师永
中铁二十局集团第五工程有限公司云南昆明 650000
【摘要】 ：随着社会经济的持续上升，促进了我国地下铁路交通的发展。盾构法隧道下穿既有铁路的状况越来越普遍，且地铁盾构法隧道下穿既有铁路涉及铁路运营安全和地铁施工安全。本文重点研究地铁盾构法隧道下穿既有铁路可能导致的各种潜在风险因素，对盾构法隧道下穿既有铁路路基保护与施工难点分析，并在此基础上总结类似工程的共同规律。
【关键字】 ：盾构法隧道 下穿铁路 路基保护 控制
1前言
城市地铁盾构法下穿既有铁路施工控制是地铁隧道施工非常重要的环节。首先要对地铁盾构隧道与既有铁路之间的相关关系进行分析，然后针对穿越地段所处的工程地质情况，对既有铁路路基采取合适的加固措施进行预加固。盾构下穿铁路施工过程中通过优化掘进参数，控制既有铁路客货车运行速度，通过对铁路路基的自动化监测等信息化手段指导施工，为盾构成功下穿既有铁路提供有效的保证措施。本人通过南宁地铁5号线下穿既有铁路这一实例，来具体分析其下穿施工技术，通过这个案例为在以后的城市地铁建设中提供宝贵的经验。
2工程特点和工程环境情况
2.1工程概况
南宁市轨道交通5号线一期工程呈南北走向，线路南起国凯大道，北至金桥客运站，一期工程全长20.21km，共设车站17座，全部为地下站。本区间江南公园站～周家坡站区间长794米，线路由江南公园站大里程引出后进入曲率半径R=700m的右转弯和曲率半径R=450m的左转弯，然后沿壮锦大道向北敷设，经过曲率半径R=800m的右转弯后接入周家坡站，左右线隧道间距13.2-16.7m,隧道的最大埋深约20.7 m。区间下穿既有湘桂铁路线，然后线路继续沿壮锦大道向北敷设，随后下穿云桂铁路线箱涵，最后接入周家坡站。
2.2既有铁路的概况
湘桂铁路线为国家Ⅰ级铁路，该铁路管理者为中国铁路南宁局集团有限公司。湘桂线为客货两用线，上下行线均为P 60 轨无缝线路，双线铁路，线间距为5.436 m，有砟碎石道床，设计时速120km/h。铁路两侧采用混凝土重力式挡墙及片石混凝土挡墙护坡，隧顶与铁路路基垂直净距约 6.0m。
云桂铁路为国家一级电气化双线铁路，为P 60 轨无缝线路，南宁至百色段时速 200km/h，该铁路管理者为中国铁路南宁局集团有限公司。海吉星框架桥为云桂铁路南宁至百色段下穿壮锦大道的现浇钢筋混凝土框架箱涵，该段框架桥断面尺寸为 14×11m，底板厚度为 1m，侧墙厚度为 0.85m，采用 C35 钢筋砼，采用碎石道床，箱涵基底以下 10m 范围内为旋喷桩加固的复合地基，隧道与云桂铁路框架桥底板净距约 7.6m。
2.3下穿既有铁路工程地质情况
本区间主要穿越地层泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩等，区间盾构隧道下穿铁路轨道部分上覆地层主要为素填土、黏性圆砾土、粉细砂、泥岩等，下穿地层为泥质粉砂岩层和粉砂质泥岩层，左右线上覆各地层层厚不一。
3既有铁路的加固保护措施
3.1湘桂铁路的加固措施
湘桂铁路采用 D 型便梁对铁路轨道进行保护。在湘桂铁路线双线股道两侧和中间共设置 3 排纵梁（由 6 道 D24 便梁和 6 道 D16 便梁组成），纵梁中间底部基础采用 1.5m×0.8m钢筋砼独立基础，两侧底部为1.0m×0.8m钢筋砼独立基础，纵梁间通过横梁进行连接。D型施工便梁是定型产品（不进行具体设计，由厂家定做生产），满足强度要求的纵向箱型钢梁，支承横向钢梁将两条走形轨下承式抬起，承受列车动、静荷载，使线路得到加固并架空，避免轨道的不均匀沉降。
D型变梁加固由铁路方面专业队伍施工，其施工工序依次为，优先进行条形基础的施工→无缝线路应力放散2股道→吊轨梁采用纵挑工字钢横抬梁法对既有线路进行加固→D型便梁的架设，加固示意如下：
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1）预注浆加固范围：有效加固盾构通过区域隧顶上方地层，以提高土层抵抗变形的能力。
2）预注浆加固具体参数：
