盾構(gòu)連續(xù)下穿多條高鐵路基沉降控制研究

周曉峰

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

盾構(gòu)下穿施工過程中建構(gòu)筑物發(fā)生沉降是比較常見的現(xiàn)象，因此，控制沉降及地層損失率是確保重要建構(gòu)筑物安全的重中之重。引起建構(gòu)筑物發(fā)生沉降的因素包括：地質(zhì)水文條件、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)、出土量控制以及二次注漿時機(jī)等。沉降是多種不利環(huán)境造成的結(jié)果，本文從杭州機(jī)場軌道快線下穿多條高鐵路基施工過程著手，提出下穿建構(gòu)筑物的控制沉降措施。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

杭州機(jī)場軌道快線新風(fēng)區(qū)間風(fēng)井5 至火車東站區(qū)間隧道設(shè)計(jì)起始里程為右（左）K29+809.331，終止里程為右（左）K31+703.672，右線長度約為1894.341m，左線長度約為1910.794m。為單圓盾構(gòu)區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道管片外徑為6900mm，內(nèi)徑為6100mm，環(huán)寬為1500mm，厚度為400mm，屬于通用型管片錯縫拼裝。區(qū)間采用2 臺鐵建重工ZTE7150 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，從新風(fēng)路風(fēng)井5 大里程端頭始發(fā)，始發(fā)后490m 位置，左線以R=365m（右線R=360m）的圓曲線向南下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)，最后到達(dá)火車東站小里程端頭接收。

該區(qū)間左線于K30+300～K30+427（長127m，85環(huán)）、右線于K30+305～K30+432（長127m，85 環(huán)）段下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)（影響范圍包括下穿段前30m、下穿段127m、下穿段后30m、盾體長度9m，共計(jì)196m）。該處鐵路共計(jì)10 股軌道，其中包括：第1～7股道為高鐵軌道、第8～10 股道為普鐵軌道。第1～4股道為同一路基，路基全寬約為33m，有兩組接觸網(wǎng)；第5～6 股道為同一路基，路基全寬約為14m，有兩組接觸網(wǎng)；另外，第7～10 股道為同一路基，路基全寬約為37m。機(jī)場快線與鐵路線近似60.6～74.4夾角斜交。

機(jī)場快線下穿段杭州東站鐵路咽喉區(qū)既有路基均為碎石道床，路基約為4.6m 厚，路基下布設(shè)約為12m 深的水泥攪拌樁，水泥攪拌樁直徑為0.5m，間距為1.2m，同時設(shè)置20m 厚的塑料排水板樁，樁間距為1.2m，共20m 深地基加固。區(qū)間隧道與鐵路軌面豎向凈高差約為39～41.5m，隧道與鐵路路基加固土層底豎向凈距約為13.5～16.3m。

1.2 水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)下穿范圍隧道縱向坡度為28.2‰，盾構(gòu)下穿范圍地層從上到下依次為：碎石填土1-1、砂質(zhì)粉土3-2、砂質(zhì)粉土3-4、砂質(zhì)粉土3-5、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土4-2、黏土5-1、粉質(zhì)黏土夾粉土5-2、粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土夾粉土7-2、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1、全風(fēng)化凝灰?guī)r20-1、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r20-2、中風(fēng)化上段凝灰?guī)r20-3。盾構(gòu)隧道穿越范圍內(nèi)地層主要為：粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1，盾構(gòu)穿越范圍不涉及承壓水。

地表及地下水：場區(qū)地表水主要為影響到該工程沿線的河流，該區(qū)間不涉及河流，無孔隙承壓水。

2 穿越施工情況

盾構(gòu)區(qū)間左線于2021年8月1日～8月20日完成連續(xù)下穿，區(qū)間右線于2021年9月1日～9月16日完成連續(xù)下穿。

左右線下穿完成后第三個月監(jiān)測數(shù)據(jù)，即2021年12月16日自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 左右線下穿高鐵路基自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)（2021年12月16日）

3 下穿高鐵路基沉降控制措施

3.1 設(shè)置試驗(yàn)段總結(jié)參數(shù)

