盾构下穿南通火车站施工技术研究

明 亮

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 210000）

随着城市地铁的不断扩建，地铁穿越既有铁路与构建筑物的情况不断增加，面临的地质情况和环境条件也越来越复杂。既有线铁路轨道对沉降变形控制要求较高，在下穿既有线施工前，需提前采取加固措施减小轨道交通建设所引起的铁路沉降与变形控制。掘进过程中需要合理的设置盾构机掘进参数，并采取有效的控制措施以减小地表沉降，降低轨道交通区间施工期间铁路的运营风险。掘进完成后根据地表的沉降情况及时进行二次注浆。

1 工程概况

南通市城市轨道交通2号线一期工程土建施工03标共包含2站1区间，即永达路站、永达路~南通火车站站盾构区间、南通火车站站。区间盾构隧道穿越宁启铁路7条股道、3组站台铁路采用碎石道床，穿越宁启股道与站台的角度为85.7°~90°，隧道顶部与宁启铁路路基竖向距离20.1 m~20.4 m。区间纵断面成节能坡，线路出永达路站以25‰坡度下降，然后以8.7‰坡度下降，最后再以5.2‰坡度上升至南通火车站站。

区间穿越南通火车站范围的线间距约18 m。左ZK2+016.34~左ZK2+068.82，环号700环~744环，约44环；右ZK2+016.53~右ZK2+069.00，环号701环~745环，约44环；盾构隧道范围主要为③2粉砂、③3粉土夹粉砂，如图1。

本区间采用1台土压平衡盾构进行施工，先左线，后右线施工。在建盾构隧道段断面为圆形，盾构的隧道结构采用C50钢筋混凝土进行衬砌管片，段环宽1.2 m，内径Φ5.5 m，外径Φ6.2 m，管片厚0.35 m，全断面共分6块管片。管片之间采用弯螺栓连接，错缝拼装。

2 WSS工法注浆

对轨道交通与既有宁启铁路相交处由于场地股道布置密集，施工场地受限，工程地质情况复杂与穿越节点处场地条件，需采用机械设备操作空间小的加固工艺，同时加固质量可靠的WSS注浆工艺进行加固。

WSS工法注浆是一种二重管钻孔至一定深度后再采用一台同步注浆机注浆。有液体A和液体B这两种泥浆，通过在二重管末端的浆料混合器彻底混合，以填充和固化岩土层的空隙或孔隙，从而改变岩土层的性质。注浆材料是水泥、水玻璃、冰醋酸、二氧化硅系胶负体等材料来源普遍。

对宁启铁路路基进行注浆加固，对区间穿越既有宁启铁路股道下采用WSS+袖阀管注浆加固，角度不小于60度时采用袖阀管注浆。加固范围沿铁路方向贯通，超出盾构外缘约6 m，加固范围沿盾构方向南端超出南通站基本站台，北端超出南通站9道中心线6 m并与沿江高铁范围搭接；加固深度自宁启铁路路基顶面下5 m至盾构底下3 m，如图2。

图2 加固方案剖面图

注浆孔纵横向注浆孔间距1.2 m×1.2 m，浆液扩散半径0.8 m。注浆加固后注浆加固体无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。合理确定注浆压力，注浆施工期间轨道隆起量不超过2 mm。同时为满足加固场地条件，需分别临时占用3条宁启铁路股道，分别为4道、3道、7道，待加固完成后恢复，每道占用时间及注浆加固方案详见雷威公司注浆施工方案。

3 克泥效施工

克泥效工法是将高浓度泥浆水材料和塑料强度调节剂（水玻璃）分别通过管道泵入指定位置，然后将两种液体按适当比例混合形成高粘度的胶凝体，再通过径向孔进行注入，填补开挖直径与盾体直径之间间隙的一种工法。混合后的流动塑性胶化体不易被水稀释，粘度强度不随时间进行变化。

盾构机在设计与制造时，刀盘都会大于盾体。由此，在掘井过程中，开挖面会与盾体形成大约上下各20 mm的间隙，克泥效可以有效填充盾构机掘进过程中产生间隙，减小沉降量。

