，来确定下穿段最优土压力。
2.3.5渣土改良控制
良好的渣土改良有利于降低扭矩和刀具的磨损，同时也有利于掌子面的稳定。渣土改良采用膨润土和泡沫对土体进行改良。根据以往下穿中风化泥岩地层的经验，结合试验段实际情况来确定渣土改良的最优配比。
2.3.6掘进速度、扭矩、推力试验
盾构施工过程中，掘进参数选择直接关系隧道掘进速度以及开挖面的稳定，根据初步勘察结果，本工程主要穿越中风化泥岩地层时必须选择合适的掘进参数，主要参数包括：土压力、总推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、出土量（含出土重量及出土放量）以及注浆量等。合理选择注浆参数，对控制开挖面变形、防止坍塌、提高掘进速度具有重要作用。
2.3.7施工监测
对地面沉降进行跟踪监测，直至数据稳定，测得监测数据后，要及时进行整理，绘制位移随时间或空间的变化曲线图，实施时，多采用位移—空间曲线，即监测结果随工作面与洞室跨度比值的关系散点图。在取得足够的数据后，还应根据散点图的数据分布状况，选择合适的函数，对监测结果进行回归分析，以预测该测点可能出现的最终位移值。施工监测的分析情况报中国铁路成都局集团有限公司相关部门。
3.结束语
本文详细介绍了在复杂地质条件下盾构下穿铁路既有线施工时所采用的地面注浆加固、洞内注浆加固，掘进参数设置与控制等施工方法，在实际应用中也得到了良好的应用，确保了成都成昆铁路的顺利穿越。在以后类似工程施工过程中，对盾构下穿既有线施工有一定的推广作用。
参考文献：
[1]北京地铁十号线二重管无收缩双液注浆WSS工法施工技术[J].刘百成.铁道建筑技术.2008（03）
[2]下穿铁路隧道WSS无收缩全断面超前加固技术[J].李延华.建筑机械.2017（04）