粉质砂土层盾构隧道下穿既有运营铁路施工技术研究

李东阳

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概况

1.1 设计情况

北京地铁6号线二期工程物资学院站-北关站区间设计里程为K32+377.8-K34+741.6，采用盾构法(∅6.25 m的土压平衡盾构机)施工。该盾构下穿京承铁路通县西-张辛区间上下行线，与京承铁路交角为62.5°，盾构埋深为轨道下16.66 m；右线盾构与铁路相交处铁路里程为京承线下行K20+048.3，左线盾构与铁路相交处铁路里程为京承下行线K20+064.5，下穿京承铁路保护区域为80 m。

1.2 工程地质

勘探最大孔深49 m深度范围内所揭露地层，按成因年代分为人工堆积层(Qml)、第四纪全新世冲洪积层(Q41al+pl)、第四纪晚更新世冲洪积层(Q3al+pl)等三大层，按地层岩性进一步分为8个小层。下穿京承铁路隧道地质主要为粉质粘土④层，局部有透镜式粉土层④2层，断面底部主要为粉细砂⑤层，如图1所示。

图1 下穿地段右线地质纵断面

1.3 水文地质

本段线路赋存四层地下水，地下水类型分别为上层滞水(一层)、潜水(二层)、承压水(三层)和承压水(四层)。

1.4 工程难点

(1)下穿的京承铁路为正在通车的电气化复线铁路，必须确保通行列车的运行安全，盾构穿越施工时的保护标准要求很高。

(2)盾构下穿区域掌子面主要为粉质粘土，局部夹杂粉细砂，地下水控制不当会发生水砂齐涌的潜蚀、管涌、流砂等危害，围岩极易坍塌变形。推进时盾构姿态稍有改变就会对周围的土体产生影响，从而对控制地面的沉降造成很大困难。

(3)京承铁路路基沉降控制标准高，轨面沉降最大值不能超过10 mm，路基最大隆起不得超过5 mm。

2 运营铁路线路防护

2.1 路基注浆加固

为保证盾构下穿铁路路基的稳定及行车安全，对盾构影响范围内的路基进行注浆加固处理。路基注浆加固区域范围为线路中心外宽5.0 m，路基下高2.0～5.0 m，长度46.2 m，如图2所示。

图2 路基注浆加固平面

2.1.1 小导管制作

注浆用小导管采用壁厚3.5 mm的∅48 mm热轧无缝钢管，管身布设∅8 mm溢浆孔，孔间距150 mm，沿管身梅花状布置。管头100 mm范围设30°锥体，管尾500 mm长不开孔，作为止浆段。

2.1.2 浆液制备

浆液采用双液水泥-水玻璃浆，配合比根据现场试验进行实时动态调整[1]，按要求的比例同时注入双液混合器内使其充分混合。A液，水∶水玻璃=1∶1，水玻璃浓度40 °Be′；B液，水∶水泥=1∶0.8；A液∶B液=1∶1。

2.1.3 注浆施工

每组孔分别由A(孔深7.5 m)、B(孔深7.5 m)、C(孔深8.0 m)、D(孔深8.0 m)、E(孔深9.5 m)、F(孔深9.5 m)、G(孔深10 m)和H(孔深10 m)8个孔组成，角度如图3所示。注浆孔直径∅70 mm，注浆扩散半径0.8 m，注浆凝结时间30 s～60 min。单侧注浆作业面上，注浆孔竖向间距400 mm，沿线路纵向间距800 mm，每行前后错开200 mm。

图3 路基注浆加固断面

注浆顺序为从外到内，采用隔孔跳注。为减少注浆施工对行车安全的影响，在线路两侧对称布置注浆设备[2]。通过外围先注浆，调整凝结时间，有效控制跑浆、冒浆、漏浆的发生，提高加固效果。

2.1.4 注浆压力控制

注浆过程中，如果注浆压力过高，可能会导致轨道隆起，反之则无法达到填充目的。因此将轨道外侧及附近注浆压力控制在0.3 MPa左右，孔内压力控制在0.5 MPa左右，最终压力稳定15 min后，即可结束该孔注浆施工。

2.1.5 注浆效果检测

(1)注浆后土体单轴抗压强度应达到0.7 MPa，并通过取芯检查注浆效果。

(2)采用雷达对路基注浆区域进行实际注浆效果检查，防止铁路线下出现空洞，影响铁路运输安全。

2.2 线路加固

线路加固长度100 m，加固采用3-5-3扣轨加固法。加固段全换成长木枕，木枕规格200 mm×220 mm×3 000 mm，并在轨底增设木垫板，以加固轨面。

2.2.1 抽换木枕

在线路加固范围内将混凝土枕更换为木枕，采取隔六换一方式从隧道中线部位向两侧对称进行。更换木枕后应先振捣密实，再更换相邻的钢筋混凝土枕，更换完成后对线路进行全面检查。