注浆管类型采用袖阀管注浆，注浆管采用ф32 T=3mm钢花管或者硬质PVC管。注浆孔布置为施工两排袖阀管注浆钻孔，孔间距1.5m×1.5m，梅花形布置，打设至框架桥投影下方的盾构顶板上方预加固区域。注浆浆液类型采用水泥单液浆，材料P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比0.75:1～1:1。注浆压力控制0.5～0.8MPa，分序注浆，每序持续10～20min。注浆顺序按孔数跳二注一注浆方式间隔进行，并宜采用先外圈后内圈的注浆施工方法。
单孔注浆结束标准以定量定压相结合的方式控制。定压结束标准为当注浆压力达到设计注浆压力并稳压 10～15min，即可结束该孔注浆，进入下一孔注浆。若注浆压力保持稳定或上升缓慢，地表出现冒浆现象，注浆压力虽然达不到设计注浆压力，应立即停止注浆一段时间后再进行注浆。定量结束标准为当实际注浆量达到设计注浆量的 80%以上时，可上提注浆芯管，进入下一段注浆或结束注浆。
预注浆检验时间应在注浆结束 28d 后进行，可选用静力触探对加固地层均匀性进行检测，通过钻孔取芯检查判断注浆效果，对取芯样品中水泥浆分布均匀性进行评价，不应出现较大的松散未注浆区域；钻孔取芯可为注浆孔数的 1.5%～5.5%，当合格率小于或等于 85%，或达不到强度和防渗的设计要求时，应对检测不合格的注浆范围重新注浆。
4盾构下穿既有铁路施工控制分析
4.1盾构掘进参数的控制
盾构穿越铁路过程中必须严格控制相关掘进参数，如顶区土仓压力、掘进速度、刀盘转速，出渣量，盾构姿态,加强盾构同步注浆与二次注浆，使盾构均衡匀速掘进，以减少盾构掘进对周边土体的扰动，从而避免地表沉降。
4.1.1刀盘转速和掘进速度
根据泥岩地层地质情况和试掘进段的掘进参数，盾构在泥岩地层的掘进速度和贯入度，刀盘转速应控制在1.1~1.3r/min。
依据相同地质中施工经验，推进速度不宜过快（保证同步注浆砂浆及时填充盾尾空隙）也不宜过慢（增大盾体周边土体的扰动而沉降）。考虑泥岩地层掘进效率以及试掘进段参数作为依据，盾构推进速度宜控制在20~35mm/min,保证盾构匀速推进、连续掘进，避免盾构停机，以减少盾构对土体的扰动，减少地表沉降。
4.1.2开挖土仓压力控制
根据地质情况及隧道埋深情况理论计算切口平衡压力得到：正面平衡压力：P= k k0γh（P：平衡压力，γ：土体的平均重度，取18.7kN/m3，h：隧道埋深，取6m，k0：土的侧向静止平衡压力系数，取0.6，k：修正系数1.1—1.3），代入公式得：P=0.7bar~0.85bar。根据理论计算及试验段施工中积累总结的经验，我们在盾构穿越过程中，将根据地面监测信息及时对正面平衡压力P调整，调整范围拟在0.6~0.95bar之间，盾构在停止掘进之前适当把土压保压稍高0.1~0.2bar。
4.1.3壁后注浆施工
1、同步注浆控制
通过同步注浆及时充填管片与土层空隙，减少施工过程中的土体变形。每环的理论压浆量V=1.5（6.28－6.00）/4＝4m3，（刀盘外径：Φ6280mm; 管片外径：Φ6000mm）实际注浆量是理论注浆量的125％～175％，实际同步注浆量控制在5m3～7m3/环内。考虑到盾构所下穿地层和出渣量等情况，具体注浆压力和注浆量将根据地面沉降监测信息而进行动态调整。注浆速度做到与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.5m，同步注浆在掘进的时间内完成当环注浆量确定其平均注浆速度。同步注浆浆液配合比参考值为：水泥（kg∕m3）：粉煤灰（kg∕m3）：膨润土（kg∕m3）：砂（kg∕m3）：水（kg∕m3）=250:340:90:650:490。
注浆过程中的注意事项：（1）严格控制注浆量。根据理论计算的注浆量，根据监测数据确定合理有效的浆液注入方量，避免注入量不足导致线路下沉或超过理论注入量过多而引起的线路隆起。（2）严格控制注入速度。注入速度要做到匀速、同步，即指单位时间浆液注入量对应于单位时间管片脱出盾尾后产生的间隙量。（3）严格控制注入压力。注入压力既要保证浆液能够克服水土压力顺利注入，又要避免因为压力过高造成的地面隆起或击穿盾尾密封系统造成浆液外流不能及时填充间隙导致地面下沉。
