下穿火车站地铁盾构施工技术

刘 斌

（中铁十八局集团市政工程有限公司 天津市 300222）

1 工程概况

盾构区间位于呼和浩特市城市轨道交通2号线呼和浩特站～公主府站区间，施工区间需下穿火车站，左线里程545.610m，右线里程549.152m，主体结构为由管片错缝拼装而成的环形结构。

1.1 地形地貌

盾构区间从火车站前广场穿越火车站、火车股道、车站后街、道北二小区、道北三小区、胜利街至鑫和银座，地形较平缓，地面高程介于1060.567～1062.109m，地貌单元属山前冲洪积倾斜平原。

1.2 地层条件

盾构区间沿线穿越的地层主要以细砾、中砂、粉质黏土为主，局部穿过粉砂层。区间在下穿铁路股道地铁区段主要穿越中砂、细砂、粉砂、粉质黏土层。

1.3 水文地质

水位在左线盾构区间顶面以上8.352m，在右线盾构区间顶面以上8.718m。地下水属潜水类型，钻孔内量测的稳定水位埋深7.4～9.4m，相应标高1052.111～1054.009m，高差1.898m，水位年变幅1.5～3.0m。各含水层多为强透水层，下部的隔水层多不连续且不完整，地下水相互渗透。

本文以盾构下穿火车段为工程背景，重点对洞门加固、盾构施工控制参数、管片安装和施工过程沉降监测进行介绍，以期为同类工程施工提供参考。

2 洞门加固措施

为确保施工正常进行，洞门需进行加固[1～3]，本文采用洞门注浆法进行加固。洞门注浆采用梅花形布置，孔间距0.6m、深12m，注浆角度与洞门成90°。总体注浆顺序遵从先环向、后中间、由下至上、由边向中的原则。注浆材料采用双桨液，即水泥（A 液）和水玻璃（B 液），A 液采用PO42.5号硅酸盐水泥，B 液模数为2.4～3.4，波美度为30～40Be。其中A 液水灰比为1：1，B 液水玻璃与水按1：2 进行配置，双液浆A 与B 体积比为1：1。根据现场钻探结果，端头位置所处的地层主要为砾砂、粉质黏土，同时考虑到注浆管压力损失，注浆压力控制在1.0～1.5MPa。

3 盾构下穿施工参数控制

本工程全程采用平衡推进法进行掘进。在施工正式开始前，选取100m 试验段进行试验，以校核是否有施工参数存在异常的状况，达到有效保证盾构前进速度、推力、扭矩等整体平衡的效果。此外，在前进过程中，实时根据监测数据进行参数调整，保证各施工参数的合理设定，避免因地层条件变化而导致的平衡模式被破坏，影响施工进度的后果。

3.1 土压参数控制

为确定土压参数，应首先对盾构机竖向承担的土压力进行计算，计算公式见式（1）：

式中：P为盾构机竖向土压力；λ为土的侧压力系数，根据勘察报告取0.43；γ为土的容重，考虑地层含水率，取24kN/m³；D为盾构机外径，取6.41m；H为盾构机的覆土深度，取17.24m。

由式(1)可以算出，P=0.43×24×（17.24+6.41/2）=2.1 bar。据此可以确定，在盾构穿越掘进过程中，平均土压力控制在2.1bar 左右，并根据地面监测报表反馈的信息及时进行土仓压力P值调整。

3.2 推进速度控制

根据平衡掘进原则，掘进速度的控制是以保证施工平顺为目的。当掘进速度过快时，容易导致土仓压力不稳，引发掌子面失稳。而当掘进速度过慢时，又容易导致盾构对地层的极大扰动，且不利于出渣量的控制。因此，掘进速度应选取适当值以保证土仓压力和出土的平衡。本工程段经试验后发现盾构掘进速度以15～30mm/min 最佳。

3.3 刀盘转速和扭矩控制

刀盘转速既应考虑掘进速度，也应考虑管片刚度，防止过大转速导致管片变形，从而引发隧道轴向发生偏差的状况。此外，过小的转速会导致盾构机回转角速度变化快，从而导致盾构姿态控制不稳，促使管片损耗。因此根据实际试验及相关经验，刀盘转速设定为0.8～1.6 rpm。

而关于刀盘扭矩，需根据不同的地层情况进行不同的设定。本工程下穿火车站（盾构左线及盾构右线DK14+869.729～DK14+971.846 段）过程中遇到以砂层为主以及含少量粉质黏土的地层条件时，控制刀盘扭矩为1800～2000kN·m，总推力为18000～19000kN；遇到以粉质黏土层为主以及含少量中砂的地层条件时（盾构右线DK14+791.659～DK14+869.729 段），刀盘扭矩控制在1100～1200kN· m，总推力控制在12000～15000kN。

3.4 掘进方向控制

掘进方向的控制属于精细控制。在盾构机行进过程中，应通过合理调整各分区千斤顶的压力、铰接油缸压力及刀盘转向来调整盾构机的姿态等方式严格控制其掘进方向，保证轴线纠偏幅度控制在±5cm 以内，倾角偏差控制在±3mm 以内，避免大幅度纠偏动作。

3.5 出土量控制

盾构用于城市地下隧道修建时，出土量是控制地表沉降、减小地表变形的重要参数[4～5]。本工程采用螺旋输送机保证进土量和出土量的相互匹配，从而使得盾构开挖面处于稳定状态。但是由于地质条件的差异性，在施工过程中需要对出土量进行调整，其理论计算如式（2）所示。在盾构行进过程中，由于地层条件和土体参数变化，致使松散系数不同，因此在盾构开挖过程中，需要根据实际情况实时调整螺旋输送机的转速来控制出土量。出土量过大，会导致盾构开挖面地层损失过大而坍塌或者引起地表沉降过大；出土量过小，则会使土舱内压力迅速增大，导致开挖面上方地表隆起。

