周曉峰

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

盾構(gòu)下穿施工過程中建構(gòu)筑物發(fā)生沉降是比較常見的現(xiàn)象，因此，控制沉降及地層損失率是確保重要建構(gòu)筑物安全的重中之重。引起建構(gòu)筑物發(fā)生沉降的因素包括：地質(zhì)水文條件、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)、出土量控制以及二次注漿時(shí)機(jī)等。沉降是多種不利環(huán)境造成的結(jié)果，本文從杭州機(jī)場軌道快線下穿多條高鐵路基施工過程著手，提出下穿建構(gòu)筑物的控制沉降措施。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

杭州機(jī)場軌道快線新風(fēng)區(qū)間風(fēng)井5 至火車東站區(qū)間隧道設(shè)計(jì)起始里程為右（左）K29+809.331，終止里程為右（左）K31+703.672，右線長度約為1894.341m，左線長度約為1910.794m。為單圓盾構(gòu)區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間隧道管片外徑為6900mm，內(nèi)徑為6100mm，環(huán)寬為1500mm，厚度為400mm，屬于通用型管片錯(cuò)縫拼裝。區(qū)間采用2 臺(tái)鐵建重工ZTE7150 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，從新風(fēng)路風(fēng)井5 大里程端頭始發(fā)，始發(fā)后490m 位置，左線以R=365m（右線R=360m）的圓曲線向南下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)，最后到達(dá)火車東站小里程端頭接收。

該區(qū)間左線于K30+300～K30+427（長127m，85環(huán)）、右線于K30+305～K30+432（長127m，85 環(huán)）段下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)（影響范圍包括下穿段前30m、下穿段127m、下穿段后30m、盾體長度9m，共計(jì)196m）。該處鐵路共計(jì)10 股軌道，其中包括：第1～7股道為高鐵軌道、第8～10 股道為普鐵軌道。第1～4股道為同一路基，路基全寬約為33m，有兩組接觸網(wǎng)；第5～6 股道為同一路基，路基全寬約為14m，有兩組接觸網(wǎng)；另外，第7～10 股道為同一路基，路基全寬約為37m。機(jī)場快線與鐵路線近似60.6～74.4夾角斜交。

機(jī)場快線下穿段杭州東站鐵路咽喉區(qū)既有路基均為碎石道床，路基約為4.6m 厚，路基下布設(shè)約為12m 深的水泥攪拌樁，水泥攪拌樁直徑為0.5m，間距為1.2m，同時(shí)設(shè)置20m 厚的塑料排水板樁，樁間距為1.2m，共20m 深地基加固。區(qū)間隧道與鐵路軌面豎向凈高差約為39～41.5m，隧道與鐵路路基加固土層底豎向凈距約為13.5～16.3m。

1.2 水文地質(zhì)情況

盾構(gòu)下穿范圍隧道縱向坡度為28.2‰，盾構(gòu)下穿范圍地層從上到下依次為：碎石填土1-1、砂質(zhì)粉土3-2、砂質(zhì)粉土3-4、砂質(zhì)粉土3-5、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土4-2、黏土5-1、粉質(zhì)黏土夾粉土5-2、粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土夾粉土7-2、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1、全風(fēng)化凝灰?guī)r20-1、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r20-2、中風(fēng)化上段凝灰?guī)r20-3。盾構(gòu)隧道穿越范圍內(nèi)地層主要為：粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1，盾構(gòu)穿越范圍不涉及承壓水。

地表及地下水：場區(qū)地表水主要為影響到該工程沿線的河流，該區(qū)間不涉及河流，無孔隙承壓水。

2 穿越施工情況

盾構(gòu)區(qū)間左線于2021年8月1日～8月20日完成連續(xù)下穿，區(qū)間右線于2021年9月1日～9月16日完成連續(xù)下穿。

左右線下穿完成后第三個(gè)月監(jiān)測數(shù)據(jù)，即2021年12月16日自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 左右線下穿高鐵路基自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)（2021年12月16日）

3 下穿高鐵路基沉降控制措施

3.1 設(shè)置試驗(yàn)段總結(jié)參數(shù)

