软弱地层中土压平衡盾构穿越铁路技术措施的探讨

　　摘 要：本文以宁波地铁某隧道区间盾构穿越杭甬铁路桥施工为例，总结阐述了淤泥质粘土等软弱地层中，盾构机穿越既有铁路的技术控制措施，规避了盾构施工引起地面铁路沉降过大的风险，为类似地层下盾构穿越铁路施工积累了经验。

　　关键词： 软弱地层   土压平衡盾构    穿越铁路    控制技术

　　Abstract: this article with a metro tunnel interval ningbo shield through hang-yong railway construction as an example, the paper summarizes the mucky clay and weak stratum, shield construction machine through both the technical control measures railway, avoid the shield tunnel ground subsidence caused by railway too much risk, under the ground for similar shield through railway construction accumulated experience.

　　Keywords: soft layers soil pressure balance shield through railway control technology

　　1  工程及地质概况

　　1.1穿越段概况

　　宁波市轨道交通1号线一期工程TJ-Ⅱ标工程处于宁波市海曙区，工程含三车站三盾构区间，总长度约2.3公里。其中，泽民站~大卿桥站区间盾构须穿越萧甬铁路桥箱涵。

　　泽民站~大卿桥站区间线路沿中山西路自西向东布设，本区间线路在里程（右）K8+345.000（中心）处下穿萧甬铁路公铁立交桥。本区间从泽民站东端头（右K7+919.438）始发至铁路桥中心里程（右K8+345.000）处距离约426米，见图1。

　　图1【泽～大】区间盾构掘进顺序示意图

　　萧甬铁路桥桥体为三孔箱型框架结构，箱型结构高度7.4米，净空5米，三孔的宽度分别为8、16、8米，箱体长度为10米，基底预制方桩，满堂红布置，桩长度4米。

　　箱体上方为南北向的杭甬铁路，复线，线间距5米，下方为垂直相交的中山西路（双向5车道）。

　　盾构隧道沿中山西路布置，隧道顶部距桩底约8.5米。

　　图2桩基础与隧道位置关系

　　平面位置：中山西路立交桥中心里程位于杭甬铁路K144+852，其中心线与既有铁路法线交角为10°25′36″（10.43°），见图3。

　　图3区间线路与铁路桥平面位置关系及周边情况

　　1.2穿越段地质情况

　　穿越铁路桥处主要地层为③2层粉质粘土、④1-1层淤泥质粉质粘土、⑤1层硬土层，如图4。其中淤泥质粘土层含水量高，孔隙比大，渗透性差，呈流塑状，且具有压缩性高，强度低、触变性及蠕变性强等工程力学性质特点。在外力作用下易扰动且强度降低，盾构掘进中保持土压平衡较困难，且往往会出现前期沉降及盾构通过后沉降长期不收敛。

