盾构下穿运营高铁隧道风险控制措施研究＊

张舵，周吉涛，费瑞振

盾构下穿运营高铁隧道风险控制措施研究＊

张舵，周吉涛，费瑞振

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300251）

盾构下穿施工会对上方高铁隧道造成一定影响，如不均匀沉降、结构内力增加等，存在威胁高铁安全运营及隧道结构产生裂损等风险。基于中国首例盾构下穿运营高铁隧道工程，在深入研究盾构施工控制技术的基础上，对盾构下穿运营高铁隧道风险控制措施进行了探讨，提出了主要技术控制措施和盾构施工控制措施，保障了盾构下穿运营高铁隧道的顺利实施。

盾构；下穿；高铁隧道；风险控制

1 工程概况

京广高速铁路武汉至广州段于2009-12-26开通运营，设计速度350 km/h。浏阳河隧道内铺设无砟轨道，采用CRTS-I型双块式整体道床，扣件采用300-1型。浏阳河隧道宽 14.9 m，高12.78 m，采用C35防水钢筋混凝土衬砌，拱部厚度0.8 m，仰拱厚度0.9 m。

长沙市轨道交通3号线的湘龙站至星沙站区间，沿开元西路向东掘进在右DK34+856处下穿京广高铁浏阳河隧道（国铁里程K1566+828），地铁区间线间距20 m，相交位置位于京珠高速与开元西路交口西侧、星沙湘绣城南侧。地铁区间采用盾构法施工，内径5.4 m，外径6.0 m，衬砌采用0.3 m厚C50钢筋混凝土。盾构区间与浏阳河隧道的竖向间距约11.9 m，下穿地层为中风化泥质粉砂岩及砾岩，地下水主要为基岩裂隙水，稳定地下水位埋深1.80～7.40 m。

湘龙站至星沙站区间采用土压平衡盾构直接下穿京广高铁浏阳河隧道，为中国首例，且无洞外工程保护措施，具有极大施工风险。

2 主要技术控制措施

为进一步保证盾构下穿京广高铁浏阳河隧道期间的安全，拟采取以下技术措施：①设计施工方案。通过铁路部门的审查，并获批准后方可实施；同时选用征得铁路部门认可的专门监测单位对施工整个过程进行全程监控；为确保盾构施工不影响铁路运行安全，与铁路部门签订安全监护协议。②优化盾构机刀具配置、技术参数，确保用于本区间施工的盾构机技术性能优异，满足要求。③盾构下穿浏阳河隧道期间，高铁采取限速措施。④正式下穿前，在同类地质条件下设置盾构掘进试验段，模拟盾构下穿铁路掘进，调整掘进参数，保证正式下穿掘进时土体深层位移和地表位移控制在铁路隧道变形允许范围内。⑤利用中间风井对盾构机进行刀具更换和设备检查，确保盾构机处于最优的工作状态通过铁路隧道。⑥在盾构穿越施工过程中加强掘进参数控制，严格控制与切口土压力有关的施工参数，保持土压力平衡；均衡匀速、连续性施工、杜绝盾构机停滞，尽量不纠偏直接通过；缩短拼装时间和盾构机停推时间；做好土体改良，增加渣土和易性；把控制地面沉降主要手段的同步注浆和二次注浆作为盾构施工管理的重点，确保注浆及时、注浆量充足。⑦做好监控量测，成立联合工作小组，建立安全风险分析平台，保证数据实时采集、及时分析，根据监测数据及时调整盾构施工参数，保持监测与盾构机控制的实时联动。⑧盾构通过后，对两侧管片注浆形成环箍，减少盾构施工的后期沉降。⑨下穿京广高铁浏阳河隧道地段，管片配筋进行加强，同时管片增设注浆孔，每环管片设16注浆孔。在管片脱出盾尾5～8环后，通过管片上预留的注浆孔对地层进行钢花管加强注浆。⑩根据监测结果，在天窗期采用调整轨道扣件的办法及时调整轨道高程，以满足铁路线路的标准。

3 盾构施工控制措施

根据盾构施工过程对国铁隧道影响的不同，主要分为盾构穿越前、盾构穿越中、盾构穿越后阶段。

3.1 盾构穿越前准备工作

盾构机穿越铁路隧道前主要进行以下准备工作。

3.1.1 施工参数优化

在盾构穿越铁路之前的施工过程中，应当及时总结出盾构所穿越土层的地质条件，掌握这种地质条件下土压平衡盾构推进施工的方法，掌握盾构推进施工参数和同步压浆量，并且通过实践不断地对其进行优化。