盾構(gòu)施工過程中，掘進(jìn)參數(shù)是隨著不同的土層、埋深等條件變化而變化的，故而施工期間施工參數(shù)是動(dòng)態(tài)的。該區(qū)間左右線下穿高鐵路基前30m 設(shè)置為試驗(yàn)段，根據(jù)試驗(yàn)段推進(jìn)過程中參數(shù)設(shè)定以及地面沉降監(jiān)測情況，總結(jié)出滿足盾構(gòu)連續(xù)下穿高鐵路基施工中沉降控制在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)的施工參數(shù)。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析如下。

其一，盾構(gòu)機(jī)總推力基本保持在1500～1800t，刀盤扭矩基本保持在1200～1800kN·m，土倉壓力遞增至2.4～3.5bar，推進(jìn)速度穩(wěn)定在35～50mm/min。

其二，試驗(yàn)段洞身穿越的地層為粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土夾粉土7-2，推進(jìn)過程中渣土改良主要以泡沫為主，輔以分散劑、膨潤土改良黏土，泡沫參數(shù)根據(jù)實(shí)際土層中含水量進(jìn)行調(diào)整，泡沫溶液的組成：泡沫添加劑3%，水97%。泡沫組成：90%～95% 壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按開挖方量計(jì)算為300～600L/m。通過合理的渣土改良，推進(jìn)過程中刀盤扭矩、總推力均可穩(wěn)定在相應(yīng)數(shù)值上。

其三，區(qū)間試驗(yàn)段推進(jìn)過程中每環(huán)出土量控制在71～72m之間，土壓根據(jù)理論埋深計(jì)算，輔助以地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，推進(jìn)過程安全可控，土壓正常，地面沉降穩(wěn)定。

其四，在推進(jìn)過程中通過同步注漿輔助二次注漿進(jìn)行封環(huán)注漿可滿足地面沉降要求。

綜上所述，根據(jù)下穿高鐵路基試驗(yàn)段參數(shù)可指導(dǎo)下穿段參數(shù)設(shè)定。

3.2 下穿前的準(zhǔn)備工作

其一，下穿前仔細(xì)對盾構(gòu)液壓系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、頂進(jìn)系統(tǒng)及電路系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行檢查，確保穿越過程中設(shè)備零故障，進(jìn)行不間斷施工。下穿所需要的材料及備品備件提前準(zhǔn)備完成，確保施工順暢。

其二，下穿推進(jìn)過程中，控制掘進(jìn)速度，試驗(yàn)段為7～8 環(huán)/d，下穿段6～7 環(huán)/d。

其三，掘進(jìn)參數(shù)按照下穿段給定的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，保持切削土體方量與螺旋機(jī)輸送方量平衡，確保開挖面穩(wěn)定，每天對螺旋機(jī)雙閘門進(jìn)行關(guān)閉測試，防止出現(xiàn)突涌情況。同步注漿壓注方量為6.5～7m，注足、飽滿，后期根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，控制注漿壓力達(dá)到6bar 且至少注入0.5m水泥漿時(shí)可停止注漿；盡可能減少地層損失率，控制在2‰之內(nèi)，而且單次糾偏量≤1mm。

其四，施工中在地表布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)及在鐵路上布設(shè)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，盾構(gòu)施工期間加強(qiáng)對鐵路沉降、隆起的監(jiān)測，每日進(jìn)行盾構(gòu)下穿高鐵路基碰頭會(huì)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)和影響因素進(jìn)行分析，將分析結(jié)果及時(shí)反饋至專班群，確保隧道施工和鐵路行車安全。

3.3 下穿過程中的控制措施

其一，每天安排專業(yè)安全人員對下穿前后地面進(jìn)行觀察和安全巡視，并積極做好應(yīng)急措施。

其二，下穿杭州東站北側(cè)鐵路咽喉區(qū)段不具備地面加固條件，盾構(gòu)下穿該段主要采用常規(guī)洞內(nèi)加固措施。下穿段范圍機(jī)場快線管片全部采用多孔管片，對盾構(gòu)隧道拱頂和拱肩范圍內(nèi)地層立即進(jìn)行注漿加固，注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測反饋信息及時(shí)對注漿參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

其三，盾構(gòu)穿越期間，根據(jù)出土情況，適當(dāng)加大改良泡沫劑注入量，改善開挖面土體和易性，如若推力增大、掘進(jìn)速度降低、渣溫升高，及時(shí)通知地面值班人員，綜合判斷是否出現(xiàn)結(jié)泥餅現(xiàn)象，適時(shí)注入分散劑。