　　图4 穿越段地质情况

　　2 盾构施工对铁路影响预测

　　2.1地表隆陷变化规律

　　根据盾构施工特点，地表变形的变化发展过程可以分为五个阶段：

　　（1）盾构到达前，地表的变形取决于掘进过程中土仓压力和出土量的控制，当土仓压力较大而出土量较少时，地表呈隆起状态；当设定土仓压力小而出土量大时，地表呈沉降状态。

　　（2）盾构到达时，地表变形承接（1）阶段的发展。但变化速率增大。是地表隆陷的峰值段。

　　（3）盾构通过时，一般情况地表会呈沉降变化；若注浆及时饱满，充填率超过200％时，会表现为隆起。

　　（4）盾尾通过时，最易发生突沉，突沉量可达30mm，若注浆及时饱满，可控制突沉，甚至上隆，但随着浆液的固结收缩而逐渐下沉。

　　（5）盾尾通过后，地表沉降速率逐渐减缓，沉降曲线趋于稳定。后期沉降主要是土体的固结沉降和次固结沉降，一般沉降时间较长，但沉降量也相对较小。

　　2.2盾构掘进引起地表沉降的因素

　　盾构掘进引起的地表沉降的因素有以下几个方面：

　　（1）开挖面土压不平衡引起的土体损失；

　　（2）盾构蛇行纠偏引起的土体损失；

　　（3）盾尾与衬砌环之间的空间未能及时充填引起的土体损失；

　　（4）注浆材料固结收缩；

　　（5）隧道渗漏水造成土体的排水固结；

　　（6）衬砌环变形和隧道纵向沉降；

　　其中前三项是施工直接影响的主要因素，施工中应引起足够重视。

　　2.3铁路对地表变形适应能力评估

　　根据《铁路线路维修规则》和设计要求，结合宁波地层沉降规律，每二小时线路轨面变化不超过-3/+3mm；24小时线路轨面变化量不得超过-8mm/+8mm，累计隆沉量-30/+10mm；

　　地面面累计沉降不超过30 mm，累计隆起不超过10 mm。

　　以上数据作为施工控制参考基准值，具体应以铁路部门要求为准。

　　3 施工保护措施

　　3.1穿越前准备

　　根据以往经验，盾构施工对铁路的影响确定为隧道埋深1.5倍的的范围，因此，将盾构穿越加固区（28米）作为盾构穿越影响段，即穿越铁路轨道前后约12环，加上盾构主机长度约8米，确定 343～374环为盾构穿越影响段（加固区），其中355～360环为穿越铁路轨道段。

　　（1）在盾构通过前，必须对通过段铁路桥箱涵下方土体进行压密注浆加固，并达到设计强度，具体施工方案在此不再详述。

　　（2）施工前与铁路相关部门取得联系，详细了解铁路保护标准及列车运行频次等情况，结合铁路局安全、运输等部门的指导建议，制定可靠的保护方案，并建立完善的预警机制。

　　（3）确保机械设备状态良好，并保证人员配备。

　　（4）将盾构穿越铁路之前100环（241～340环）作为模拟段，及时总结出盾构机穿越该类土层的最佳参数。

　　3.2穿越阶段控制措施

　　3.2.1各施工阶段需重点控制参数

　　按照盾构穿越顺序，对地表沉降的控制主要可分以下四个阶段，各阶段主要控制参数见表2。

　　表2构穿越铁路各阶段重点控制参数表

　　阶 段盾构与管片相对位置推进环数范围盾构推进重点控制参数

　　阶段一切口距铁路10环～切口进入铁路345环～355环土压力、出土量

　　阶段二切口进入铁路～盾尾脱离铁路355环～378环土压力、出土量、同步注浆量

　　阶段三盾尾脱离铁路～盾尾脱离铁路10环378环～288环同步注浆量、二次注浆

　　阶段四盾尾脱离铁路10环后388环后二次注浆

　　3.2.2施工过程需采取的技术措施

　　（1）严格控制盾构土仓压力

　　盾构刀盘前方土压发生变化时，刀盘前方土体内的应力会重新分布，从而引起地表变形，产生隆起或下沉。具体控制过程中，安装在土仓内的土压传感器可以适时将刀盘前部的土压值显示在控制室屏幕上，盾构主司机根据地面监测信息的反馈及时更改并设定土压力。如盾构机前方铁路、地表下沉则将盾构机土压提高，如盾构机前方萧甬铁路、地表隆起则降低土压，并及时总结得出最合理的土压力及出土量，尽量减小对土体的扰动，使土体位移量最小。

　　（2）合理控制推进速度

　　盾构推进通过对土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度，推进速度控制在2～2.5cm/min，并在推进过程中保持稳定，每日推进6～8环；并保持推进速度、出土速度和注浆速度相匹配。