盾構(gòu)施工過程中，掘進(jìn)參數(shù)是隨著不同的土層、埋深等條件變化而變化的，故而施工期間施工參數(shù)是動態(tài)的。該區(qū)間左右線下穿高鐵路基前30m 設(shè)置為試驗(yàn)段，根據(jù)試驗(yàn)段推進(jìn)過程中參數(shù)設(shè)定以及地面沉降監(jiān)測情況，總結(jié)出滿足盾構(gòu)連續(xù)下穿高鐵路基施工中沉降控制在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)的施工參數(shù)。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析如下。

其一，盾構(gòu)機(jī)總推力基本保持在1500～1800t，刀盤扭矩基本保持在1200～1800kN·m，土倉壓力遞增至2.4～3.5bar，推進(jìn)速度穩(wěn)定在35～50mm/min。

其二，試驗(yàn)段洞身穿越的地層為粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土夾粉土7-2，推進(jìn)過程中渣土改良主要以泡沫為主，輔以分散劑、膨潤土改良黏土，泡沫參數(shù)根據(jù)實(shí)際土層中含水量進(jìn)行調(diào)整，泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97%。泡沫組成：90%～95% 壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按開挖方量計(jì)算為300～600L/m。通過合理的渣土改良，推進(jìn)過程中刀盤扭矩、總推力均可穩(wěn)定在相應(yīng)數(shù)值上。

其三，區(qū)間試驗(yàn)段推進(jìn)過程中每環(huán)出土量控制在71～72m之間，土壓根據(jù)理論埋深計(jì)算，輔助以地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，推進(jìn)過程安全可控，土壓正常，地面沉降穩(wěn)定。

其四，在推進(jìn)過程中通過同步注漿輔助二次注漿進(jìn)行封環(huán)注漿可滿足地面沉降要求。

綜上所述，根據(jù)下穿高鐵路基試驗(yàn)段參數(shù)可指導(dǎo)下穿段參數(shù)設(shè)定。

3.2 下穿前的準(zhǔn)備工作

其一，下穿前仔細(xì)對盾構(gòu)液壓系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)及電路系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行檢查，確保穿越過程中設(shè)備零故障，進(jìn)行不間斷施工。下穿所需要的材料及備品備件提前準(zhǔn)備完成，確保施工順暢。

其二，下穿推進(jìn)過程中，控制掘進(jìn)速度，試驗(yàn)段為7～8 環(huán)/d，下穿段6～7 環(huán)/d。

其三，掘進(jìn)參數(shù)按照下穿段給定的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，保持切削土體方量與螺旋機(jī)輸送方量平衡，確保開挖面穩(wěn)定，每天對螺旋機(jī)雙閘門進(jìn)行關(guān)閉測試，防止出現(xiàn)突涌情況。同步注漿壓注方量為6.5～7m，注足、飽滿，后期根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，控制注漿壓力達(dá)到6bar 且至少注入0.5m水泥漿時可停止注漿；盡可能減少地層損失率，控制在2‰之內(nèi)，而且單次糾偏量≤1mm。

其四，施工中在地表布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)及在鐵路上布設(shè)自動監(jiān)測系統(tǒng)，盾構(gòu)施工期間加強(qiáng)對鐵路沉降、隆起的監(jiān)測，每日進(jìn)行盾構(gòu)下穿高鐵路基碰頭會，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和影響因素進(jìn)行分析，將分析結(jié)果及時反饋至專班群，確保隧道施工和鐵路行車安全。

3.3 下穿過程中的控制措施

其一，每天安排專業(yè)安全人員對下穿前后地面進(jìn)行觀察和安全巡視，并積極做好應(yīng)急措施。

其二，下穿杭州東站北側(cè)鐵路咽喉區(qū)段不具備地面加固條件，盾構(gòu)下穿該段主要采用常規(guī)洞內(nèi)加固措施。下穿段范圍機(jī)場快線管片全部采用多孔管片，對盾構(gòu)隧道拱頂和拱肩范圍內(nèi)地層立即進(jìn)行注漿加固，注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測反饋信息及時對注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

