盾構(gòu)法隧道施工下穿既有鐵路沉降控制技術(shù)及監(jiān)理措施

任 銳

（廣東建科建設(shè)咨詢有限公司 廣州 510500）

0 引言

盾構(gòu)法下穿建構(gòu)筑物是城市軌道交通的一項(xiàng)重難點(diǎn)技術(shù)，存在安全隱患高、社會影響大、技術(shù)要求嚴(yán)的特點(diǎn)。本文站在監(jiān)理的角度，基于已成功完成盾構(gòu)下穿既有鐵路的案例，圍繞施工過程中的沉降控制問題展開論述，為今后盾構(gòu)下穿建構(gòu)筑物施工提供借鑒。

1 工程概況

盾構(gòu)區(qū)間左線長1 517.709 m，右線長1 489.834 m，最大縱坡2.8%。采用中鐵裝備φ6 280 mm 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，開口率約35%，線路下穿的某既有鐵路是廣東與內(nèi)地聯(lián)系的第二條鐵路通道，是我國發(fā)展對外貿(mào)易和旅游事業(yè)的運(yùn)輸捷徑。該鐵路為碎石道床，軌枕為混凝土枕木。盾構(gòu)隧道埋深25.0～28.4 m，渉鐵段地質(zhì)主要為：〈7-1〉強(qiáng)風(fēng)化粗砂巖，巖層強(qiáng)度1.0～3.4 MPa；〈7-3〉強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖層強(qiáng)度1.0～3.4 MPa；〈8-3〉中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖層強(qiáng)度5.4～15.7 MPa。區(qū)間線路第一次下穿鐵路平面與鐵路股道相交角度約27.3°，如圖1?所示，陰影部位為鐵路股道區(qū)域。第二次下穿角度約11°，如圖1?所示。

2 工程重難點(diǎn)分析

2.1 盾構(gòu)下穿跨鐵路沉降控制

地鐵盾構(gòu)下穿鐵路橋墩為摩擦樁。根據(jù)《鐵路線路修理規(guī)則》（鐵運(yùn)［2016］146 號）及以往地鐵盾構(gòu)隧道下穿有砟鐵路線路的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出鐵路變形建議值（見表1）［1］，盾構(gòu)下穿施工引起的鐵路路基表面沉降控制在8 m以內(nèi)。地鐵盾構(gòu)法施工引起的地面沉降主要有5 個(gè)方面：先行沉降、掘進(jìn)過程中的沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降以及后續(xù)沉降［2］，因此，需要在盾構(gòu)穿越前做到提前布設(shè)好監(jiān)測點(diǎn)，穿越后應(yīng)持續(xù)關(guān)注沉降變化，做好二次補(bǔ)漿。

表1 鐵路變形建議值Tab.1 Suggested Value of Railway Deformation

2.2 盾構(gòu)連續(xù)高效施工

盾構(gòu)下穿鐵路期間做到連續(xù)快速施工，避免不停機(jī)，提高穿越效率。一方面，提前策劃土方外運(yùn)工作，確保外運(yùn)能力滿足，做好盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備維修保養(yǎng)工作。對拼裝機(jī)、雙軌梁、盾尾油脂泵、同步注漿管等常規(guī)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行提前檢修保養(yǎng)。另一方面，盾構(gòu)在泥質(zhì)粉砂巖中掘進(jìn)預(yù)防結(jié)泥餅。及時(shí)添加適量的土體改良劑，調(diào)節(jié)設(shè)定好發(fā)泡參數(shù)，準(zhǔn)備分散劑，在有結(jié)泥餅的征兆時(shí)，注入分散劑改良渣土；在進(jìn)入試驗(yàn)段前進(jìn)行開倉，對刀具進(jìn)行檢查。

3 監(jiān)理工作控制要點(diǎn)