　　（3）合理控制出土量

　　出土量与土压力值一样，也是影响地面沉降的重要因素。盾构机的开挖断面为31.55㎡，管片长1.2m，每环的理论出土量为31.55×1.2×1=37.86m3，在盾构机穿越的萧甬铁路时，将出土量控制在理论出值的98%，即37.86×98%=37.1m3左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起（不超过1mm），以便抵消一部分土体的后期沉降量，从而使萧甬铁路沉降量控制在最小范围内。

　　（4）及时进行同步注浆

　　因盾构外径大于管片外径，盾尾通过后管片外围和土体之间存在空隙，施工中采用同步注浆来充填这一部分空隙，减少周围土体在填充空隙时引起的变形，减小地面沉降。同步注浆浆液选用可硬性浆液，根据以往经验、采取配合比见表3。施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量，严格控制浆液配比，使浆液和易性好，泌水性小，为减小浆液的固结收缩，实验室定期取样试验，进行配合比的优化。

　　表3同步注浆配合比

　　水泥（kg）粉煤灰（kg）膨润土（kg）砂（kg）水（kg）

　　13432669862433

　　结合以往施工经验，同步注浆量一般控制在建筑空隙的180％～200％，实际施工中浆液的用量结合前一阶段施工的用量以及监测报表和注浆压力综合进行合理选择，同步注浆尽可能保证匀速、匀均、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。

　　注浆压力控制在0.3MPa左右，注浆量和压浆点视压浆时的压力值和地表沉降监测数据而定。

　　初始选择的注浆量计算如下：

　　每推进一环理论建筑空隙为：3.14×（6.342-6.22）÷4×1.2=1.65m3

　　同步注浆量控制在建筑空隙的180％～200％

　　即每环同步注浆量为3.0～3.3m3

　　（5）严格控制盾构纠偏量

　　盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾构机进入铁路影响范围之前，将盾构机调整到良好的姿态，并且保持这种良好姿态穿越铁路。在盾构穿越的过程中尽可能匀速推进，推进速度不宜过快，最快不大于3cm/min，确保盾构机均衡、匀速地穿越铁路，减小盾构推进对前方土体的扰动。盾构姿态变化不可过大、过频，控制每环纠偏量不大于10mm（高程、平面），控制盾构变坡不大于1‰，以减少盾构施工对地层的扰动影响，从而尽可能减少地表沉降，保证铁路安全。

　　（6）管片拼装时需注意事项

　　在盾构处于拼装状态下时，千斤顶的收缩会引起盾构机的微量后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待几分钟之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶数量尽可能少，满足管片拼装要求即可。在管片拼装过程中，安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，减少土体沉降。

　　（7）地表及铁路沉降监测

　　在盾构施工过程中对土体的扰动必然会导致一定程度的地面沉降，从而影响铁路的安全。在盾构施工过程中，必须对铁路及周围地表沉降进行监测，通过监测结果来指导施工参数的优化，从而保证萧甬铁路的安全。关于监测点的布置、监测频率设置、精度要求等内容限于篇幅，在此不再详述。

　　3.3盾构穿越后措施

　　由于盾构推进时同步注浆的浆液在填补建筑空隙时，有可能会沿土层裂隙渗透而依旧存在一定间隙，且浆液的收缩变形也存在地面变形及土体侧向位移的隐患，受扰动土体重新固结产生地面沉降。因此根据实际情况（监测结果）需要，在管片脱出盾尾5环后，可采取对管片后的建筑空隙进行二次注浆的方法来填充，浆液为水泥、水玻璃双液浆，注浆压力3～5bar。

　　4 结论与建议

　　宁波地铁盾构工程穿越铁路施工中所遇到的地质条件，主要是淤泥质粘土层及部分硬土层，其含水量高，孔隙比大，渗透性差，且具有压缩性高，强度低、触变性及蠕变性强等工程力学性质特点，通过宁波地铁1号线的施工，基本摸索出了适应地质特点的技术控制措施，较好地解决地面沉降难以控制等技术难题，满足了铁路对沉降控制要求高的特点，并为类似地质条件下土压平衡盾构的穿越铁路施工积累了经验。

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