大直径盾构机下穿既有线沉降控制技术

任世宗

（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000）

1 项目简介

1.1 工程概况

成自铁路项目全长176km，作为四川境内第一条设计时速350km 的高速铁路，其中锦绣隧道采用盾构法施工，盾构机开挖直径12.79m，也是国产最大直径的土压平衡盾构机。盾构隧道管片外径12.4m，内径11.3m，幅宽1.8m，管片厚度55cm，该工程中需要9 块环管片来构建砌环。

盾构隧道长约2.6km，由成都驿都大道出发，依次穿越城市主干道三环快速路、既有高速铁路线及公路隧道等建构筑物地带，因隧道内部半径等因素影响，其线路的坡度为V 字型，坡度超过30°，可以保证隧道内通行的安全与通畅，期间覆土层最深处超过60m，这无疑对建筑工程的整体质量有了更高的要求。但其上下两方的岩层完美的解决了这一情况，其抗炎能力有效化解了可能因强度等而造成的影响，如图1 所示。

图1 隧道实景

1.2 盾构机情况

锦绣隧道本身采用了为其定做的土压平衡表盾构机，为保证施工的顺利，在其复合式刀盘处设置了近乎一半的开口率，之后设立了固定的分子注入区域，分子注入区域约为经现场需求核对后确定为16 个，其钢刀等道具也在80 把左右，长度约为482.6mm，这种盾构机的设计无疑保证了施工的效率，全程提采用锥形设计，最大程度的减少了摩擦力，并且结算朱双优钢的设计将其有效形成扩大到了3m 左右，其转弯能力也提高到了600m 左右，使其效果得到了充分的保障。盾构机主机如图2 所示。

图2 盾构机主机（单位：mm）

1.3 盾构机下穿既有线概况

盾构隧道在线路里程 DK3+083.450—D1K3+125.847 下穿既有成渝成都南下行联络线桥梁37#、38#墩以及既有成渝成都南上行联络线路基，下穿既有铁路桥梁上部结构为简支梁结构，采用摩擦桩基础，隧道穿越段桥梁段隧顶埋46.3～48.6m，正穿桥桩处隧顶与桩端最小竖向间距约16.5m，侧穿桥桩处隧道与桥桩外轮廓最小水平间距约0.9m，竖向间距约19m；既有铁路路基段为有砟铁路，盾构隧道穿越路基段隧顶埋深约44.5m。如图3 所示。

图3 下穿既有线实景

2 下穿既有线沉降数据分析

2.1 盾构段下穿既有铁路线监测布点情况

根据现有设计资料，结合相关规范，确定本工程穿越范围为42.4m，范围内按照每10m 左右布设一个监测断面，保持与地表沉降点在同一断面，共布设7 个监测断面[1]。

2.2 主要检测内容

（1）桥墩监测：在盾构掘进影响范围内，为保证其建设的合理与有效，在其铁路高架桥的桥墩了区域设立了两个可移动的监测点，经实地测量后，为保障此区域的数据获取准确，又在桥墩的周边区域设立了一组倾斜的监测点。点位标记清晰，并统一编号。

（2）路基竖向位移监测：在影响区域范围内，沿轨道走向每5m 设一个监测断面，为保证数据监测准确，其监测断面处经商讨后又在没监测面设立两个以上的位移监测点。点位标记清晰，并统一编号。

2.3 盾构下穿过程既有线沉降数据分析

统计记录盾构掘进下穿既有线前、中、后部分沉降位移数据，如表1 所示。

表1 下穿既有线沉降控制数据

通过上述记录数据分析，路基竖向最大位移累计变形沉降1.0mm，桥墩竖向位移最大变形量-0.9mm，桥墩倾斜最大变形量0.019%，远低于铁路沉降预警值。

3 盾构掘进参数总结

盾构机在下穿既有铁路线过程中通过前期试验段得出掘进参数如下。

（1）土仓压力控制：盾构掘进下穿既有线时隧道覆土厚度46~48m，地下水位埋深19~21m，掘进地层主要为泥岩裂隙水，土仓压力底部控制在2.3kPa，顶部1.5kPa，平均 1.8kPa。

