北京市政路桥股份有限公司 北京 100071
摘要：伴随着城市交通日渐立体化，地铁工程建设在我国各大城市高速兴起。盾构施工技术以其快速、安全等优点越来越多地被应用于地铁建设中。盾构穿越铁路等特级风险源也成为较常见现象，因其安全风险、事故社会影响较大，所以该项施工重中之重，必须确保穿越万无一失。本文以北京轨道交通房北03合同段首~丰盾构区间下穿永丰、京沪铁路特级风险源为例，对盾构掘进中的主要参数如土压力、刀盘扭矩、注浆量等进行分析，对掘进效果进行总结。其成功经验对今后类似盾构工况施工有一定的借鉴意义。
关键词：特级风险源；盾构；掘进参数
1．首~丰盾构区间概况及铁路概况
本标段为房山线北延03合同段，包括1站2区间：丰益桥南站（明挖站）、首经贸站~丰益桥南站盾构区间、丰益桥南站~终点暗挖区间。首经贸站~丰益桥南站区间采用盾构法施工、全长877.115m。盾构自丰益桥南站始发后，依次下穿16号线换乘站、京沪、永丰铁路以及西三环路，之后沿芳菲路向南到达首经贸站北端的盾构接收井，最后从盾构接收井平移至盾构吊装井吊出。区间隧道底部埋深23.76～26.89m，覆土厚度为17.76～20.89m。右线区间长度886.833m，左线区间长度883.169m。线路设置半径为500m的平曲线3处，线间距10m～17m；线路纵段为单面坡，左右线坡度分别为4.224‰、4.219‰。盾构下穿永丰京沪铁路起始里程：SK29+333.830（ 109环）；终点里程：SK29+410.949.830（46环），总计64环。区间穿越风险源时采用多孔注浆管片；以便穿越后及时进行土体加固。
永丰、京沪铁路范围内区间隧道覆土19.7m、穿越的地层主要为层卵石：杂色，稍湿～饱和，密实，呈亚圆型，母岩成份以石英岩、砂岩及花岗岩为主,含量约占55～60%，一般粒径20～190mm，最大粒径约210mm，含约10～20%的中粗砂及少量黏性土充填。
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既有永丰铁铁路和京护铁路均为双线电气化铁路无缝线路碎石道床钢筋混凝土轨枕，轨道类型为60kg/m轨。现状为5股道，其中包括永丰上、下行线、京沪上、下行线与1条专用线（专用线目前未使用），轨底标高分别为44.84m、44.85m、44.82m、44.77m 和44.61m，下穿铁路位于丰台站至北京南站区段，发车间隔加4对/24小时，荷载为70T。地铁隧道与永丰京沪铁路斜交角度约为70°，相交段长度约为35m，左线隧道与铁路相交里程分别为永丰线K6+436 与京沪线K16+041.9，右线隧道与铁路相交里程分别为永丰线K6＋418.6 与京归~K16+0245 ，下穿影响范围内有4 组道岔，路基两侧有铁路通信、信号、电力电电缆以及接触网杆、供电杆、转辙机等设备，永丰铁路、京沪铁路在交叉位置处的运行速度分别为70km /h、100km /h。
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根据水文地质情况及工程特点，特选用石川岛公司Φ6.14m加泥式土压平衡盾构机。
2．铁路加固设计方案
为保证施工安全顺利进展，我项目部多次邀请各方专家召开研讨会，最终制定详细的穿越专项方案。铁路加固设计方案如下。
2.1注浆加固
为保证盾构施工过程中既有铁路运营的安全，在盾构施工至铁路影响范围之前（XK29+330.375~XK29+407.500、SK29+333.830~SK29+410.949）需在地面对既有铁路路基进行注浆加固，确保既有线运营安全。
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永丰京沪铁路路基注浆平面图
地表路基注浆加固范围沿铁路方向为区间隧道中心线外侧各22m，总长约65m，宽度为最外侧铁路中线外10m范围内，注浆深度范围为铁路路基面以下2m开始注浆，注浆层厚度为6m。
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永丰、京沪铁路路基基底加固纵断面图
地表路基注浆孔间距为1.0~1.5m，注浆管直径42mm（t=2.5mm），单孔浆液扩散半径0.6~1.0m。
2.2线路加固
因为线路涉及道岔区，将加固体系分为3个，永丰上行线、下行线作为一个独立加固体系，京沪铁路上行线为一个独立加固体系，京沪铁路下行线作为一独立加固体系，根据隧道穿越时间对线路分两次加固，线线路加固长度均为62.5m，右线线路加固长度均为62.5m。
隧道暗挖衬砌施工穿越既有铁路线前需要对铁路线路进行加固，为了保证加固体系稳定性与安全性，加固前在既有线路范围两端纵向施作枕木垛，加固采用3-5-3扣轨、 5扣扣轨加纵横梁加固方法，扣轨采用P50轨；工字钢横梁都采用I40b@2000mm工字钢，纵梁均采用3根I45b工字钢，详见线路加固平面图。由于涉及岔区，为了保证道岔正常使用，不影响列车运行安全，对部分岔区及转辙机影响范围采用3-5-3扣轨加固，不进行纵横梁加固。
线路加固前首先在加固区域内混凝土枕间穿入木枕，木枕截面为160x220mm，长度为3.2m，间距0.55m、1.1m、0.55m、1.1m…布置。横梁工字钢托在木板下面。穿横梁工字钢时，垫木板防止联电，其下设稳定的枕木垛支垫，接头钢板连接并施焊。纵梁工字钢为I45b 型，设置成3根一束，每个加固体系两侧各设置一束，纵梁工字钢接头处相错搭接，接头错开1.5米以上，纵梁两端头设置枕木垛，不能影响限界。详见下图线路加固横断面图,线路加固纵横断面图。
