盾构连续下穿多条高铁路基沉降控制研究

周晓峰

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

盾构下穿施工过程中建构筑物发生沉降是比较常见的现象，因此，控制沉降及地层损失率是确保重要建构筑物安全的重中之重。引起建构筑物发生沉降的因素包括：地质水文条件、盾构机姿态、掘进参数、出土量控制以及二次注浆时机等。沉降是多种不利环境造成的结果，本文从杭州机场轨道快线下穿多条高铁路基施工过程着手，提出下穿建构筑物的控制沉降措施。

1 工程概况

1.1 项目概况

杭州机场轨道快线新风区间风井5 至火车东站区间隧道设计起始里程为右（左）K29+809.331，终止里程为右（左）K31+703.672，右线长度约为1894.341m，左线长度约为1910.794m。为单圆盾构区间，采用盾构法施工，区间隧道管片外径为6900mm，内径为6100mm，环宽为1500mm，厚度为400mm，属于通用型管片错缝拼装。区间采用2 台铁建重工ZTE7150 复合式土压平衡盾构机掘进施工，从新风路风井5 大里程端头始发，始发后490m 位置，左线以R=365m（右线R=360m）的圆曲线向南下穿杭州东站铁路咽喉区，最后到达火车东站小里程端头接收。

该区间左线于K30+300～K30+427（长127m，85环）、右线于K30+305～K30+432（长127m，85 环）段下穿杭州东站铁路咽喉区（影响范围包括下穿段前30m、下穿段127m、下穿段后30m、盾体长度9m，共计196m）。该处铁路共计10 股轨道，其中包括：第1～7股道为高铁轨道、第8～10 股道为普铁轨道。第1～4股道为同一路基，路基全宽约为33m，有两组接触网；第5～6 股道为同一路基，路基全宽约为14m，有两组接触网；另外，第7～10 股道为同一路基，路基全宽约为37m。机场快线与铁路线近似60.6～74.4夹角斜交。

机场快线下穿段杭州东站铁路咽喉区既有路基均为碎石道床，路基约为4.6m 厚，路基下布设约为12m 深的水泥搅拌桩，水泥搅拌桩直径为0.5m，间距为1.2m，同时设置20m 厚的塑料排水板桩，桩间距为1.2m，共20m 深地基加固。区间隧道与铁路轨面竖向净高差约为39～41.5m，隧道与铁路路基加固土层底竖向净距约为13.5～16.3m。

1.2 水文地质情况

盾构下穿范围隧道纵向坡度为28.2‰，盾构下穿范围地层从上到下依次为：碎石填土1-1、砂质粉土3-2、砂质粉土3-4、砂质粉土3-5、淤泥质粉质黏土4-2、黏土5-1、粉质黏土夹粉土5-2、粉质黏土7-1、粉质黏土夹粉土7-2、粉质黏土9-1、粉质黏土11-1、全风化凝灰岩20-1、强风化凝灰岩20-2、中风化上段凝灰岩20-3。盾构隧道穿越范围内地层主要为：粉质黏土7-1、粉质黏土9-1、粉质黏土11-1，盾构穿越范围不涉及承压水。

地表及地下水：场区地表水主要为影响到该工程沿线的河流，该区间不涉及河流，无孔隙承压水。

2 穿越施工情况

盾构区间左线于2021年8月1日～8月20日完成连续下穿，区间右线于2021年9月1日～9月16日完成连续下穿。

左右线下穿完成后第三个月监测数据，即2021年12月16日自动化监测数据情况如表1所示。

表1 左右线下穿高铁路基自动化监测数据（2021年12月16日）

3 下穿高铁路基沉降控制措施

3.1 设置试验段总结参数

盾构施工过程中，掘进参数是随着不同的土层、埋深等条件变化而变化的，故而施工期间施工参数是动态的。该区间左右线下穿高铁路基前30m 设置为试验段，根据试验段推进过程中参数设定以及地面沉降监测情况，总结出满足盾构连续下穿高铁路基施工中沉降控制在设计要求之内的施工参数。根据掘进参数统计结果分析如下。

其一，盾构机总推力基本保持在1500～1800t，刀盘扭矩基本保持在1200～1800kN·m，土仓压力递增至2.4～3.5bar，推进速度稳定在35～50mm/min。

其二，试验段洞身穿越的地层为粉质黏土7-1、粉质黏土夹粉土7-2，推进过程中渣土改良主要以泡沫为主，辅以分散剂、膨润土改良黏土，泡沫参数根据实际土层中含水量进行调整，泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。泡沫组成：90%～95% 压缩空气和5%～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量计算为300～600L/m。通过合理的渣土改良，推进过程中刀盘扭矩、总推力均可稳定在相应数值上。