（2）总推力控制：掘进程采用土压+气压模式推进，总推力控制在32000~38000kN。

（3）掘进速度控制：为减小大直径土压平衡盾构机掘进时刀盘对土体的扰动，降低掘进速度，推进速度控制在15~25mm/min。

（4）出土量控制：盾构掘进采用连续皮带机出渣，每环的出渣理论方量为238m3，渣土改良系数按照1.3计算，重量按照系数1.8~2 计算，每环的土渣量控制在523.6~618.8t。

（5）同步注浆控制：①注浆量控制，盾构机开挖直径12.84m，管片外径12.4m，管片环宽1.8m，砂浆理论注浆方量为15.7m2，泥岩地层按照1.2 填充系数注浆19m2，施工过程中按照19m2同步注浆；②注浆压力控制，根据土仓压力及注浆量的控制[2]，防止砂浆前窜包裹盾体，注浆压力控制在250~300kPa；③注浆时间与盾构的掘进时间同步；④同步砂浆配比为水泥:粉煤灰:膨润土:细沙:水=200:400:80:700:380。

4 下穿既有线沉降控制措施

4.1 掘进参数的控制

通过前期试验段总结的掘进参数，严格按照试验的掘进参数控制，对土仓压力的控制采用土压+气压模式控制，土仓压力底部控制在230kPa，顶部150kPa，平均180kPa；对出土量由试验得出，皮带机安装称重系统，控制在530~560t，严禁超排土方；通过总推力、掘进速度、刀盘扭矩作为可调参数确保土仓压力和出土量的控制。

4.2 同步注浆+同步补浆措施

盾构机在掘进的过程中，为保证其实际的掘进的效果，需要在盾尾同步进行注浆，而灌浆过程中管片会与周围的围岩会出现间隙，为避免管片见得间隙导致底层出现沉降变形的情况，需要在盾尾区域与管片间发生间隙时进行灌浆，在土体与管片间灌注浆液，避免出现土层坍塌或地表沉降的情况[3]。同步注浆效果的质量往往因砂浆材料、配比、施工工艺等填充不密实等原因，会造成地表沉降；同步注浆采用压力和注浆量双控，压力控制在150~300kPa。注浆过程中需根据现场环境的变化情况对注浆的压力进行调整，避免出现盾尾漏浆等情况。包裹盾体，从而盾构姿态控制纠偏困难。

本项目设计在同步注浆泵出口位置，设置管路三通，其中一路可正常对盾尾进行同步注浆，第二路则连通脱出盾尾的无环管片区域再次注浆，并且时刻关注此区域压力阀与压力表的变化情况，保证注浆的有效性，进而达到有效化填充的目的。及时补充管片壁后的空洞，起到防止地表沉降的效果。如图4 所示。

图4 同步注浆补浆

4.3 二次注浆技术措施

当盾构机下穿既有线时，采用增设注浆孔的管片进行管片壁后补浆，依据监测数据进行二次注浆，注浆位置为盾尾之后3~5 环。二次注浆有单液浆和双液浆两种形式，单液浆为水与水泥的拌制而成，主要起到地层填充作用，两者配比为1:1；双液浆是在单液浆基础上，增加水玻璃拌制而成，主要起到掘进地层的止水效果，一般为8~12 环进行一次，这一过程中需要给予浆液变化以充分的关注，通畅所采用的配比为1:1 的比例，而且经检验后确定，现场的水泥泥浆需要使用42.5的硅酸盐水泥来制作，才可保障其施工效果，之后配置水玻璃，保证注浆的压力在300kPa 以上，确保浆液扩散的效果。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，控制既有线地表的沉降[4]。

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。如还有存在脱空时应立即单液浆补浆[5]。化学双液浆注浆如图5 所示。

图5 化学双液浆注浆

5 结语

作为国内最大直径土压平衡盾构机在泥岩地层穿越既有线路基及高架桥桩过程中，通过掘进参数控制、注浆技术控制等措施，将既有线地表沉降数据均控制在1mm 内，既保证了既有高速铁路地安全运行，也为后续的大直径土压平衡盾构机在泥岩中穿越既有铁路线施工积累了宝贵的经验。