其三，盾構(gòu)穿越期間，根據(jù)出土情況，適當(dāng)加大改良泡沫劑注入量，改善開挖面土體和易性，如若推力增大、掘進(jìn)速度降低、渣溫升高，及時通知地面值班人員，綜合判斷是否出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，適時注入分散劑。

其四，在下穿段及前、后30m 范圍，K30+274～K30+461（311～435 環(huán)），盾構(gòu)下穿段同步注入克泥效潤滑劑，1 桶（200kg）/環(huán)。

其五，自動化監(jiān)測情況分析：因鐵路監(jiān)測的特殊性，下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)為自動化監(jiān)測平臺，監(jiān)測頻率為2h 一次，整個下穿過程未發(fā)生沉降報警情況，高鐵路基沉降量均控制在2mm 及以下，滿足鐵路部門對盾構(gòu)下穿時沉降量控制的要求，保證了盾構(gòu)平穩(wěn)有序穿越杭州東站北側(cè)鐵路咽喉區(qū)。

3.4 下穿過程中參數(shù)設(shè)定

下穿區(qū)間地層為粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1，隧道與鐵路軌面豎向凈高差39～41.5m，所處地層屬于不透水地層，盾構(gòu)在此地層內(nèi)掘進(jìn)應(yīng)在保證土壓平衡的情況下勻速掘進(jìn)，減少對地層的影響。微擾動掘進(jìn)模式即土倉壓力上下波動小（土倉頂部壓力波動幅度控制在0.2bar 之內(nèi)）、刀盤轉(zhuǎn)速低。

掘進(jìn)速度控制在30～40mm/min，推進(jìn)過程中保證同步注漿量與推進(jìn)速度匹配，漿液量為1.5 倍理論值為宜，及時填充飽滿，減少地層損失。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)控制沉降的主要措施之一為土壓平衡，掘進(jìn)進(jìn)尺與出土量相匹配，確保出土不超排，是減少過程沉降的重要手段。施工過程中每環(huán)出土斗數(shù)一定，吊出土斗過程中用龍門吊進(jìn)行稱重，每斗約37t 重，與每斗22m土換算重量相匹配，可通過重量估算法判斷有無超挖或欠挖。

二次注漿是對同步注漿未填充密實(shí)處進(jìn)行再次注漿補(bǔ)充，此過程根據(jù)沉降數(shù)據(jù)確定持續(xù)時間，可少量多次進(jìn)行，注漿時機(jī)為盾構(gòu)脫出盾尾后，需要3～5環(huán)注漿空間。

其一，注漿壓力。二次注漿壓力在0.2～0.4MPa，實(shí)際壓力根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場注漿效果最終確定。

其二，注漿量。二次補(bǔ)強(qiáng)注漿量根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況，分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測情況具體確定。

其三，注漿順序。為保證環(huán)箍效果，應(yīng)從下往上對稱注漿；建構(gòu)筑物下方采用增設(shè)注漿孔的管片，漿量與壓力雙控。

其四，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)強(qiáng)注漿以洞門滲漏情況和壓力控制為主，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力且洞門無滲漏則結(jié)束注漿。

3.5 注入克泥效漿液

該工程采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為7.18m、盾體直徑為7.15m，理論上開挖直徑與盾構(gòu)機(jī)殼體之間存在著均勻的縫隙（約為3cm），等再往前推進(jìn)后，采用同步漿液進(jìn)行填充，存在時間差，此3cm 的縫隙會造成高鐵路基產(chǎn)生沉降，為減少此過程對周邊土體的擾動，操作人員選用凝結(jié)較快的克泥效漿液，利用預(yù)留在盾構(gòu)機(jī)外殼上的徑向孔注入克泥效漿液，快速填充該間隙。同時，克泥效漿液有良好的止水性能，不易流失，可阻斷周邊水向刀盤流動。通過快速填充地層與盾體之間縫隙，達(dá)到控制高鐵路基沉降的效果，也是下穿高鐵路基的重要措施之一。