对类似地层进行土层深层沉降变形监测，监测深度应与国铁隧道接近。在此阶段监测数据最能够准确反映盾构推进的各项参数，组织测量人员在推进期间24 h值班监测，每环监测2次，开始推进时测1次，推进结束时测1次。

3.1.2 机械设备检查及维护

在盾构机进入铁路隧道前，在区间风井内对盾构机及后配套设备进行一次全面、细致的检修，根据刀具磨损情况，提前更换刀具。对存在故障隐患的部位及时排除。特别是对注浆管路进行彻底的清洗疏通，避免输送管在盾构下穿铁路时堵塞，导致浆液供应中断，从而造成盾构机停机，同时对盾尾密封系统进行检测，确保下穿铁路时不发生漏浆现象从而保证注浆量。

检修前制订详细的设备检修计划，并安排经验丰富的机修人员对设备进行彻底的检修。对于液压油封、高压油管、继电器等易损件，要准备备件，以备损坏时能够及时更换，确保不因设备故障导致施工中断。

3.1.3 与铁路部门协调

在穿越施工前，与该段铁路主管部门取得联系，建立相应的协作机制；在隧道变形和轨道沉降超标时，能够及时通知铁路管理部门，并配合采取相应措施。

3.2 盾构推进施工控制重点

根据工程经验，盾构应匀速、连续下穿浏阳河隧道，在下穿过程中采取以下控制措施。

3.2.1 加强监测，信息化施工

施工前所得的初始数据为3次观测平均值，以保证原始数据的准确性。穿越过程中根据实际需要可以进行24 h不间断的跟踪监测，并实时反馈到盾构班组，用以指导盾构施工参数的设定，然后通过地面变形量的监测进行效果检验，从而反复循环、验证、完善，保证施工过程中铁路及其他构筑物的安全。

待盾构穿越后，变形趋于稳定时，逐渐减少监测次数，并恢复正常监测，待变形稳定后方可停止监测。

3.2.2 严格控制切口土压力等施工参数

在盾构穿越过程中必须严格控制切口平衡土压力，具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行不断的调整。必须严格控制与切口压力有关的施工参数，如推进速度、扭矩、总推力、出土量等，尽量减少平衡压力的波动。出土量控制在95%左右，施工过程中可根据实际情况适当调整。

参考长沙类似地层数据，取0=0.2，g取22.5 kN/m3，深度取26～32 m，计算出土压理论值0.12～0.15 MPa；控制盾构机扭矩在1 000～2 000 kN·m，做好土体改良剂的注入，控制出土量，防止盾构机扭矩的过大波动。

3.2.3 推进速度及纠偏

根据以往施工经验，推进速度不宜过快（难以保证同步浆液的注入量和盾尾密封油脂的饱满压入）也不宜过慢（增加对盾构周边土体的扰动，增大沉降）。推进速度宜控制在20～30 mm/min。在此推进速度下保证盾构均衡匀速推进、连续性施工，杜绝盾构停滞，以减少盾构对土体的扰动，减少地表沉降。

在穿越铁路隧道施工时必须预先控制好盾构的姿态，控制和掌握盾构单次纠偏的幅度，使纠偏尽量均匀且稳定，以减少纠偏对周围土体造成的影响。在该地段尽量不进行纠偏，直接通过。

3.2.4 管片拼装

在管片拼装过程中，安排最熟练的拼装工进行拼装，缩短拼装的时间、盾构停推的时间，减少土体沉降。

拼装过程中发现前方土压力下降，可以采用螺旋机反转的手段，即将螺旋机机内的土体反填到盾构机前方，起到维持土压力的作用。拼装结束之后，应当尽可能快地恢复推进，减少土体沉降。

3.2.5 改良土体

如果盾构掘进力矩过大，出土困难，可利用位于刀盘上的加泥孔，向前方土体加膨润土或泡沫剂等改良土体，改善渣土的流塑性和减少排土扭矩。土体流塑性增加之后的作用：使盾构机前方土压计反映的土压数值更加准确；确保螺旋机出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压；及时填充刀盘旋转之后形成的建筑空当，对控制盾构机前方土体压力及地面沉降有利。根据长沙类似工程经验，改良剂一般采用泡沫剂，每环管片用量30～40 L。