3.1 掘進(jìn)參數(shù)管控

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，在盾構(gòu)正式下穿鐵路前監(jiān)理應(yīng)組織參建各方擬定掘進(jìn)參數(shù)，以地表沉降為主要控制指標(biāo)，以千斤頂推理力、刀盤轉(zhuǎn)速和土壓力等掘進(jìn)參數(shù)為控制變量，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化［3］。并將掘進(jìn)過程分成試驗(yàn)段、穿越段、保護(hù)段共3個(gè)階段進(jìn)行。

⑴試驗(yàn)段：應(yīng)在影響區(qū)外進(jìn)行復(fù)探、試機(jī)、模擬掘進(jìn)。復(fù)探是確保地質(zhì)與設(shè)計(jì)一致；試機(jī)是防止出現(xiàn)設(shè)備問題；模擬掘進(jìn)是對理論掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證［4］。驗(yàn)證形成最終掘進(jìn)指導(dǎo)參數(shù)，如表2所示。

表2 掘進(jìn)指導(dǎo)參數(shù)Tab.2 Tunneling Guidance Parameters

⑵穿越段、保護(hù)段：在試驗(yàn)段掘進(jìn)十分順利的情況下，將試驗(yàn)段參數(shù)應(yīng)用到穿越段以及保護(hù)段，在第一次成功穿越完成后及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為后續(xù)3 次穿越提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，并且每日根據(jù)不同的地層、地下水及監(jiān)測等情況。

3.2 姿態(tài)調(diào)整

專業(yè)監(jiān)理師收集每日盾構(gòu)姿態(tài)報(bào)表及管片復(fù)測報(bào)表，及時(shí)記錄并進(jìn)行分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)軸線有偏離現(xiàn)象立即發(fā)出相應(yīng)糾偏的監(jiān)理通知單。當(dāng)盾構(gòu)軸線已出現(xiàn)大偏離值時(shí)，應(yīng)會同施工單位、設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位召開質(zhì)量專題分析會。

按照《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50446—2017》［5］，成型隧道軸線平面及高程允許偏差為±50 mm。穿越段平面線性為曲線段，縱斷面為28%的下坡，盾尾間隙單側(cè)為35 mm為保證穿越鐵路的安全及成型隧道質(zhì)量，盾構(gòu)水平姿態(tài)控制在（-20）～（-30）mm 以內(nèi)；考慮到管片后期上浮等情況，垂直姿態(tài)控制在（-30）～（-40）mm 以內(nèi)，以此嚴(yán)格要求盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，有效減小盾構(gòu)機(jī)對地層的擾動。同時(shí)每環(huán)姿態(tài)不宜變化過大，每環(huán)調(diào)整量在5 mm 以內(nèi)。同時(shí)根據(jù)管片姿態(tài)測量的情況調(diào)整掘進(jìn)方向。

3.3 渣土改良

為保證最好的渣土改良效果，監(jiān)理要對泡沫劑的廠家、質(zhì)量合格證、第三方檢測報(bào)告進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，并通過參與驗(yàn)證泡沫發(fā)泡效果、發(fā)泡倍率、持泡時(shí)間，擬定參數(shù)。

3.4 出土量控制

嚴(yán)格控制出土量、保證不超挖，是控制沉降的重要措施，所以要認(rèn)真計(jì)算復(fù)核每掘進(jìn)一環(huán)的出土量。按照計(jì)算公式V=L×πd2/4=46.4 m3，根據(jù)前期掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和查閱《建筑施工手冊》［6］，泥巖類取松散系數(shù)k=1.40～1.45（65～67 m3），每掘進(jìn)1 環(huán)進(jìn)尺的出土量控制在65 m3（5 箱土），掘進(jìn)出土管控分為方量控制、重量控制、行程控制3個(gè)方面進(jìn)行控制，相互佐證。

