砂卵石地层盾构小角度下穿铁路施工技术研究

赵卫星

（中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司 四川成都 610040）

1 引言

随着我国轨道交通建设飞速发展和交通网络的逐渐完善，盾构下穿既有线路的情况越来越多。为降低盾构施工对既有线路的扰动，避免危及既有线路行车安全，有必要采取一定的工程防护措施。目前众多学者通过数值模拟［1－3］或工程类比［4－6］等方法对盾构下穿铁路安全施工技术进行了研究，但多为盾构正穿或大角度下穿，而当盾构小角度下穿时，下穿距离增长、扰动范围变大，且砂卵石地层力学性质不稳定，沉降难以控制。因此有必要对下穿过程中各线路的沉降规律以及控制技术进行研究。

2 工程概况

成都地铁6号线侯家桥－兴盛区间左线隧道长1 582.770 m，右线隧道长1 581.119 m，最小曲线半径400 m，最大坡度28‰，覆土厚度9～20.58 m。盾构在区间内依次下穿西环新增二线路基段、成灌高铁引桥段、西环线路基段，如图1所示。

图1 区间铁路线平面

四条铁路线均为碎石道床，设计行车速度120 km／h，线路与铁路线平面交角为25°～30°。下穿段隧道距路基顶面最小净距为20.9 m。隧道埋深范围内主要为素填土，松散、稍密、中密以及密实卵石层，绝大部分洞身位于中密卵石和密实卵石层。

3 下穿段地表沉降规律理论分析及数值模拟

3.1 理论分析

盾构推进时，刀盘面板会挤压土体并产生接触应力，魏纲［7］等人利用弹性力学的Mindlin解推导出刀盘正面附加推力引起的地表变形w1为：

式中：x为隧道轴向上离开开挖面水平距离（m）；P为刀盘产生的附加推力（kPa）；G为土的剪切弹性模量（MPa）；D 为盾构直径（m）；h为隧道埋深（m）；v为土体泊松比。

W1由下式计算：

式中：y为隧道横断面距轴线的距离（m）。

盾构推进时，盾壳与洞壁间会产生摩擦，这部分摩擦力引起的地表变形w2为：

式中：L为盾构主机长度（m）；R为盾壳半径（m）；p为土体与盾壳间单位面积上的摩擦力（kPa）。

W2由下式进行计算：

式中：η为土体损失率，砂卵石地层取0.4% ～0.6%［9］。

刀盘转动过程中的摩擦力也会造成地表变形，根据文献［10］，刀盘正面摩擦和侧面摩擦对地表沉降的影响值较小，因此忽略其影响，则盾构掘进过程中的总变形值w为：

假设此刻刀盘位于隧道轴线与既有线交点正下方，将侯－兴区间地勘资料及盾构设备参数代入式（1）～式（6）得到不同线路夹角下既有线方向上100 m范围内变形曲线，如图2所示。由图2可知：随着线路夹角减小，既有线沉降槽宽度和最大沉降值均增大。当夹角为30°时，既有线受扰动范围在70 m左右，故施工过程中需要重点对该范围内路基进行加固和监测。

图2 既有线变形曲线

唐晓武［8］假定地层损失沿隧道轴向均匀分布，并对Sagaseta镜像法公式进行修正，得到盾尾间隙造成的地表沉降w3为：

3.2 数值模拟

根据下穿段地质情况及既有线结构和分布建立三维数值仿真模型，为研究下穿过程中地表和各条线路变形规律，选取24个监测点，其分布如图3所示。

图3 监测点位置

（1）地表预加固前仿真结果

隧道贯通后，左右线中心位置地表沉降变化规律如图4所示。

图4 隧道轴线沉降曲线

由图4可知：各曲线变化规律一致，即盾构下穿铁路基床前，地表沉降变化不大；当盾构进入下穿区域时，由于地表铁路基床的存在，地表载荷以及结构物性质发生变化，导致沉降值急剧增大。沉降最大值位于隧道间中心线与成灌高铁中心线交点处。西环上下行线、成灌高铁对地表沉降影响范围为轴向±60 m。

部分监测点沉降随开挖过程的变化如图5所示。由图5a可知：左线隧道开始掘进时，成灌高铁、西环上下行线轨枕均产生一定量的隆起；当盾构掘进至78 m处时，西环增二线轨枕开始产生沉降；当掘进至125 m处时，成灌线和西环线开始产生沉降；当盾构掘进至200 m处时，各线路沉降值趋于稳定。由图5b可知：当盾构掘进至175 m处时，各线路沉降值稳定，西环增二线轨枕最大沉降达18 mm，且与两隧道轴线交点处沉降值相差较大。成灌线轨枕沉降最大达19.7 mm，西环线轨枕最大沉降值达19.8 mm。