3.2.6 同步注浆

根据长沙类似地层工程经验，同步注浆采用水泥砂浆，水泥用量120～150 kg/m3。注浆量取环间空隙理论体积的1.3～2.0倍，每环管片（1.5 m）注浆量5～8 m3。注浆压力0.2～0.5 MPa，一般控制在0.3～0.4 MPa。固结体强度1 d不小于0.2 MPa，28 d不小于2.5 MPa。浆液结石率>95%，即固结收缩率<5%，可采用补偿收缩砂浆。浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

3.2.7 二次注浆

在管片脱出盾尾5～8环后，对管片的建筑空隙进行二次注浆。根据长沙类似工程经验，二次注浆一般采用水泥浆，若地下水丰富、水压力较大，也可采用水泥水玻璃双液浆。二次注浆时根据监测数据及时进行分析并调整注浆参数及注浆量，注浆压力控制在0.4～0.8 MPa之间。每环注浆量约0.5～1 m3。二次注浆范围在铁路隧道前后各30环。如果隧道变形和沉降变化量大的，可以根据实际情况在隧道内进行跟踪注浆。

3.2.8 防止土压平衡盾构正面平衡压力的过量波动

当土体很软，排土很快影响正面压力的建立时，适当关小螺旋机的闸门，保证平衡土压力的建立；管片拼装作业，要正确伸、缩千斤顶，严格控制油压和伸出千斤顶的数量，确保拼装时盾构不后退；正确设定平衡土压力值以及控制系统的参数；加强设备维修保养，保证设备完好率，确保千斤顶没有内泄漏现象；向切削面注入泡沫、水或膨润土泥浆，改善切削土体的塑流性能，提高螺旋机的排土能力，稳定正面土压；维修好设备，减少液压系统的泄漏；对控制系统的参数重新进行设定，满足使用要求。

3.2.9 防止盾构机结泥饼施工措施

应避免采取停机后人工清理泥饼方式，施工中拟采取的主要技术措施为：把刀盘上的部分刀具换成齿刀，增加刀盘的开口度；加强盾构掘进时的地质预测和泥土管理，密切注意开挖面的地质情况和刀盘的工作状态；刀盘前部中心部位布置有数个泡沫注入孔，在这种地层掘进时可以适量增加泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例，减小碴土的黏附性，降低泥饼产生的概率；一旦产生泥饼，及时采取对策，采用防结泥冲刷系统进行冲刷，必要时采用人工处理的方式清除泥饼；必要时螺旋输送机内也要加入泡沫，提升碴土的流动性，利于碴土的排出。

3.3 盾构穿越后控制措施

盾构穿越铁路隧道后，采取以下主要措施。

3.3.1 形成环箍

在盾尾脱离铁路隧道之后，在两侧的位置通过管片注浆孔进行浆液的压注，使其在管片背后形成两道环箍，有效地防止土体向两侧发生位移，减少盾构施工的后期沉降，采用双液浆。

3.3.2 钢花管注浆

下穿京广高铁浏阳河隧道地段，管片配筋进行加强，同时管片增设注浆孔，每环管片设16注浆孔。预留注浆孔范围为：左DK34+796.476～左DK34+916.476，右DK34+ 795.912～DK34+915.912。

钢花管深孔注浆加固采用超细水泥浆或超细水泥浆-水玻璃双液浆，注浆时应遵循“多点、低压、多次”注浆原则，降低注浆压力影响；注浆压力为0.2～0.5 MPa，提前进行注浆实验，但需控制铁路隧道不得隆起，在管片出盾尾5～8环后即可进行。注浆结束后，拆除注浆头，用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵，带上螺堵。

4 结论

基于上述盾构下穿运营高铁隧道风险控制措施，2018-12—2019-04长沙地铁3号线盾构成功下穿京广高铁浏阳河隧道，验证了本文研究得出的主要技术控制措施和盾构施工控制措施具有科学性及适用性，可以用于指导现场施工，为后续类似工程提供经验参考。

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U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.067

2095－6835（2019）24－0148－03

张舵（1983—），男，高级工程师，从事隧道及地下工程研究。

中国铁路设计集团有限公司科技开发课题（编号：721239）

〔编辑：张思楠〕