盾构穿越既有铁路施工技术探讨

盾构穿越既有铁路施工技术探讨

刘平

中铁八局集团第二工程有限公司

摘要：为了全面分析盾构穿越既有铁路施工技术，本文提出了先对穿越铁路的工况采用有限元模型进行模拟分析；正确地选用各种地基加固方法；控制盾构推进轴线偏差不超出允许范围及尽量减少地层变形的影响涉及的各种参数；加泥盾构工法；建立严密的监测系统等技术，希望本文能够为盾构隧道穿越既有铁路施工提供技术上和理论上的支持，为同类工程提供参考价值。

关键词：盾构；穿越；既有铁路；施工技术

1引言

目前，国家加大了城市轨道交通的投资力度，在国内各大城市开始了前所未有的城市轨道建设规划布局，签于此，盾构隧道穿越既有铁路线的现象与日俱增、而且从城市土地面积的局限，轨道交通向下发展的趋势愈加明晰。另外，火车提速已成为轨道交通发展中重要任务之一，而火车高速度的运行对铁路轨道的冲击力越来越大，而穿越地层的地质状况较复杂，盾构施工容易引起地面沉降和变形，当地表沉降过大时可能危及周围建筑物和地下管线等构筑物的安全，如果对盾构隧道穿越既有铁路的技术问题不加以重视，对人们的生命财产以及国家利益都会带来严重损失。因此，盾构穿越既有铁路的施工技术是值得研究的重要课题。

盾构隧道施工对既有铁路产生的影响，实质上是隧道施工引起的地层位移问题。盾构机掘进过程中地基变位的性状，因地基条件、盾构机型式、掘进和壁后注浆的施工方法、施工管理以及其他施工条件而异，其机理非常复杂，能考虑所有这些影响因素的分析方法目前尚未建立，可以说现在所提出的各种分析方法，都是对应于某一条件下施工实际的方法，尽管有的文献给出了综合分析，但是缺乏全面性。国内外专家学者对沉降控制的研究和分析的研究成果较多[1-8]。本文基于相关文献，对盾构隧道穿越既有铁路施工技术给出综合性分析，希望为同类工程建设提供参考价值。

2盾构穿越铁路风险分析

对盾构穿越铁路的风险分析是非常重要的一个步骤，可以根据以往经验，先对穿越铁路的工况采用有限元模型进行模拟分析，为制定穿越铁路方案提供理论支持。有限元模型尺寸可以根据经验来确定，然后进行优化以形成有限元网格。对于该网格可以进行模拟土体开挖，还可以利用ADINA软件中单元生死的技术来模拟隧道开挖过程。正如文献[9]指出的是，单元死掉是刚度消失的过程，ADINA的单元死掉可以让其刚度在一段时间内变化，最终为零，这可以用于模拟施工过程的时间效应，从而实现控制应力释放率的大小[9]。

3地基加固技术

盾构施工引起地表沉降和结构物变形是不可避免的。针对这一问题，现在工程技术人员在长期的施工实践中找到了很多对策，以有效地控制沉降范围和沉降量，保证各类建筑物的安全。除了在施工前合理选用盾构类型和在施工中精心操作，使盾构处于最佳状态外，地基加固是保护地下管线和地面建筑物的一种最为有效的措施。由于地面沉降产生的主要原因是土体损失，因此，要控制地面沉降量及其影响范围就要使土体损失降至最低。正确地选用各种地基加固方法，就能使地层蠕动趋势减少，颗粒土被粘结，孔隙被填充，土体稳定程度增强，从而达到减小地面沉降的目的[10-11]。地基加固常用方法选择。目前常用的一些保护建筑物方法有基础托换法、承压板法、地层加固法、截止墙法等。针对施工中具体情况可以进行选择。基础托换法适用于对于防止建筑物变形最为有效，但工程规模较大。承压板法适用于规模较大、精度要求高的建筑物不宜采用；但对于中小型建筑物而言，由于其造价低、工期短，故较为常用。地层加固法简单易行，关键技术是根据地基条件选用适宜的浆液和注入工法。施工时注入压力不能过高，随时监测注入压力和构造物的变位状况。截止墙法常用来防护允许变形量小的构造物。由于隔墙本身也是临近施工，在构筑隔墙时，也要考虑施工对构造物的影响

4掘进参数的优化技术

最佳盾构推进是指盾构推进中对周围地层及地面的影响最小，表现在地层的下降小、受到扰动小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的实沉幅度小，这些理想指标也是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本办法。盾构掘进主要由十个参数控制，即前仓压力、千斤顶顶力及分布、推进速度、盾构坡度、纠偏方向与纠偏量、浆液配式、数量、压力等。

4.1掘进速度

掘进速度参量的选取应掌握使土体尽量的切削而不是挤压。过量的挤压，势必产生前仓内外压差，增加对地层的扰动。当在无结构物下面正常推进，速度可控制在20～30mm/min之间；盾构纠偏时，应取较小速度。同样，不同的地质条件，推进速度亦应不同。因土压平衡是依赖排土来控制的，所以，前仓的入土量必须与排土量匹配。合理设定土压力控制值的同时应限制推进速度。