其四，在下穿段及前、后30m 范圍，K30+274～K30+461（311～435 環(huán)），盾構(gòu)下穿段同步注入克泥效潤滑劑，1 桶（200kg）/環(huán)。

其五，自動(dòng)化監(jiān)測情況分析：因鐵路監(jiān)測的特殊性，下穿杭州東站鐵路咽喉區(qū)為自動(dòng)化監(jiān)測平臺(tái)，監(jiān)測頻率為2h 一次，整個(gè)下穿過程未發(fā)生沉降報(bào)警情況，高鐵路基沉降量均控制在2mm 及以下，滿足鐵路部門對盾構(gòu)下穿時(shí)沉降量控制的要求，保證了盾構(gòu)平穩(wěn)有序穿越杭州東站北側(cè)鐵路咽喉區(qū)。

3.4 下穿過程中參數(shù)設(shè)定

下穿區(qū)間地層為粉質(zhì)黏土7-1、粉質(zhì)黏土9-1、粉質(zhì)黏土11-1，隧道與鐵路軌面豎向凈高差39～41.5m，所處地層屬于不透水地層，盾構(gòu)在此地層內(nèi)掘進(jìn)應(yīng)在保證土壓平衡的情況下勻速掘進(jìn)，減少對地層的影響。微擾動(dòng)掘進(jìn)模式即土倉壓力上下波動(dòng)?。ㄍ羵}頂部壓力波動(dòng)幅度控制在0.2bar 之內(nèi)）、刀盤轉(zhuǎn)速低。

掘進(jìn)速度控制在30～40mm/min，推進(jìn)過程中保證同步注漿量與推進(jìn)速度匹配，漿液量為1.5 倍理論值為宜，及時(shí)填充飽滿，減少地層損失。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)控制沉降的主要措施之一為土壓平衡，掘進(jìn)進(jìn)尺與出土量相匹配，確保出土不超排，是減少過程沉降的重要手段。施工過程中每環(huán)出土斗數(shù)一定，吊出土斗過程中用龍門吊進(jìn)行稱重，每斗約37t 重，與每斗22m土換算重量相匹配，可通過重量估算法判斷有無超挖或欠挖。

二次注漿是對同步注漿未填充密實(shí)處進(jìn)行再次注漿補(bǔ)充，此過程根據(jù)沉降數(shù)據(jù)確定持續(xù)時(shí)間，可少量多次進(jìn)行，注漿時(shí)機(jī)為盾構(gòu)脫出盾尾后，需要3～5環(huán)注漿空間。

其一，注漿壓力。二次注漿壓力在0.2～0.4MPa，實(shí)際壓力根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場注漿效果最終確定。

其二，注漿量。二次補(bǔ)強(qiáng)注漿量根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況，分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測情況具體確定。

其三，注漿順序。為保證環(huán)箍效果，應(yīng)從下往上對稱注漿；建構(gòu)筑物下方采用增設(shè)注漿孔的管片，漿量與壓力雙控。

其四，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。補(bǔ)強(qiáng)注漿以洞門滲漏情況和壓力控制為主，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力且洞門無滲漏則結(jié)束注漿。

3.5 注入克泥效漿液

該工程采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤直徑為7.18m、盾體直徑為7.15m，理論上開挖直徑與盾構(gòu)機(jī)殼體之間存在著均勻的縫隙（約為3cm），等再往前推進(jìn)后，采用同步漿液進(jìn)行填充，存在時(shí)間差，此3cm 的縫隙會(huì)造成高鐵路基產(chǎn)生沉降，為減少此過程對周邊土體的擾動(dòng)，操作人員選用凝結(jié)較快的克泥效漿液，利用預(yù)留在盾構(gòu)機(jī)外殼上的徑向孔注入克泥效漿液，快速填充該間隙。同時(shí)，克泥效漿液有良好的止水性能，不易流失，可阻斷周邊水向刀盤流動(dòng)。通過快速填充地層與盾體之間縫隙，達(dá)到控制高鐵路基沉降的效果，也是下穿高鐵路基的重要措施之一。

