地铁盾构隧道下穿铁路框架桥沉降控制技术

李盘石

中铁十六局集团地铁工程有限公司

1 工程概况

杏滨站～内茂站区间起讫里程为右YDK11+219.819～YDK11+821.499、左ZDK11+219.819～ZDK11+821.499。区间隧道右线长度为599.482m，左线长度为593.102m，其中左线短链为8.578m，右线短链为2.198m。本区间结构覆土范围为9.98m～14.28m，穿越鹰夏铁路框架桥及内茂立交桥，区间采用盾构法施工，盾构始发、接收场地由相邻车站提供，区间无设置联络通道。

2 穿越段风险预估

首先综合考虑此次施工会出现的各种意外，提前预判，根据各种可能存在的问题制定应急方案再正式开始盾构穿越施工。表1为列举出的问题和对应的方案：

表1 可能遇到的主要问题及处理措施

3 沉降控制

3.1 控制掘进参数

（1）土仓压力：隧道覆土厚度9.98m～14.28m，地下水位埋深1.90m～3.50m，标高2.34m～5.21m，浮动水位1m～3m。计算土压时依据计算浅埋隧道的土仓压力的方式。

（2）总推力控制在1200t～1400t；降低推进速度，控制在20mm∕min～30mm∕min；扭矩≤2000kN·m；刀盘转速控制在0.8rpm～1.0rpm。为了让地面尽可能不发生变形，降低土体被盾构的扰动。

依据监测到的数据及时反馈，从而调整推进的相关参数，保证掘进高效进行，当发生围岩突变的意外事件时，由盾构司机及时详细反馈推进情况，以便专业人员调整参数。

3.2 控制出土量

每环理论出土量（实方）为39.55m3∕环。为达到改良土体的目的，加入泡沫剂，由于出土松散系数为1.2，计算可得每环出土量为47.46m3。需将出土量的范围调整到98%～100%，即46.51m3∕环～47.46m3∕环。推进时配备专业人士控制出渣方量，同时判断渣土车自身的容量，一般安排工程师观察即可。11-1残积砂质黏性土、17-1全风化花岗岩是盾构下穿框架桥区域的两种主要地质。按照理论计算每环出土重量为85.43t∕环。

3.3 同步注浆控制

同步注浆、二次注浆这两道工序是盾构穿越施工中控制后期沉降的重要环节，后期变形很大程度上受到浆液注入量、质量以及当时压力的影响。

（1）注浆量。本工程盾构开挖外径Φ6480mm，管片外径φ 6200mm，行程长度为1.2m；每推进一环的建筑空隙为3.34m3；注浆量为（1.3～2.5）×建筑空隙。由此可知，4.44m3～8.35m3是向前推进一环所需的注浆量，一般情况下同步注浆量保持在5m3，具体施工时还要调整。

（2）注浆压力。加强对盾尾刷的保护，当注浆压力达到0.3MPa，约等于静止水压的1.1～1.2倍。为了防止注浆管因过久停留的浆液出现堵塞现象，应分段进行注浆。

（3）注浆时间。当盾尾脱离管片时结束注浆，同时掘进速度和注浆速度保持在同一状态。如果不当拖延注浆时间，管片和盾尾会出现脱离现象，此时上部土体会发生突沉，所以应同时把握管片脱片和浆液压入的时间。掘进时，为了更好地控制沉降，可按照中、前盾径的方向将膨润土由注浆孔填入到盾体四周。

（4）浆液配比及性能指标。同步注浆浆液每m3初步配比见表2。

表2 同步注浆配合比（每m³原材及用量）

浆液性能要求：塌落度24cm～26cm；稠度10cm～12.5cm；凝结时间12h～16h；7天强度≥0.15MPa，28天强度≥1.0MPa。以上参数根据施工情况调整。

3.4 保压掘进，保持盾构开挖面的稳定

当工程进入到鹰厦铁路时，依据地质参数确定盾构机土仓压力。应结合推进过程分析理论土压值和实际所设定的土压力之间的关系，当土仓压力控制值提升时，将压力增加0.01～0.02MPa，依据监测到的沉降结果调整土压力，实际土压力不得大于设定值的10%。

3.5 二次注浆管理

当穿越鹰厦铁路时，为了减少安全事故，依据监测数据展开二次注浆。通常注浆配合比为水玻璃按1∶3稀释，水泥浆水灰比为1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶1，水玻璃模数2.6～2.8，浓度39～48。

通过盾构，开始对添加在管片后的注浆孔进行加固，一般向管片周围3m范围展开即可。此时保持0.4MPa的注浆压力，注浆量每一环均为1m3，注浆时先从隧道顶部开始最佳。该过程中遵循密实填充、少量多次的原则，同时防止地面过渡隆起，对此要随时监控相关数据。依据同步注浆的具体要求把控二次补浆的质量好坏，施工过程中注意周边环境，尽量减小对其余建筑物的消极影响。