4 危險源分析及處理措施

4.1 鐵路路基變形過大的處理措施

盾構(gòu)機(jī)通過東站鐵路咽喉區(qū)路基段可能引起沉降，造成軌道下沉過大、軌道變形，發(fā)現(xiàn)該情況時，采取的措施為：停止盾構(gòu)向前掘進(jìn)，采取跟進(jìn)注漿的方法進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿施工以確保管片與地層之間的空隙能夠及時填充并且快速固結(jié)。具體步驟如下：

其一，將二次注漿設(shè)備前移至控制室車架前的通道平臺上。

其二，預(yù)先在管片上設(shè)置注漿孔和接口。

其三，在管片脫出盾尾5～10 環(huán)后，如建構(gòu)筑物監(jiān)測顯示仍有沉降，則用二次注漿機(jī)向管片壁后注入雙液漿，使管片壁后填充保護(hù)層迅速強(qiáng)化，補(bǔ)充地層開挖損失并承載壓力。

其四，注漿壓力及注漿量根據(jù)地面建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。二次壓漿時指派專人負(fù)責(zé)，對壓入位置、壓入量、壓力值均做詳細(xì)記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量。

4.2 洞內(nèi)掘進(jìn)設(shè)備風(fēng)險處理措施

其一，處理盾尾漏漿措施如下。

一是掘進(jìn)過程若出現(xiàn)盾尾漏漿，則司機(jī)立即停止掘進(jìn)，采用手動注脂的方法進(jìn)行處理，此位置和相鄰位置增加油脂注入量，若泄漏較大，則調(diào)大油脂注入量，直至完全密封住。滲漏停止后繼續(xù)推進(jìn)，并且掘進(jìn)班應(yīng)安排專人在盾尾處觀察，司機(jī)時刻關(guān)注泄漏處的注脂壓力變化，前后人員隨時保持聯(lián)系。

二是若在掘進(jìn)結(jié)束后發(fā)生盾尾漏漿，則需要迅速完成管片拼裝，并且在拼裝時應(yīng)在管片外弧面底粘貼2 道150mm×150mm 的海綿條、管片環(huán)面上粘貼70mm×120mm 的海綿條（背離撐靴的環(huán)面），同時應(yīng)連續(xù)進(jìn)行盾尾油脂的注入。

其二，盾尾涌水涌砂。為防止盾尾出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，穿越前準(zhǔn)備厚度為5mm 的圓弧形薄鋼板，備用長度為30m、直徑為6cm 的膠管。如遇特殊情況，用弧形鋼板將膠管填壓至盾尾和管片間隙中，在推進(jìn)過程中采取每5 環(huán)兩側(cè)各貼1 環(huán)整環(huán)海綿的方式，并對盾尾部位封堵，加大盾尾油脂用量。同時，在盾尾脫出后5 環(huán)的位置注入雙液漿封堵。

5 結(jié)論

綜上所述，本研究通過盾構(gòu)下穿多條高鐵路基控制沉降的工程實(shí)例，總結(jié)出以下沉降控制措施：

其一，設(shè)置好試驗(yàn)段，總結(jié)出滿足沉降要求的施工參數(shù)。

其二，下穿前對所有設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證盾構(gòu)平穩(wěn)推進(jìn)也是控制沉降的關(guān)鍵。

其三，做好出土量控制，同時確保同步注漿飽滿以及二次補(bǔ)漿及時，是重要的管理措施之一。

其四，克泥效工法，通過快速填充刀盤外徑與盾殼之間的空隙，及時穩(wěn)定地層，減少地層損失，控制高鐵路基沉降。

通過杭州地鐵連續(xù)下穿多條高鐵路基盾構(gòu)施工，研究人員不僅驗(yàn)證了試驗(yàn)段總結(jié)參數(shù)及下穿前所有設(shè)備檢查的必要性，而且在施工過程中參數(shù)應(yīng)隨監(jiān)測數(shù)據(jù)變化而實(shí)時調(diào)整，還要確保同步注漿飽滿和二次注漿及時，減少地層損失，同時，下穿過程中使用克泥效工法推進(jìn)有效減少了地層損失，控制沉降效果明顯，保證了高鐵路基沉降安全可控，該工程順利完成，為后續(xù)類似地層盾構(gòu)連續(xù)穿越高鐵路基施工打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)及管理基礎(chǔ)。