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线路加固设计平面图（一）
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线路加固设计平面图（二）
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岔区线路加固大样图
3．针对卵石地层及沉降控制等重难点采取措施
1、盾构机刀盘采用辐条式，中间支撑，开口率73%。开口率大能够减少土体对刀盘、刀具的磨损。针对本合同段地质条件的特点，有针对性的合理配置刀具，刀盘配置有先行刀、刮刀、周边刀、超挖刀、鱼尾刀等，在刀圈周边加焊网格状耐磨材料，提高其耐磨性，满足本合同段砂卵石地层施工要求。
2、 盾构在圆砾地层中推进时，对刀盘扭矩和推力要求高。本合同段刀盘驱动形式选用电机驱动，共10台电机，有效增加刀盘扭矩，最大工作扭矩达到5235kN.m。盾构机共有16台主推千斤顶，最大推力为37500kN，能够满足在卵石地层中掘进的要求。同时，在盾构机前盾和中盾的外周圈各有6个减阻泥浆注入孔，以便在推力增大时通过注入减阻泥浆和聚合物来减小推力，满足盾构机在砂卵石地层推进时大推力、高扭矩的性能要求。
3、本台盾构机的同步注浆系统采用双液注浆，浆液初凝时间短，能快速填充管片与土体间空隙，确保盾构安全穿越。同时也配备二次补注浆系统，必要时进行二次补注浆或多次补注浆，满足本合同段区间穿越风险源多、沉降控制要求高的施工要求。
4、在刀盘辐条上有两处泡沫注入孔，在四处处膨润土注入孔，通过向切削面和土仓内加注适量的膨润土泥浆、泡沫等润滑材料，提高土体的流塑性，降低切削土体对刀具的磨损。同时通过改变膨润土、泡沫的注入压力、流量进而控制土压力稳定，进而保证盾构机下（侧）穿风险源时施工安全。
4.掘进技术参数控制及监测方案
在盾构穿越施工时，根据试验段数据分析合理设定土压力、调节盾构推进速度、排土速度等施工参数，保持开挖面稳定，使盾构保持均衡施工，控制同步注浆的压力和速度，及时实施二次补浆，推进完毕后采取径向注浆等措施。
依据沉降监测数据，合理调整盾构机掘进参数，以“匀速，均衡、连续”的原则通过铁路，施工参数控制如下：
注浆量控制：同步注浆和二次补浆均采用早凝、早强双液浆（水泥、水玻璃初凝时间21s，30分钟就能满足要求）。掘进每环同步注浆量理论值约为1.95m³，根据以往类似工程的施工经验，注浆量控制在130%～150%。即每环注浆量控制在2.5～2.9m³。
二次补注浆：二次补注浆采用与同步注浆相同的双液浆。过铁路期间，采取每环都进行二次补浆。二次补浆在脱出盾壳后第5环开始进行，以压力控制为主，注浆量为辅。补注浆的压力为 0.35～0.45MPa （比同步注浆的压力高0.10～0.20MPa），注浆量约为0.5m³ ～1 m³ ；以更好的对外部间隙进行填充。能有效及时的控制地面沉降。
径向注浆：63-92环为多孔注浆环；脱出台车后通过管片注浆孔进行径向注浆。注浆管为长1m-2.5m、φ25mm小导管。浆液采用单液水泥浆，注浆压力为0.5 MPa～1.5MPa，范围内每环均进行径向注浆。
出土量控制：根据刀盘的开挖尺寸计算每环出土量的理论值（约39m³）以及每环泥浆注入量（约3-5m³），每环的出土量控制在42~44m³。控制的方法主要采取渣土容量的控制方法，即每列电瓶车挂4节渣土车，每节渣土车约14m³，每列电瓶车可将1环渣土全部运出，并且在每节渣土出外侧标记出渣土方量标尺，如右图所示，便于有效地控制每环出土量。
为真实反映地基沉降情况，提供地层位移信息，埋设2组深层土体分层沉降测点，沉降管埋设至原状土层，在铁路防护栏外5m及10m位置，盾构右线正上方新增布设两个深层沉降观测孔，孔深15m，每孔设4个测点，共8个测点。
为了本次穿越的顺利完成，项目部严格按照铁路部门及设计单位等各方确定的速度（8环/天）掘进，且每完成一环，须与铁路加固单位（中铁六局）、第三方监测、铁建监理、土建监理以及铁路部门（丰台公务段）等六家单位共同确定线路安全状况，确定安全后方可进行下一环施工。
5.穿越效果评估
2019年8月30日，随着第110环管片拼装完成，标志着房山线北延03标段首经贸站～丰益桥南站区间右线盾构下穿永丰、京沪铁路顺利完成。其间左线路基最大沉降量2.93mm，右线路基最大沉降量1.6mm，盾构各参数控制在合理范围内。
左线盾构下穿铁路监测数据统计
左线、右线盾构下穿永丰京沪铁路施工完毕后，我方均委托第三方检测单位进行空洞探测后未发现空洞、壁后饱满密实，因此同步注浆及二次补浆参数选用合理，效果显著。
6．结束语
盾构掘进参数管理是一种动态的管理模式，尤其是在穿越特殊建构筑物（高级别风险源）过程当中，对盾构掘进参数的管理要求极为严格。只有通过不断分析、调整，使各种参数组合处于最优状态，才能使盾构机平稳、快速推进，将对地表建构筑物的影响降到最低。房北03标左右线盾构机顺利穿越铁路特级风险源，穿越效果和监测数据均得到了业主和同行业内人员的充分肯定，为我单位在此类工程施工方面积累了宝贵丰富经验，也对其他类似工况具有一定的参考、借鉴价值。