中铁十局集团第三建设有限公司 安徽省合肥市 230601
摘要：文章以某盾构法施工的水利工程隧道成功下穿沪昆铁路上行线、杭州北车辆段、乔司编组站、沪昆铁路下行线为背景，对软弱地层条件下盾构无加固连续穿越铁路施工技术进行研究与总结，提出了沉降控制措施，对类似盾构穿越营业线施工具有参考意义。
关键词：盾构机；软弱地层；无加固；营业线施工；技术措施
某配水工程区间隧道采用土压平衡盾构机施工，成功连续穿越沪昆铁路上行线、杭州北车辆段、乔司编组站、沪昆铁路下行线及沪昆高铁，文章以此为背景，对软弱地层无加固条件下盾构连续穿越铁路施工技术进行研究与总结，提出土压平衡盾构机在软弱地层中穿越股道群所采取的各种技术措施，对后续类似环境施工具有一定的参考意义。
一、工程概况
（一）区间与铁路关系
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图1 下穿铁路股道群平面示意图
某配水工程区间隧道采用土压平衡盾构机施工，隧道长2.95Km，隧道内径5500mm，外径6200mm，线路采用V字坡，以4.175%、2.111%坡度下行至最低点，以2.664%、0.659%坡度上行至区间终点，连续穿越既有铁路股道群，穿越线路总长约383m。包括沪昆铁路上行线、杭州北车辆段、乔司编组站、沪昆铁路下行线，共计32股道。线路密集布设，不具备地层加固条件。其中，沪昆正线行车速度160Km/h，出发场出发线和车辆段内线最大行车速度30Km/h，调机行走线不超过40Km/h。乔司站按三级五场布置，是浙江最大、最现代化的编组站，华东地区铁路网主要编组站之一。具体如下：
1.沪昆铁路上行线。路基，双线，穿越线路长约25.1m，线路隧道中心线与铁路交角约83°，盾构里程范围KF0+487.608～KF0+512.714。
2.杭州北车辆段。路基，17股道（含道岔）及影响区，穿越线路长约170.7m，线路隧道中心线与铁路交角约57°～89°，盾构里程范围KF0+521.157～KF0+691.832。
3.乔司编组站。路基，11股道及影响区穿越线路长约76m，线路隧道中心线与铁路交角约68°，盾构里程范围KF0+691.832～KF0+767.828。
4.沪昆铁路下行线。路基，双线，穿越线路长约18.1m，线路隧道中心线与铁路交角约68°，盾构里程范围KF0+792.405～KF0+810.517。
（二）工程地质条件
1.地形地貌
工程位于杭州市余杭区，场地地貌单一，属杭嘉湖平原区，地表水系发育。场地地形受人类活动影响，地表建筑物形式多样，地面交通路况复杂。区间隧道除穿越铁路股道群外沿线还穿越铁路高架桥、铁路配套用房、厂房及民居群、城市道路、燃气管线等重要设施。
2.地层特点
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图2 隧道穿越地质纵剖图
铁路区段地层自上而下主要有②1砂质粉土，②2淤泥质粉质黏土，③1粉质黏土（夹粉土），③2粉质黏土，④2粉质粘土，⑤2粉质黏土（含粉土），⑥2黏质粉土（含粉土）。其中，③2粉质黏土、④2粉质黏土土质较软，土性与软土相近。场地内软弱土层主要物理力学指标如下：
②2淤泥质粉质黏土层：ω=40.3%，e=1.127，ωL=37.6%，ωp=22.1%。
③1粉质黏土层：ω=37.4%，e=1.054，ωL=37%，ωp=21.8%。
③2粉质黏土层：ω=38.5%，e=1.09，ωL=38.7%。
④2粉质黏土层：ω=37.0%，e=1.048，ωL=38.5%。
上述土层土质软弱，天然含水量高、孔隙比大，具有高压缩性，高灵敏度，低透水性，承载力低，抗剪强度低的特点，具流变及触变性，对盾构掘进影响大，沉降控制难度高。
二、盾构施工对既有线影响分析
（一）沉降控制标准
铁路路基沉降控制在8mm以内，沉降速率控制在2mm/d以内，轨面最大高低不平顺控制在4mm以内，最大水平不平顺控制在4mm以内。
（二）沉降理论计算与论证
根据同济咨询报告结论，按地层损失率0.5%计算：穿越区范围铁路路基最大沉降为2.954mm，沉降速率最大值0.529mm/d，各种工况下轨面最大高低不平顺为0.095mm，最大水平不平顺为0.117mm。满足铁路沉降控制标准要求。
（三）施工影响分析