洞中进行反向扫描，二次浆液的强度达到要求后，先行探测隧道顶120°范围以内管片背后的详细注浆情况，通常会用到高频雷达天线，具体由1条主线、2条辅线组成，便于及时、精准反馈管片四周的浆液密实状态。当存在脱空时立即补浆。

3.6 渣土改良

土体改良时，具体需要将之前不符合土压平衡盾构施工切削土的土体通过调整组成进行改良，使该土体方便盾构进行开挖，让出土更加便捷。通常要求改良后的土体拥有塑性流动性的特征。

（1）土体改良的目的。土体改良后可提升其土压平衡效果，对地表沉降起到抑制作用；渣土的止水性也会得到提升，从而避免地下水的过多流失；渣土进入土仓的速度有所加快，排土变得更加顺利；避免刀盘和渣土之间不当黏结；还有利于组织排土过程中螺旋输送机的意外喷涌；起到降低刀盘扭矩的作用，此时由于螺旋输送机的磨损被大大降低，掘进的效率也得到提升。

（2）土体改良的方法。所用的添加剂最好用知名品牌泡沫剂，也可选用品质较高的钠基膨润土。泡沫剂添加量的具体指标如下：使用知名品牌土压平衡盾构机专用泡沫，1∕3≤粉细砂断面＜1∕2时，添加量≥10kg∕环；1∕2≤粉细砂断面＜2∕3时，添加量≥12kg∕环；粉细砂断面≥2∕3时，添加量≥15kg∕环。利用盾构机的泡沫系统注入泡沫。

3.7 姿态纠偏

3.7.1姿态纠偏对地表的影响

对盾构的姿态进行纠偏时受到不同推力的影响，盾构的前进方向呈现曲线，因此会大面积进行开挖，还会导致沉降；该过程中由于轴线开挖面和刀盘之间存在夹角，导致开挖会出现欠挖或超挖，从而导致沉降。纠偏时，如果把纵坡进行数次调整或者过度纠偏，推进轴线便会发生改变，对地层产生影响，变形也会随之加剧，引来更严重的沉降；纠偏时，由于盾构轴线和管片轴线的差异较大，导致管片和盾尾发生脱离，形成间隙，从而对地面沉降造成影响。

3.7.2姿态纠偏控制标准

根据《盾构法隧道施工及验收规范》（GB 50446—2017）：盾构轴线偏离隧道轴线应≤±50mm。按照下列标准对本工程穿越建筑段进行纠偏，从而尽可能避免由于纠偏引发的地表沉降。

设计轴线和盾构姿态之间的夹角不能超过0.3%，更详细来说，由于盾构机主机达到了8658mm，计算可得上述两者的偏差值不能超过26mm（8658×0.3%）。所以掘进段控制盾构姿态应保持在±26mm之间，当然特殊状态下应留出±24mm的曲线富余量。

进行姿态纠偏时，将千斤顶油压控制在5MPa以下，而推力不能超过300t。同时盾尾和管片之间的间距不能大于15mm。

3.7.3姿态纠偏控制措施

（1）当施工进展到鹰厦铁路段时，需要综合考虑各种信息，包括地质变化、隧道埋深、设计坡度、转弯半径、轴线偏差情况、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力、测量数据等，以便技术人员所下达的指令合理、准确。

（2）将盾构姿态和设计轴线之间的偏差控制在±26mm时才能进行盾构穿越，这样使得盾尾和管片的间隙符合要求。在操作时司机必须遵守指令，一有误差立即纠正，防止误差过大导致纠偏不及，始终把握快速纠偏、高频纠偏，对于盾构的纠偏量也要符合设计规范。

（3）纠偏时还可通过调整盾构千斤顶组合的方式进行，千斤顶油压差不能超过5MPa，同时为了避免出现盾构机过分纠偏，即保持在5mm以内，伸出长度应保持在2cm内，该措施还能把土体由推力形成的扰动和挤压降低到最低。

（4）当姿态处于最佳状态时，提前预估轴线在前进过程中有可能存在的偏差，方便精准迅速地调整管片和盾构，使管片轴线和盾构轴线始终处于同一条水平线，保证盾构机身和设计线路的夹角不超过0.3%。

（5）认真观察正面实际土压的变化情况，仔细把控盾构的出土量，避免出现欠挖或超挖现象。结合监测到的地面沉降调整刀盘转速，控制盾构机推进的速度。

4 监控量测

盾构掘进施工时随时监测铁路和框架桥的情况。结合上述设计思路，盾构隧道穿越既有铁路的工程顺利完成，分析监测数据后发现，完成穿越后的铁路、框架桥最大下沉了1.69mm，根据相关指标显示风险源变形也在合理范围之中。

5 结束语

我国城市发展水平日益提升，轨道交通建设也日渐增多，因此不可避免会出现穿越铁路的地铁隧道工程。本文结合实际案例，分析研究地铁盾构隧道下穿铁路框架桥沉降控制技术，希望通过研究为相类似工程提供理论和实践上的帮助。