⑴方量：每掘進(jìn)1 500 mm，〈7〉層小于60 m3，〈8〉層小于65 m3，〈9〉層小于67 m3。

⑵重量：每掘進(jìn)1 500 mm，〈7〉層小于120 t，〈8〉層小于130 t，〈9〉層小于135 t。

⑶行程：每箱土（12 m3），〈7〉層大于300 mm，〈8〉層大于280 mm，〈9〉層大于270 mm。

現(xiàn)場監(jiān)理人員卡控時(shí)取每一廂土的實(shí)際方量，隨時(shí)對比出土量與進(jìn)尺量是否與試驗(yàn)段出土量吻合，并作好記錄。

3.5 同步注漿

同步注漿作業(yè)直接關(guān)系著施工地表行車及構(gòu)筑物的安全，控制好同步注漿作業(yè)對盾構(gòu)法隧洞施工意義重大。監(jiān)理須指派專人負(fù)責(zé)質(zhì)量控制、壓力控制、方量控制并作詳細(xì)記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時(shí)調(diào)整，確保壓漿工序的質(zhì)量。

⑴ 質(zhì)量：根據(jù)楊星等人［7］運(yùn)用有限差分軟件FLAC 3D 對隧道開挖引起的地層沉降進(jìn)行了模擬，分析了不同漿液特性對地表沉降的影響初凝時(shí)間根據(jù)地層，最終確定漿液比重1.7～1.8，擴(kuò)展度控制在26～29 cm。

⑵壓力：注漿壓力宜控制在2～3 bar。

⑶方量：注漿方量根據(jù)地層、地面環(huán)境考慮，原則上不能低于6 m3。

隧道掘進(jìn)過程中，注漿量根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地表監(jiān)測情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。每環(huán)的壓漿量大于建筑空隙的150%，注漿壓力漸近增加以滿足注漿量為上限值，原則控制在0.3 MPa。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑算得理論注漿量為：V=（π6.282/4-π62/4）×1.5×1.5=6.07 m3［8］。但考慮到損失和地層中有裂隙存在，在下穿鐵路段每環(huán)注漿量加大至7 m3。

3.6 二次注漿

監(jiān)理對壁后二次注漿進(jìn)行跟蹤記錄。二次注漿主要減少隧道的后期沉降，可根據(jù)地面變形的監(jiān)測情況，在管片脫離盾尾之后，通過管片上的注漿孔對管片壁后進(jìn)行補(bǔ)壓漿，減少隧道的后期沉降［9］。

為使隧道周圍土體徹底固結(jié)，控制土體后續(xù)沉降，確保鐵路運(yùn)營安全。因此管片脫出盾尾第10～12環(huán)附近頂部開孔，在盾構(gòu)掘進(jìn)的時(shí)候不斷的進(jìn)行二次跟蹤注漿，采用水泥漿和水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比1∶1，水玻璃加量60%～100%［10］。注漿壓力控制值為0.5 MPa以下。

3.7 盾尾密封

盾尾密封可防止土體中的水滲入隧道，導(dǎo)致股道沉降。所以要對盾尾密封進(jìn)行關(guān)注和檢查。盾尾密封雙控原則：重量控制、壓力控制。

⑴油脂量控：根據(jù)掘進(jìn)速度變動，原則上每環(huán)重量不小于45 kg。

⑵注入壓力：盾尾油脂靜止壓力不小于3 bar。

造成盾尾密封裝置被擊穿，引起土體中的水滲入隧道，導(dǎo)致股道沉降。

3.8 管片拼裝

監(jiān)理應(yīng)嚴(yán)格按照《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50446—2017》檢查管片拼裝質(zhì)量，環(huán)內(nèi)錯臺控制在5 mm，環(huán)間錯臺控制在6 mm。在管片拼裝過程中，必須嚴(yán)格控制管片拼裝的垂直度、整圓度、擰緊螺栓的扭矩。管片安裝完后，應(yīng)用整圓器及時(shí)整圓，對管片的變形及時(shí)矯正，并在管片環(huán)脫離盾尾后對管片連接螺栓進(jìn)行二次緊固［11］。同時(shí)也要做好管片間止水膠條的檢查。封頂塊插入時(shí)，對其兩側(cè)的密封墊應(yīng)涂刷減阻劑，防止由于摩擦而使止水橡膠脫落。