2.2.2 铺设吊轨

组装型式为3-5-3扣设吊轨，钢轨(50 kg/m)接头错开1.0 m以上。采用∅22 mmU型螺栓将吊轨与其下的枕木连接在一起[3]。

3 下穿京承铁路的盾构施工技术

盾构左右线K33+150-K33+230处下穿京承铁路，盾构管顶覆土约为13 m。下穿京承铁路主要施工控制措施是尽量减少隧道施工对地层的扰动，减少盾构施工引起的沉降，优化施工参数，保持匀速、平稳推进。盾构下穿京承铁路施工的主要参数为：推力6 000～8 000 kN；扭矩1 000～1 500 kN·m；刀盘转速0.8～1.0 r/min；土仓压力1.3～1.5 bar；螺旋机转速10～15 r/min；注浆压力1.8～2.5 bar；注浆量4～5 m3/环。

3.1 压力控制

3.1.1 土压力

根据下穿段京承铁路下方的地质条件，将盾构掘进土压力控制在0.13～0.15 MPa，确保土仓压力与开挖面水土压力平衡，不产生过大波动，并根据物北区间优化段的掘进参数，对土压力进行调整。

3.1.2 注浆压力

综合考虑注浆处、后方及开挖面来水的水压力，在注浆处水土压力基础上提高0.01～0.02 MPa，浆液不得进入土仓，挤压管片，避免因注浆压力过大而隆起[4]。

3.2 出土量控制

盾构开挖过程中严格控制出土量，不得大于理论开挖碴土量[5]。掘进过程中，观察并记录碴车的装载量，严禁出土超量。一旦发现问题，立即采取措施处理。推进500～520 mm出1斗土(土斗容量17 m3)，推进1.2 m出土量控制在39～43 m3，即推进1.2 m出2.4斗土。

3.3 掘进姿态控制

盾构隧道轴线控制是下穿京承铁路施工的重要环节。为了控制隧道轴线的方向，建立了严格的人工测量和自动测量控制系统，通过系统配备的导向、自动定位、掘进程序软件和显示器动态显示盾构机当前位置与隧道设计轴线之间的偏差和趋势，对盾构姿态进行监测。盾构掘进姿态控制调整应控制在±4 mm范围内，不宜过大过频，应减少偏差修正，避免对土体的超挖和扰动。

3.4 同步注浆

根据盾构施工经验，同步注浆采用单液浆(水泥采用42.5抗硫酸盐水泥)。在地层自稳性较好和风险源地段(浆液固结时间要求快速)，分别采用不同配比(具体如表1所示)。同步注浆压力控制在0.16～0.18 MPa。

表1 同步注浆材料配比 kg

同步注浆速度与掘进速度应相匹配，平均注浆速度应根据盾构完成一环掘进时间内完成当环注浆量来确定。

3.5 二次注浆

二次注浆应从第一环开始，直至穿越风险源结束。通过管片中部的注浆孔补充同步注浆的未充填部分和体积缩小部分，从而减少盾构机穿越后土体的后期沉降，降低隧道的防水压力，提高止水效果[6]。

(1)每一环都进行二次注浆，脱出盾尾10环后开始对管片进行二次注浆。

(2)注浆区域为隧道顶部两侧的管片，即3点至10点之间。

(3)二次注浆量为0.3 m3，注浆量要根据现场实际监测数据进行调整，补浆压力3 bar(1 bar=0.1 MPa)，以注浆压力控制为主。配合比为：A液，P.O42.5水泥∶水=750∶500(kg)；B液，水玻璃∶水=115∶250(kg)。

(4)二次注浆时当满足压力或注浆量两个条件之一时，立即停止补浆，防止压力过大造成隆起。

4 施工效果分析

4.1 路基加固效果

采用地质雷达对铁路路基加固注浆进行效果检查，注浆效果如图4所示，穿越段铁路路基加固密实，不存在空洞现象。对注浆地段进行取芯检查，注浆前后取芯对比如图5所示。

图4 地质雷达扫描效果

图5 铁路路基注浆前后取芯对比

4.2 穿越段沉降监测

通过对穿越段区域进行监测，形成沉降曲线，如图6所示。可以看出，最大沉降值为2.36 mm，满足轨面沉降最大值不能超过10 mm的要求。

图6 沉降监测曲线

5 结束语

经过4 d施工，盾构成功穿越京承铁路，整个下穿过程平稳连续，极好的控制了京承铁路路基沉降，确保了京承铁路安全运营，提前5 d实现了成功穿越京承铁路的目标。