图5 各监测点沉降随开挖步变化曲线

根据文献［11］，当隧道中心埋深为18～20 m，设计时速≤120 km的碎石道床，其路基允许最大的沉降值为16 mm。根据仿真结果，轨枕最大沉降值达20 mm，严重影响到既有线路安全运营，因此下穿前必须采取适当措施，做好铁路下方土体加固，保证铁路线安全运营。

（2）钢花管注浆加固后沉降值对比

钢花管注浆加固原理：将管壁预留有注浆孔的钢花管插入土体并进行压力注浆，水泥浆液被注入后向周围土体渗透，经过土体的固化、挤密作用形成钢花管＋水泥土的复合桩体，借此改善岩土体的物理力学性能。

数值分析中通常采用实体单元、桩单元或界面单元联合的方法对钢花管注浆进行模拟［12］，本文采用桩单元模拟成灌线和西环线的预加固，如图6所示。

图6 土体加固模型

加固前后各监测点沉降值如表1所示。西环增二线未进行加固，地表沉降值变化较小；西环线预加固后，最大沉降值由20.2 mm变为16.9 mm，降低16.3%。成灌高铁预加固后，最大沉降值由20.7 mm变为16.8 mm，降低18.8%，基本满足铁路路基沉降控制要求，且预加固后，两线沉降值标准差降低，沉降分布更加均匀，表明钢花管注浆对铁路路基沉降控制具有一定的效果。

表1 加固前后仿真数据对比

4 下穿铁路线关键施工技术

实际下穿过程中，为确保既有线安全，将地层加固与洞内注浆、分段掘进、自动化监测等相结合，形成砂卵石地层下盾构小角度下穿既有线综合施工技术。

4.1 地面预加固

盾构通过成灌线和西环线前，在地面采用钢花管注浆预加固，钢花管管径108 mm，成孔同地面夹角为10°～40°，注浆采用单液浆。

4.2 盾构分段掘进

由于成灌线、西环线为主要线路，车辆通行量大，为了尽量减小盾构施工对上方铁路运输影响，盾构施工利用铁路运营天窗期分段穿越。

分段穿越过程中为防止停机复推对地层造成较大扰动，采取以下措施：

（1）长时间停机时土仓压力应保持在1.2～1.4 bar，一旦土压小于1 bar时立即向土仓内注入膨润土，同时转动刀盘，保证恢复掘进时刀盘扭矩的稳定性。

（2）掘进时，利用中盾注浆向盾体上方及时注入1～2 m3的膨润土或惰性浆液，用以填充刀盘与盾体间的开挖间隙。

（3）严格控制掘进参数。长时间停机后，土仓内渣土流动性变差，恢复掘进时应适当降低螺旋输送机转速，增大推力来增加土仓内渣土量，并向土仓内加入一定量的膨润土以提高渣土流动性。掘进15 min后，缓慢提高螺旋输送机转速，提高掘进速度，降低推力，使盾构机处于正常掘进状态。盾构机停机前，为减少刀盘前方地表的沉降，需要对土仓进行保压，应增大推力、降低螺旋输送机转速，降低掘进速度。各阶段掘进参数如表2所示。

表2 分段掘进参数控制

4.3 洞内注浆加固

盾构下穿过程中，在同步注浆的基础上，根据地质及掘进情况进行洞内二次注浆。注浆材料为1∶1的水泥－水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa之间，稳压时间不小于30 min。盾构下穿后，及时对下穿段成型壁后注浆效果进行雷达探查，检测是否注浆密实，确保无空腔等不良情况。

4.4 下穿后累计沉降分析

盾构下穿施工前按图3布设自动化监测点，下穿过程中密切关注地表变形并委托铁路局工务段全程进行监管及应急处置。各监测点累计沉降值如表3所示。

表3 各监测点累计沉降值

各线路沉降均值为2.86 mm，最小值－0.5 mm，最大沉降值为6.7 mm，发生在右线隧道与西环增二线交点附近，各点沉降均小于既有线沉降控制值。本次下穿效果较为理想，保证了既有线路的运营安全。

5 结论

通过理论分析和数值模拟揭示了小角度下穿过程中既有线沉降规律，基于工程实践，提出地层预加固、洞内加固注浆、掘进参数控制、分段掘进的综合施工技术。结果表明：该技术可有效控制既有线沉降，保证既有线路运营安全，为砂卵石地层条件下长距离下穿既有线路提供一定的参考。