4.2同步注浆

在盾构工法中注浆施工是一个必不可少的重要施工环节，把握好该环节与其它施工环节的配合是盾构施工的关键之一，也是过轨施工控制地表沉降的关键点。盾构机的注浆方式采用由地面上制浆设备把浆液压送到盾构机台车上的浆液箱内，再由装在台车上的注浆泵注入的。同步注浆设备基本上由材料贮藏设备、计量设备、拌浆机、贮液槽仁料斗、搅拌器、注浆泵、注入管、注入控制装置、记录装置等构成。单液型浆液由水泥、粉煤灰、膨润土、减水剂加水以合理的配比，经充分搅拌获得。根据不同地质情况、运输距离的远近，应采用不同凝结时间的浆液配合比。为了使浆液很好的充填于管片的外侧间隙，必须以一定的压力压送浆液。注入压力大小通常选择为地层土压力加上0.1～0.2MPa的和。注浆压力，在理论上只需使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和，即能使建筑空隙得以充盈。但压浆压力不能太大，否则会使周围土层产生劈裂，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及影响盾构隧道管片的稳定性。掘进阶段，可按，其中，为土容重，h为隧道上覆土厚度。确定注浆压力。壁后注浆的最佳注入时期，应在盾构推进的同时进行注入或者推进后立即注入，注的宗旨是完全填充尾隙。土层的土质条件是确定注入工法的先决条件。

4.3二次注浆

通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充一次注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。同时对盾构推力导致的，在管片、注浆材料、围岩之间产生的剥离状态进行填充并使其一体化，提高止水效果。注浆孔的位置选择对注浆效果起重要作用，从便于施工和注浆效果两方面综合考虑。注浆顺序为：两侧注浆一隧顶注浆一隧底注浆。注浆材料使用同步注浆材料。二次注浆压力按比同步注浆压力高出0.01～0.05MPa来控制。

5土体改良技术

螺旋输送机能否顺畅排土是土压管理的基本前提。为此，需对切削下来的土体加泥、加水或加化学泡沫以控制土仓内土砂的塑性、泌水性、流动性（即塑流性）处于适当地范围内，保证螺旋输送机顺畅排土、避免土压力值波动。可以考虑采用加泥盾构工法。把高浓度的泥浆注入到掘削土砂中，不仅可以使泥土的流动性提高、抗渗性提高，还有防止粘附和降低刀具、掘削辐条、螺旋输送机等构件的磨耗；同时还可降低刀盘和螺旋输送机的扭矩。根据盾构穿越结构段工程地质条件，结合盾构机性能，盾构掘进施工中，当切削土为粘土或粉质粘土、粘质粉土时，加泥浆可以改善粘土在刀盘和螺旋输送机上的粘附性，通过刀盘切削搅拌和螺旋输送机传动，能具有很大的塑流性。泥浆是由膨润土和水按一定比例混合而成，浓度控制在5～30%之间。需要浸泡24小时以后使用，以保证泥浆注入效果。

6监控测量技术

监测的目的主要是通过监测及时了解和掌握盾构施工过程中地表沉降情况及规律性；了解施工过程中因地表沉降而引起的结构物下沉及倾斜情况，并根据前一步的观测结果预测下一步地表沉降和周围结构物的影响，研究地层特性、施工参数和地表沉降的关系，以便及时调整施工参数，采取施工措施。因此，通过监测手段掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律，及时采取必要的技术措施改进施工工艺，对于控制周围地层位移量，确保邻近建筑物的安全是非常重要的。

根据过轨工程实际情况，结合类似相关监测工程的经验，将轨道的沉降、差异沉降和车站结构的沉降及道床裂缝的错动、差异沉降作为本项目的重点，辅以其他监测项目形成一个严密的监测系统，达到安全监测的目的。从监测项目、测点布置安排、监测频率、报警值设定、信息处理以及信息反馈及应对来考虑监控的具体技术[9]。

7结论

综上，本文对盾构隧道穿越既有铁路施工技术进行了综合性分析，弥补了现有文献全面性方面研究的不足。通过对盾构穿越铁路风险分析、地基加固技术、掘进参数优化技术、土体改良技术以及监控测量技术等主要内容的探讨，为盾构隧道穿越既有铁路施工提供了技术上和理论上的支持，从而能够进一步促进盾构隧道穿越既有铁路施工目标的顺利实现。

参考文献：

[1]郭红远，顾振伟.大型盾构机地下穿越沪杭铁路施工技术[J].建筑施工，2006（10）：14-15.

[2]刘英城.盾构机穿越高速铁路的施工[J].隧道建设，2006，26（增2）：47-48.

[3]杨俊龙，孙连元，沈成明.盾构机穿越地铁隧道施工技术研究简介[J].现代隧术，2004（z2）：22-24.