本工程在施工中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：

式中：D为刀盘直径，L为管片宽度，S为松散系数，根据土层情况查表确定。经计算可以得出其理论控制出土量为V=3.14×(6.44/2)2×1.5×1.20=58.60m3／环。

采用土压平衡模式掘进时，实际出土量控制出土量在理论的98%～100%之间，以维持土压力平衡，保证盾构正面土体的稳定。

3.6 同步注浆参数控制

盾构行进时，需严格控制

盾尾同步注浆量和浆液质量是盾构行进过程中应严格控制的问题。当盾构向前掘进、盾尾形成空隙时，利用同步注浆系统及盾尾的内置注浆管实现同步注浆。浆液采用水泥砂浆掺粉煤灰，同时应保证浆液泌水率＜3%，1 天强度≥0.2MPa，28 天强度≥3.0MPa，并确保在列车振动和地震作用下不发生液化。浆液倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）低于5%，固结收缩率低于5%，初凝时间不大于6h。对于特殊段浆液配合比，经试验合格后使用，具体配合比见表1。

表1 特殊段浆液配合比表

为保证地层稳定，同步注浆时要求浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和。通常同步注浆压力一般为1.1～1.2 倍的静止土压力，因此注浆压力须控制在0.2MPa～0.3MPa。

此外，对于同步注浆量，理论上是充填盾尾建筑空隙，并考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质情况有关）及注浆材料固结收缩等因素。盾尾同步注浆量应为理论注浆量的200%～250%。为同时要求同步注浆速度必须与盾构推进速度一致，如果发现注浆量不够，要及时进行补注浆。每环同步注浆量如式（3）：

式中：1D为刀盘直径；2D为管片外径；L为管片宽度；a为注浆率，根据土层情况，选用2.0～2.5。经计算，本工程注浆量宜为7.1 m3～8.9 m3，盾尾通过后地面沉降在±3mm 内。盾构通过铁路线期间，要进行24h 实时监测和数据反馈，及时调整注浆量。同步注浆尽可能保证均匀、连续压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

3.7 二次注浆参数控制

二次压浆在管片出盾尾5 环后进行，为全断面注浆。施工中对压浆位置、压入量、压力值做详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整。二次浆液同样采用水泥砂浆掺粉煤灰，浆液要求泌水率＜3%，1 天强度≥0.2MPa，28 天强度≥1.0MPa，初凝时间正常情况下不大于10h，特殊情况下可根据地层条件和掘进速度调整。

二次注浆顺序一般从隧道的两腰开始，应先压注可能存在较大空隙的一侧，注完顶部再注底部，注浆完毕后封闭注浆孔，二次注浆压力不大于0.5 MPa。注浆量按每环同步注浆量的10～20%控制，并根据地质情况及注浆记录情况，分析注浆效果，结合监测情况确定。

3.8 管片拼装控制

本工程盾构衬砌管片为装配式钢筋砼管片，强度等级C50，抗渗等级P12，管片拼装采用错缝拼装方式。衬砌管片圆环构造如表2 所示。管片选型以满足隧道线型为前提，重点考虑管片安装后盾尾间隙要满足下一循环掘进限值，确保有合适的盾尾间隙，以防盾尾接触并挤压管片，造成管片破损。管片安装必须从隧道底部开始，先安装标准块然后依次安装相邻块，最后安装封顶块。封顶块安装前，应对止水条进行润滑处理，安装时先径向插入2/3，调整位置后缓慢纵向顶推插入。管片安装到位后，应及时伸出相应位置的推进油缸顶紧管片，其顶推力应大于稳定管片所需力，然后方可移开管片安装机。管片安装完后应及时进行连接螺栓紧固，并在管片脱离盾尾后要对管片连接螺栓进行二次紧固，以达到严格管片拼装控制的目的。

表2 衬砌圆环构造参数

4 路基沉降监控

盾构施工期间需在呼和浩特站铁路股道间盾构下穿影响范围内（下穿盾构左右线与相应线路交叉中心点沿铁路大、小里程侧各延伸40m）的路基位置布设自动化监测设备，在1 道与3 道、2 道与4道、9 道与11 道、5 道与7 道、6 道与8 道、10 道与12 道间共布置6 条测线，每条测线选取11 个测点，在各测线监测范围外大里程侧20m 处各设置1 个自动化监测基点，各测线根据现场安装条件进行布置，保持测线内液路高度一致，监测频率：施工关键期自动采集频率每小时1 次，一般施工状态每2小时采集1 次；施工前连续采集初始值，直到变形趋于稳定。

图1 表示盾构下穿过程中每个测点的最大路基沉降量与测点编号的关系。在所有测点中，测试时间内最大的沉降变化量是1.168mm，远低于10mm 的目标控制值，表明采取的盾构下穿施工控制技术取得了良好效果。

图1 路基测点最大沉降监测结果

5 结语

本文以实际工程为背景，对盾构下穿火车站中的施工参数控制方法进行了详细的说明，经实践检验取得了良好的成效，使得盾构机在复杂土层中顺利推进，避免了因施工控制不当而产生的土层变形、沉陷等安全事故风险，可为类似工程提供实际经验。