其三，区间试验段推进过程中每环出土量控制在71～72m之间，土压根据理论埋深计算，辅助以地面监测数据进行调整，推进过程安全可控，土压正常，地面沉降稳定。

其四，在推进过程中通过同步注浆辅助二次注浆进行封环注浆可满足地面沉降要求。

综上所述，根据下穿高铁路基试验段参数可指导下穿段参数设定。

3.2 下穿前的准备工作

其一，下穿前仔细对盾构液压系统、泡沫系统、掘进系统、顶进系统及电路系统等设备进行检查，确保穿越过程中设备零故障，进行不间断施工。下穿所需要的材料及备品备件提前准备完成，确保施工顺畅。

其二，下穿推进过程中，控制掘进速度，试验段为7～8 环/d，下穿段6～7 环/d。

其三，掘进参数按照下穿段给定的参数进行微调，保持切削土体方量与螺旋机输送方量平衡，确保开挖面稳定，每天对螺旋机双闸门进行关闭测试，防止出现突涌情况。同步注浆压注方量为6.5～7m，注足、饱满，后期根据监测情况进行二次补注浆，控制注浆压力达到6bar 且至少注入0.5m水泥浆时可停止注浆；尽可能减少地层损失率，控制在2‰之内，而且单次纠偏量≤1mm。

其四，施工中在地表布设监测点及在铁路上布设自动监测系统，盾构施工期间加强对铁路沉降、隆起的监测，每日进行盾构下穿高铁路基碰头会，对监测数据和影响因素进行分析，将分析结果及时反馈至专班群，确保隧道施工和铁路行车安全。

3.3 下穿过程中的控制措施

其一，每天安排专业安全人员对下穿前后地面进行观察和安全巡视，并积极做好应急措施。

其二，下穿杭州东站北侧铁路咽喉区段不具备地面加固条件，盾构下穿该段主要采用常规洞内加固措施。下穿段范围机场快线管片全部采用多孔管片，对盾构隧道拱顶和拱肩范围内地层立即进行注浆加固，注浆施工过程中根据监测反馈信息及时对注浆参数进行优化。

其三，盾构穿越期间，根据出土情况，适当加大改良泡沫剂注入量，改善开挖面土体和易性，如若推力增大、掘进速度降低、渣温升高，及时通知地面值班人员，综合判断是否出现结泥饼现象，适时注入分散剂。

其四，在下穿段及前、后30m 范围，K30+274～K30+461（311～435 环），盾构下穿段同步注入克泥效润滑剂，1 桶（200kg）/环。

其五，自动化监测情况分析：因铁路监测的特殊性，下穿杭州东站铁路咽喉区为自动化监测平台，监测频率为2h 一次，整个下穿过程未发生沉降报警情况，高铁路基沉降量均控制在2mm 及以下，满足铁路部门对盾构下穿时沉降量控制的要求，保证了盾构平稳有序穿越杭州东站北侧铁路咽喉区。

3.4 下穿过程中参数设定

下穿区间地层为粉质黏土7-1、粉质黏土9-1、粉质黏土11-1，隧道与铁路轨面竖向净高差39～41.5m，所处地层属于不透水地层，盾构在此地层内掘进应在保证土压平衡的情况下匀速掘进，减少对地层的影响。微扰动掘进模式即土仓压力上下波动小（土仓顶部压力波动幅度控制在0.2bar 之内）、刀盘转速低。

掘进速度控制在30～40mm/min，推进过程中保证同步注浆量与推进速度匹配，浆液量为1.5 倍理论值为宜，及时填充饱满，减少地层损失。

土压平衡盾构机控制沉降的主要措施之一为土压平衡，掘进进尺与出土量相匹配，确保出土不超排，是减少过程沉降的重要手段。施工过程中每环出土斗数一定，吊出土斗过程中用龙门吊进行称重，每斗约37t 重，与每斗22m土换算重量相匹配，可通过重量估算法判断有无超挖或欠挖。