4 危險(xiǎn)源分析及處理措施

4.1 鐵路路基變形過大的處理措施

盾構(gòu)機(jī)通過東站鐵路咽喉區(qū)路基段可能引起沉降，造成軌道下沉過大、軌道變形，發(fā)現(xiàn)該情況時(shí)，采取的措施為：停止盾構(gòu)向前掘進(jìn)，采取跟進(jìn)注漿的方法進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿施工以確保管片與地層之間的空隙能夠及時(shí)填充并且快速固結(jié)。具體步驟如下：

其一，將二次注漿設(shè)備前移至控制室車架前的通道平臺(tái)上。

其二，預(yù)先在管片上設(shè)置注漿孔和接口。

其三，在管片脫出盾尾5～10 環(huán)后，如建構(gòu)筑物監(jiān)測顯示仍有沉降，則用二次注漿機(jī)向管片壁后注入雙液漿，使管片壁后填充保護(hù)層迅速強(qiáng)化，補(bǔ)充地層開挖損失并承載壓力。

其四，注漿壓力及注漿量根據(jù)地面建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。二次壓漿時(shí)指派專人負(fù)責(zé)，對壓入位置、壓入量、壓力值均做詳細(xì)記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時(shí)調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量。

4.2 洞內(nèi)掘進(jìn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)處理措施

其一，處理盾尾漏漿措施如下。

一是掘進(jìn)過程若出現(xiàn)盾尾漏漿，則司機(jī)立即停止掘進(jìn)，采用手動(dòng)注脂的方法進(jìn)行處理，此位置和相鄰位置增加油脂注入量，若泄漏較大，則調(diào)大油脂注入量，直至完全密封住。滲漏停止后繼續(xù)推進(jìn)，并且掘進(jìn)班應(yīng)安排專人在盾尾處觀察，司機(jī)時(shí)刻關(guān)注泄漏處的注脂壓力變化，前后人員隨時(shí)保持聯(lián)系。

二是若在掘進(jìn)結(jié)束后發(fā)生盾尾漏漿，則需要迅速完成管片拼裝，并且在拼裝時(shí)應(yīng)在管片外弧面底粘貼2 道150mm×150mm 的海綿條、管片環(huán)面上粘貼70mm×120mm 的海綿條（背離撐靴的環(huán)面），同時(shí)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行盾尾油脂的注入。

其二，盾尾涌水涌砂。為防止盾尾出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，穿越前準(zhǔn)備厚度為5mm 的圓弧形薄鋼板，備用長度為30m、直徑為6cm 的膠管。如遇特殊情況，用弧形鋼板將膠管填壓至盾尾和管片間隙中，在推進(jìn)過程中采取每5 環(huán)兩側(cè)各貼1 環(huán)整環(huán)海綿的方式，并對盾尾部位封堵，加大盾尾油脂用量。同時(shí)，在盾尾脫出后5 環(huán)的位置注入雙液漿封堵。

5 結(jié)論

綜上所述，本研究通過盾構(gòu)下穿多條高鐵路基控制沉降的工程實(shí)例，總結(jié)出以下沉降控制措施：

其一，設(shè)置好試驗(yàn)段，總結(jié)出滿足沉降要求的施工參數(shù)。

其二，下穿前對所有設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證盾構(gòu)平穩(wěn)推進(jìn)也是控制沉降的關(guān)鍵。

其三，做好出土量控制，同時(shí)確保同步注漿飽滿以及二次補(bǔ)漿及時(shí)，是重要的管理措施之一。

其四，克泥效工法，通過快速填充刀盤外徑與盾殼之間的空隙，及時(shí)穩(wěn)定地層，減少地層損失，控制高鐵路基沉降。

通過杭州地鐵連續(xù)下穿多條高鐵路基盾構(gòu)施工，研究人員不僅驗(yàn)證了試驗(yàn)段總結(jié)參數(shù)及下穿前所有設(shè)備檢查的必要性，而且在施工過程中參數(shù)應(yīng)隨監(jiān)測數(shù)據(jù)變化而實(shí)時(shí)調(diào)整，還要確保同步注漿飽滿和二次注漿及時(shí)，減少地層損失，同時(shí)，下穿過程中使用克泥效工法推進(jìn)有效減少了地層損失，控制沉降效果明顯，保證了高鐵路基沉降安全可控，該工程順利完成，為后續(xù)類似地層盾構(gòu)連續(xù)穿越高鐵路基施工打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)及管理基礎(chǔ)。