盾构施工引起的隧道周围地表沉降是指主固结沉降、次固结沉降和施工沉降（也称瞬时沉降）三者之和。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密，次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降，施工沉降（也称瞬时沉降）主要指盾后空隙沉降。具体来说，造成地表沉降的原因主要有以下几个方面：
1.地层土体特性的影响
隧道上覆地层能形成自然载拱，土体压缩模量越大，自然载拱效应越好，地面沉降越小。在土层压缩模量较小时，自然载拱效应差，地面沉降受模量的变化影响大。
2.地层损失的影响
盾构掘进出土量偏大、土压力设定不合理、同步注浆量不足、盾构曲线推进、纠偏，隧道渗漏水等质量缺陷等会造成土体扰动、失水、超挖等，引起不必要的地层损失，从而发生地表沉降。
3.隧道埋深的影响
根据上海同济工程咨询有限公司设计方案咨询报告（2018-T44），采用Peck方程模拟不同埋深条件下地层沉降曲线，加大埋深理论上可有效降低地表沉降最大值，但同时需考虑盾构设备性能（密封系统、注浆系统、爬坡性能等）对隧道埋深的适应性。
4.浆液收缩固结的影响
同步浆液填充管片与土体建筑空隙后，会向周边土体扩散，发生固结收缩，从而引起工后地表沉降。
三、穿越铁路施工技术
（一）线路设计
1.线形
根据穿越区铁路股道群分布特点，对隧道平面曲线进行专项设计，充分利用铁路区外有利地形，调整隧道线路与铁路股道交角近于90°，类正交穿越以减少穿越铁路影响范围。同时穿越区范围内隧道线形设计为直线，有利于施工期间盾构掘进姿态控制。
2.线路
平面线位选择避开杭北车辆段咽喉区影响，设计线位于车场中间，避免与目前电气化改造工程交叉。对道岔区选择周末停用期间穿越，从而最大程度降低施工影响。
3.埋深
加大隧道埋深至36.7～39.7m。该埋深地层主要分布④2粉质粘土，⑤2粉质黏土（含粉土），⑥2黏质粉土（含粉土）土层中，避开了③1粉质黏土（夹粉土），③2粉质黏土等软弱地层。
（二）设备选型
盾构机选型重点考虑3个方面：
1.密封系统性能。包括主驱动密封、盾尾密封、铰接密封，能够适应大埋深地层条件。
2.刀盘类型和规格。区间穿越软硬不均地层，应选用软土刀盘。刀盘直径参数应选择与盾体尺寸差较小的直径。
3.设备爬坡能力。由于增大埋深，线路最大坡度4.175%。在盾构机、电瓶车选型时，设备性能参数需满足该爬坡能力要求。
4.设备稳定性。隧道全长2.95Km，除穿越股道群外，涉及建构筑物环境复杂，地质条件差，要求设备性能稳定，适应长距离无故障掘进。
工程选用小松88#盾构机，主驱动密封承压8/11bar，铰接密封7/10bar，盾尾密封采用3道尾刷。刀盘直径6360mm，盾体直径6340mm，直径差20mm。盾构设备爬坡性能5%，编组列车选用55T锂电池电瓶车，并对低点轨道进行抬高处理，减小编组行车坡度，满足上述选型要求。
（三）掘进技术
1.掘进参数控制
穿越铁路区域前100环设置试验段，模拟穿越铁路工况，以理论计算为基础，结合实际监测数据，不断调整各项掘进参数。通过系统分析，选择最适宜的掘进参数，确保穿越前各项指标达到控制指标要求。
（1）合理控制土仓压力
根据土层特性和隧道埋深等参数和土压力计算公式可得盾构穿越股道群理论土压力应控制在0.34～0.39MPa，实际穿越时压力控制值分布在0.35～0.37 MPa，停机阶段为保证掌子面稳定，土压力设定略高，控制在0.36～0.40MPa之间，施工过程中按照此土压力进行控制，地表沉降情况稳定，满足规范要求的允许沉降值。值得注意的是掘进速度及推力的选定应以保持土仓压力为主，实际掘进速度20～40mm/min，推力2000～2200T，并在推进过程中保持匀速、姿态平稳。土压-沉降值关系曲线如图3所示。
图3 土压沉降关系曲线
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（2）严格控制出土量
计算每环理论出土量40 m3，盾构推进工程中实际出土量控制在理论出土量的95%～98%，即38～39.2 m3，剩余2%～5%的渣土作为补偿开挖扰动土体等原因可能造成的地层损失。实际穿越施工过程中，出土量控制在38～38.2 m3，地层稳定，地表沉降情况良好。
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图4 出土量沉降关系曲线
（3）严格控制同步注浆量