二次注浆是对同步注浆未填充密实处进行再次注浆补充，此过程根据沉降数据确定持续时间，可少量多次进行，注浆时机为盾构脱出盾尾后，需要3～5环注浆空间。

其一，注浆压力。二次注浆压力在0.2～0.4MPa，实际压力根据计算及现场注浆效果最终确定。

其二，注浆量。二次补强注浆量根据地质情况及注浆记录情况，分析注浆效果，结合监测情况具体确定。

其三，注浆顺序。为保证环箍效果，应从下往上对称注浆；建构筑物下方采用增设注浆孔的管片，浆量与压力双控。

其四，注浆结束标准。补强注浆以洞门渗漏情况和压力控制为主，达到设计注浆压力且洞门无渗漏则结束注浆。

3.5 注入克泥效浆液

该工程采用的盾构机刀盘直径为7.18m、盾体直径为7.15m，理论上开挖直径与盾构机壳体之间存在着均匀的缝隙（约为3cm），等再往前推进后，采用同步浆液进行填充，存在时间差，此3cm 的缝隙会造成高铁路基产生沉降，为减少此过程对周边土体的扰动，操作人员选用凝结较快的克泥效浆液，利用预留在盾构机外壳上的径向孔注入克泥效浆液，快速填充该间隙。同时，克泥效浆液有良好的止水性能，不易流失，可阻断周边水向刀盘流动。通过快速填充地层与盾体之间缝隙，达到控制高铁路基沉降的效果，也是下穿高铁路基的重要措施之一。

4 危险源分析及处理措施

4.1 铁路路基变形过大的处理措施

盾构机通过东站铁路咽喉区路基段可能引起沉降，造成轨道下沉过大、轨道变形，发现该情况时，采取的措施为：停止盾构向前掘进，采取跟进注浆的方法进行二次补充注浆施工以确保管片与地层之间的空隙能够及时填充并且快速固结。具体步骤如下：

其一，将二次注浆设备前移至控制室车架前的通道平台上。

其二，预先在管片上设置注浆孔和接口。

其三，在管片脱出盾尾5～10 环后，如建构筑物监测显示仍有沉降，则用二次注浆机向管片壁后注入双液浆，使管片壁后填充保护层迅速强化，补充地层开挖损失并承载压力。

其四，注浆压力及注浆量根据地面建构筑物沉降监测数据确定。二次压浆时指派专人负责，对压入位置、压入量、压力值均做详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。

4.2 洞内掘进设备风险处理措施

其一，处理盾尾漏浆措施如下。

一是掘进过程若出现盾尾漏浆，则司机立即停止掘进，采用手动注脂的方法进行处理，此位置和相邻位置增加油脂注入量，若泄漏较大，则调大油脂注入量，直至完全密封住。渗漏停止后继续推进，并且掘进班应安排专人在盾尾处观察，司机时刻关注泄漏处的注脂压力变化，前后人员随时保持联系。

二是若在掘进结束后发生盾尾漏浆，则需要迅速完成管片拼装，并且在拼装时应在管片外弧面底粘贴2 道150mm×150mm 的海绵条、管片环面上粘贴70mm×120mm 的海绵条（背离撑靴的环面），同时应连续进行盾尾油脂的注入。

其二，盾尾涌水涌砂。为防止盾尾出现涌水涌砂现象，穿越前准备厚度为5mm 的圆弧形薄钢板，备用长度为30m、直径为6cm 的胶管。如遇特殊情况，用弧形钢板将胶管填压至盾尾和管片间隙中，在推进过程中采取每5 环两侧各贴1 环整环海绵的方式，并对盾尾部位封堵，加大盾尾油脂用量。同时，在盾尾脱出后5 环的位置注入双液浆封堵。

5 结论

综上所述，本研究通过盾构下穿多条高铁路基控制沉降的工程实例，总结出以下沉降控制措施：

其一，设置好试验段，总结出满足沉降要求的施工参数。

其二，下穿前对所有设备、系统进行检查，保证盾构平稳推进也是控制沉降的关键。

其三，做好出土量控制，同时确保同步注浆饱满以及二次补浆及时，是重要的管理措施之一。

其四，克泥效工法，通过快速填充刀盘外径与盾壳之间的空隙，及时稳定地层，减少地层损失，控制高铁路基沉降。

通过杭州地铁连续下穿多条高铁路基盾构施工，研究人员不仅验证了试验段总结参数及下穿前所有设备检查的必要性，而且在施工过程中参数应随监测数据变化而实时调整，还要确保同步注浆饱满和二次注浆及时，减少地层损失，同时，下穿过程中使用克泥效工法推进有效减少了地层损失，控制沉降效果明显，保证了高铁路基沉降安全可控，该工程顺利完成，为后续类似地层盾构连续穿越高铁路基施工打下坚实的技术及管理基础。