2、隧道内二次注浆
在盾构掘进同步注浆后，管片与土体之间的间隙可能未填充饱满，存在后期地面变形的隐患，因此将在管片脱离盾尾5环后依据地面沉降情况实行全程跟进注浆，严格控制注浆压力，采用多点位注浆，避免地面隆起，浆液为水泥水玻璃双液浆，二次注浆配合比：水灰比（kg）=1:1，A液：B液（体积比）=3:1。二次注浆量按同步注浆量体积收缩比的20%考虑即0.8~1.4m3，注浆量依据地面监测情况和注浆压力及管片情况动态控制。
4.1.4出土量的控制
每环理论开挖量＝π/4*D2*L*松散系数＝π/4*6.280*1.5*1.2＝46.4m3/环*1.2=55.7 m3/环,依据试掘进段的掘进参数，以及本区间泥岩地层的膨胀率较大和掘进过程中加入的水和泡沫，实际出土量控制在55.7~58.5方左右。现场实际操作电瓶车土斗按每斗装16方，每环需出3.5~4斗，掘进过程中严格控制出土量，禁止超挖，如出现超挖现象，应加大同步注浆量和二次注浆量，保证管片与土层间隙填充饱满。
4.1.5盾构姿态的控制
在下穿既有铁路之前预先调整好盾构掘进的姿态，盾构操作手应严格控制每环的纠偏量，姿态调整应缓纠、慢纠，避免蛇形纠偏，姿态调整控制在每环±5mm范围内，以减少盾构姿态的调整对周围土体的扰动。
4.2铁路路基的沉降监测
湘桂铁路和云贵铁路监测的控制值为：1)轨距偏差不得超过-4mm~+7mm；2）轨面沉降值不得超过6mm；3）相邻两股钢轨水平高差不大于6mm；4）相邻两股钢轨三角坑不大于6mm；5）前后高低（纵向水平）6mm。预警值为控制值的 50%，报警值为控制值的 75%。
为了及时收集、反馈和分析隧道设施在本工程施工中的变形信息，实现信息化施工，确保隧道设施的绝对安全。综合确定本工程监测采用自动化设备24小时全自动监测，结合现场踏勘情况，根据规范要求、风险及勘察设计报告报告确定隧道下穿铁路监测项目及精度要求如下。
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自动化监测频率均为盾构机正常掘进情况下的频率，当出现监测项目的变化速率加大时，将视数据情况增加监测次数直至危险或隐患解除为止；当监测项目的累计变化值接近或超过报警值时，应加密监测。
4.3铁路运营列车的限速
盾构下穿既有铁路施工期间，与铁路部门对接后，对湘桂铁路列车进行限速45km/h以下通过，对云桂铁路进行限速 160km/h 以下通过。
4.4下穿既有铁路后的跟踪处理措施
盾构区间隧道下穿铁路，对地基产生扰动，降低了基础的承载力，影响较大，隧道内采用洞内径向跟踪注浆的措施，以进一步提高地层稳定减少后行运行扰动产生的风险。
盾构下穿铁路拼装的管片，采用增设注浆孔的管片，每环管片共16个注浆孔位（除封顶块为1个注浆孔，其余每片3个）。在盾构掘进施工过程中，根据铁路监测情况，及时采用跟踪注浆加固等保护措施。
由注浆孔向外径向打设直径32mm钢管或者pvc袖阀管，壁厚3m。注浆浆液类型采用水泥单液浆，材料P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.75:1~1:1，注浆压力大概控制在0.2~0.3bar左右（施工过程中加强管片变形监测，并根据监测情况及时调整注浆压力，防止压力过大破坏管片），注浆顺序采用跳孔间隔的注浆方式对隧道洞顶135°的范围内进行注浆加固。
5结束语
总之，盾构穿越工程要在掘进的过程中进行有效的控制，且要制定科学的专项施工方案，在进行穿越施工之前进行优化和修正，让最后的施工方案更具有科学性。采取自动化监测的手段，能够及时获取既有铁路路基的沉降动态信息，及时修正掘进参数和施工措施。同时根据施工中可能出现的风险因素，编制应急预案，以便在发生问题时各相关单位和人员能够及时有效地进行处理，将损失降到最低。
参考文献
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