同步注浆量决定了盾尾建筑空隙的填充是否饱满。同步注浆量以管片壁后理论建筑空隙量为基础，结合地层、线路及掘进方式等选择填充率。每环管片与开挖土层之间的建筑空隙理论值为1.89 m3，按1.5～1.8填充率计算，理论注浆量为2.84～3.4m3。实际施工同步注浆量控制在3～3.6 m3，最大累计沉降量均控制在2.5mm以内，满足铁路相关控制标准要求。
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图5 同步注浆量沉降关系曲线
（四）克泥效工法
克泥效浆液是将克泥效A液与水玻璃B液以一定比例混合后，形成高粘度、不固结的可塑性黏土。将克泥效浆液通过盾构径向注浆孔注入，有效填充盾壳建筑空隙的同时，不影响盾体掘进。
1.浆液配合比
克泥效A液配比为克泥效：水=400：825，B液为水玻璃（Be40）：水=1：1。AB液混合注入比例为克泥效A液：水玻璃B液＝20：1（体积比）。
2.注浆参数
克泥效浆液注入压力控制在0.3～0.5MPa，注入量控制在0.8～1.2m3。对该段地表沉降数据进行分析，克泥效工法能及时填充开挖面与盾壳之间的建筑空隙，有效控制盾体正上方的地层沉降。
（五）二次注浆及深孔注浆
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同步注浆浆液的收缩变形及土体裂隙渗透等导致同步浆液无法完全填满建筑空隙，是造成工后沉降的主要原因。通过二次注浆对管片壁后补充浆液，通过深孔注浆固结管片周边土体、填充裂隙，从而降低穿越区股道群路基的工后沉降。
1.二次注浆
在管片脱出盾尾后5-8环处从隧道上部注浆孔进行二次注浆，浆液为水泥-水玻璃双液浆。水泥浆水灰比1：1.5（质量比），水玻璃与水按1：4（体积比）比例稀释。水泥浆与稀释后的水玻璃（Be 40）体积比=1：1，胶凝时间约为30s，注浆压力控制在0.3Mpa～0.45MPa。二次注浆以控制压力为主，注浆量为辅，遵循少量多次原则，减小对管片壁后土体的扰动。
2.深孔注浆
穿越铁路区段管片采用增设注浆孔衬砌环，每环共有16个注浆孔，盾构推进后对地表沉降较大的区段进行全段面深孔注浆，加固范围为管片外2m。浆液为水泥-水玻璃双液浆（体积比1：1），注浆压力不大于0.5MPa，加固后土体强度qu为0.2～0.3MPa，并有良好的均匀性，深孔注浆加固采用多点、多次、少量进行。
四、沉降控制效果
路基沉降变形选用索佳NET05AXⅡ测量机器人进行自动化监测。共设置3个监测基站，覆盖整个铁路区域，自动化完成数据采集、分析、平台上传等监测作业。监测成果如下：
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盾构穿越铁路区域时，刀盘前方、盾体上方的铁路路基测点呈隆起的变化趋势，随着盾构机穿越掘进，路基测点逐渐转为沉降的变化趋势，穿越完成后路基变形逐渐趋于稳定，工后3个月累计地表沉降最大值为-3.5mm。具体沉降曲线如下：
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图7 盾构穿越铁路区路基沉降曲线图
五、结论
针对软弱地层条件下，盾构区间无加固长距离穿越铁路股道群，采取技术措施可以有效控制路基沉降变形。
1.加大隧道埋深。隧道埋深36.7～40.4m，穿越④2粉质粘土，⑤2粉质黏土（含粉土），⑥2黏质粉土（含粉土）土层。通过加大隧道埋深，合理避开软弱地层，可有效减少路基沉降变形。
2.控制盾构推进参数。以理论计算为基础，进行设备选型、试验段掘进，结合实际监测情况，完成参数选择，并进行动态调整。土压力0.35～ 0.37MPa，出土量为理论值的95%，注浆量填充率1.6～1.9。推力及推进速度等其他参数以稳定土压为主，遵循连续、平稳、匀速的原则。
3.克泥效工法。通过径向孔注入克泥效浆液，能有效填充开挖面与盾壳建筑空隙，减少盾体正上方地层扰动引起的地表沉降。盾构机选型时也应选择刀盘与盾体直径差较小的设备。
4.深孔注浆。通过增设管片注浆孔，对管片壁后2m范围的土体进行全段面双液浆加固，能有效固结土体、填充空隙，减少同步浆液固结收缩、土体裂隙引起的工后沉降。
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作者简介：
刘贺（1988年10月），男，汉族，安徽萧县人，工程师。