（1）严格控制土仓压力（泥水压）波动范围；做好渣土改良，确保掌子面稳定。

（2）合理设定推进速度，保证推进速度的稳定性。在推进开始和结束时，应逐渐提高和降低速度。

（3）准确控制出土量。原则上，根据理论的出土量出土，可适当进行开挖，保持土体密度。

（4）同时监测刀盘上方及前方的地面沉降或隆起，土仓压力（浆液压力）和开挖土量及时调整，实现第二阶段沉降控制。

（5）同时，通过盾构机的径向孔将浆料注入盾构中，及时填充开挖直径与盾构之间的空隙，控制注浆压力和注浆量，及时监测和调整地面沉降。

（6）克泥效的注入点是在11点钟方向和1点钟方向的径向孔注入。

（7）每2~3小时进行一次地面沉降同步监测，测量范围从盾构机前方5环至盾尾后方10环。

（8）做好沉降记录并及时反应，有利于第一时间调整。

在下穿前15环，开始注入克泥效，统计克泥效注入后各项掘进数据（表1）。下穿风险源结束，管片脱离盾尾时及时、足量注入高质量的同步注浆浆液，缩短胶结时间，减少浆液散失；确保填充效果，控制地层损失，同步注浆以压力为主，注入量为辅。建议盾构掘进时，5环左右用双液浆封环一次及时进行二次双液补浆；填补单液浆在地层中的散失。及时反映隧道推进区域上方建筑物的变形情况，在盾构穿越期间需进行沉降观测，实施动态管理。

表1 克泥效指标

4 盾构施工参数设置

根据试验段掘进参数，制定盾构下穿宁启铁路路基、股道及站台掘进参数。

盾构下穿之前，进一步核查南通火车站区域是否存在对盾构造成影响的地下不明结构。盾构施工通过时，加强施工控制，优化施工参数，加大同步注浆、二次注浆和多次洞内补浆，严格控制地层损失和地面沉降，做好跟踪注浆准备和应急预案，加强建筑与地面的监测，根据监测结果，及时调整盾构施工参数，建立预警系统，确保车站及隧道的安全。

4.1 土仓压力设定

土仓压力可平衡开挖面水土压力，保持开挖面稳定，为盾构机顺利掘进提供保障。土仓压力随着隧道的覆土深度而变化，必须控制地层压力与土仓压力的差值在一定范围内，将土仓压力波动控制在最小幅度，以控制地表沉降。掘进时，必须对开挖面的土压力进行严格监控。根据土压力计算公式进行计算：

P上：土舱压力上限值（kPa）；P下：土舱压力上限值（kPa）

P1：地下水压力（kPa）；P2：静止土压力（kPa）；P3：预备土压力，取20kPa

γw：水的溶重，取值γw=10kN/m3

h：地下水位以下的隧道埋深（m）

K0：静止土压力系数，黏性土取0.5，砂性土取0.4

γ：土的溶重（kN/m3）

H：隧道埋深

Ka-主动土压力系数

Ka=Tan2（45-Φ/2）

Φ-内摩擦角

CU-土的粘聚力

实际土压力取值P=（P上+P下）/2

土压力根据试验段加理论计算值综合考虑，2.7 bar。

4.2 出渣量管理与控制

出土量的监控也是确保开挖面稳定的重要手段。根据水平运输的电瓶车每环运输量的体积和车数进行计算，以此来反推出盾构每掘进一环切削下来的土体量的数值。计算后的理论出渣量可与实际出渣量作比较，根据两者之间的差距，判断开挖面是否有超挖或欠挖，以及地质变化情况。

每环理论出土量=π/4×D2×L=π/4×6.442×1.2=39.07 m3/环。

盾构穿越南通火车站区域时推进出土量控制在98%~100%之间。即38.29~39.07 m3/环。考虑外加剂及土体的膨胀系数，实际出土量应为40 m3/环。当发现出渣量过大时，应立即调整螺旋机转速和推进速度，使二者匹配。同时判断土体是否有超挖，找出原因后及时调整相关参数，保证开挖面的稳定性。

4.3 同步注浆

4.3.1 注浆压力

割裂压主要与注浆材料的粘度、土压力、覆土高度和盾构直径比有关。有学者通过室内试验研究了粘性土的割裂压问题，其试验公式如下所示：

Pf=rt×h+a×qu

式中：pf—割裂压；rt—土层湿容重；h—埋深；a—随浆液粘性和直径比而变化；qu—土的无侧限抗压强度；因此，注浆压力不能大于pf。对于混凝土管片，当注浆压力约为0.4 MPa时，会导致混凝土管片开裂，甚至导致F型管片发生螺栓剪切。对国内外注浆压力与盾构机与土地沉降关系的研究表明，当注浆压力等于隧道内地面压力深度时，减少地面损失和土地沉降的影响是最重要的。