3.9 地面監(jiān)測

監(jiān)理應(yīng)及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)核，必要時(shí)對監(jiān)測過程進(jìn)行旁站。監(jiān)測方式分為自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測兩種：

⑴自動化監(jiān)測

采用極坐標(biāo)法對水平位移進(jìn)行監(jiān)測，從而推算出測點(diǎn)的水平位移量［12］。

①軌面及路基沉降監(jiān)測，軌道幾何尺寸（水平、高低、規(guī)矩），2個(gè)穿越段6條軌道，每條股道布置10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，一共布置60個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

②軌道幾何尺寸（水平、高低、規(guī)矩）5 條枕木監(jiān)測一個(gè)點(diǎn)，每條線路布置約30 個(gè)檢查點(diǎn)，6 條股道布置180個(gè)檢查點(diǎn)。

⑵人工監(jiān)測

在盾構(gòu)下穿前，提前請點(diǎn)，在鐵路股道旁、道岔旁、鐵路路基等位置貼反射片，之后采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測。

4 監(jiān)理工作方法和措施

4.1 監(jiān)理工作方法

包括巡視、旁站、檢查及專題會。巡視重點(diǎn)關(guān)注盾構(gòu)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)的巡視、出土量、注漿量、路面變化等。旁站是對重要工序的全過程監(jiān)督，主要是盾構(gòu)下穿鐵路期間24 h現(xiàn)場監(jiān)督，以及開倉換刀的監(jiān)督。檢查是在重要工序以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收前進(jìn)行。當(dāng)出現(xiàn)較大質(zhì)量安全隱患時(shí)，需要組織參建各方召開專題會議。

4.2 監(jiān)理措施

⑴方案審批。監(jiān)理部組織富有經(jīng)驗(yàn)的專監(jiān)對下穿鐵路專項(xiàng)施工方案進(jìn)行審批，并組織專家評審會。

⑵組織所有監(jiān)理人員全面地閱讀圖紙、規(guī)范、施工方案等技術(shù)文件，制定詳細(xì)的監(jiān)理細(xì)則。

⑶下穿鐵路前對刀具進(jìn)行檢查。審查開倉前各項(xiàng)準(zhǔn)備條件，對刀具更換進(jìn)行旁站監(jiān)督檢查。

⑷下穿鐵路前參與擬定各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，提供合理建議。

⑸下穿鐵路前對各項(xiàng)準(zhǔn)備條件進(jìn)行預(yù)驗(yàn)收，并組織關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)實(shí)施前的驗(yàn)收會議。

⑹下穿鐵路期間做好每日巡查、對關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)、重要工序進(jìn)行旁站，發(fā)現(xiàn)存在質(zhì)量、安全隱患時(shí)及時(shí)下發(fā)監(jiān)理通知單，當(dāng)存在較大質(zhì)量安全隱患時(shí)組織參建各方召開專題會議。

⑺在穿越鐵路后，繼續(xù)關(guān)注地面監(jiān)測變化，及時(shí)做好二次注漿工作，預(yù)防后期沉降。

5 結(jié)語

通過科學(xué)的技術(shù)和管理，廣州地鐵該區(qū)間盾構(gòu)按計(jì)劃先后共計(jì)4 次順利下穿鐵路，未發(fā)生長時(shí)間停機(jī)等異常情況，沉降控制在±8 mm 以內(nèi)，日平均完成掘進(jìn)拼裝在8環(huán)以上。成功、安全、快速、連續(xù)、順利地完成任務(wù)。不僅將盾構(gòu)施工對鐵路的影響降到最小，也為之后類似盾構(gòu)施工穿越重大風(fēng)險(xiǎn)源積攢了豐富的經(jīng)驗(yàn)，提供參考借鑒。