式中：式中：Pe-土压（kN/m2）；D-隧道外径（m）；B-隧道顶部松动圈幅（m）；K0-水平土压和垂直土压之比；γ-土体的容重（kN/m3）；C-土的内聚力（kPa）；φ-土的内摩擦角（°）；H-覆土深度（m）；W0-地面载荷（kPa）；因此，注浆压力应至少大于Pe。结合本工程实际情况，根据以上分析，区间盾构隧道路基位置埋深17~21 m，得到相应注浆压力范围为2.8~3.3 bar。具体压力根据推进时实际情况控制。

4.3.2 注浆量计算

本标段注浆量取环形间隙理论体积的1.3~1.8倍，则每环（1.2 m）注浆量Q=1.56×Q理论~×1.3×Q理论。正常段每环注浆量不小于1.8×Q理论（注浆率150%）；在盾构穿越房屋段、河底、桥梁每环注浆控制量不小于2.16×Q理论（注浆率160%~240%），考虑到粉砂、砂质粉土夹粉质粘土等地层的渗透性增强，适当增加注浆量，因此注浆量为5.34~8 m3。实际注浆量为5.0~6 m3。

4.3.3 性能要求（如表2）

表2 浆液性能要求表

4.3.4 配比设计

根据相关的施工经验，本工程同步注浆方案采用表3所示的比例。在施工过程中，根据地层条件、地下水条件及周围条件，通过现场试验和优化确定，当地层进入粉砂层时使用第二个配比进行注浆。

表3 同步注浆材料配比表

4.3.5 二次注浆

浆液配比：水泥浆采用P42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1；水泥-水玻璃双液浆配比见表4。

表4 双液浆配比及浆液主要性质表

4.3.6 其他参数设置见表5

表5 下穿宁启铁路掘进参数表

5 沉降分析

中铁第四勘察设计院有限公司本工程采用MIDAS-GTS软件对盾构隧道穿越铁路进行数值模拟分析，地层最大沉降约13.6 mm，位于两隧道之间拱部地层；铁路股道最大沉降为13.4 mm，位于两隧道之间上方附近；过站通道最大沉降为12.3 mm，位于斜坡道口附近；不满足铁路轨道路基的沉降控制要求。

地层加固后，地层最大沉降约11.9 mm，位于两隧道之间拱部地层；铁路股道最大沉降为7.5 mm，位于两隧道之间上方附近；过站通道最大沉降为6.9 mm，满足铁路轨道路基的沉降控制要求。通过合理配置掘进参数，采用WSS+袖阀管注浆施工结合克泥效功法施工后。对相关参数进行了监测，轨道最大水平横向位移0.8 mm；最大水平顺向位移为1.8 mm，监测点号2ZT32，铁路里程在2号站台；最大累计沉降量1.5 mm，监测点号3ZT23，位于3号站台。实际沉降量远小于设计给出的检测值，见图3。

图3 加固后最大沉降量

6 结论

（1）文章结合南通地铁二号线盾构穿越宁启铁路的案例，简要介绍了WSS+袖阀管注浆的施工工艺，验证了其在既有线铁路底部加固的可操作性，在最大限度地减小对轨道正常运营的情况下，完成了3站台7股道底部的加固。

（2）介绍了克泥效在穿越宁启铁路时的具体注入方案，建议在11点和1点钟方向注入；结合同步注浆，确保填充效果，控制地层损失，同步注浆以压力为主，注入量为辅；5环左右用双液浆封环一次及时进行二次双液补浆。

（3）通过合理配置盾构掘进参数，控制出土量，优化砂浆的配合比设计，及时二次注浆。给出了盾构穿越宁启铁路的参数配置。

（4）通过检测数据得到隧道的最大沉降量为1.5 mm，远小于设计给出的计算值7.5 mm，验证了WWS+袖阀管注浆施工结合克泥效功法在盾构穿越铁路施工中的效果十分明显，为此类施工提供了参考。