地铁盾构施工下穿浅覆区、既有铁路的防护技术

聂凯良NIE Kai-liang

（中铁十二局集团有限公司，太原 030000）

0 引言

盾构法掘进地铁因对周边扰动少、机械化程度高、精度高、地质适应性强等多种优势，在地铁施工中得到广泛利用。但当盾构法遇到地质条件复杂情况及周边存在高风险建筑物时，具有很大的安全风险。盾构机刀盘前土水压力与密封舱内压力的动态平衡是盾构机正常工作的前提，但对于穿越浅覆地层时，如果土水压力过大，则造成盾构上部土体隆起。土水压力过低则导致土体坍塌，以上2种情况均可能造成较大的施工安全事故及铁路行车安全事故。本文依托工程实例，详细阐述了盾构施工下穿浅覆区及既有铁路所采取的技术措施，确保了盾构安全、顺利地通过该区段。

1 概述

某地铁车辆段出入段线于里程Y（Z）NHDK0+200～Y（Z）NHDK0+370 下穿既有铁路，隧道拱顶至铁路道床顶面约6.47～9.94m，同时周边为低洼浅覆区，隧道拱顶至原地面约为3.62～6.15m；盾构影响范围内还有铁路1-4.0m 盖板涵1 座。

既有铁路国家Ⅰ级铁路，为货运专线，设计时速160km/h，上下行线均采用60 无缝钢轨，地铁下穿段采用碎石道床，盾构隧道与铁路交角约为28°。铁路线受盾构隧道开挖影响里程范围为：上行线：K804+157～K804+191；下行线：K804+059～K804+117。

因该区域为浅覆区，地铁盾构法施工扰动地层，造成地表隆起，或坍塌，或平移的安全风险极高，确保盾构通过浅覆区、铁路的施工安全及铁路安全成为了本项目急需解决的技术难题。

2 浅覆区、铁路及涵洞加固方案

参考以往经验，咨询专家意见，并进行技术创新，采取了如下的系列技术方案（如图1 所示）：

图1 总体防护方案示意图

①对影响范围内铁路全部采取D 型便梁托换，D 型便梁采用φ1200mm 人工挖孔桩为支墩（其中1 处支墩设在既有铁路涵洞顶上，在涵洞内设置型钢支撑，以确保涵洞顶板的承载能力。）。上、下行线共设置19 根挖孔灌注桩，按端承桩设计，桩长进入隧道拱底下方3m。纵梁采用D16+D24+D24+D16 便梁。D 型便梁可完全承担盾构下穿铁路期间列车荷载，即使发生极端的地面坍塌亦不致影响铁路运营安全，可保证铁路运营的绝对安全。

②低洼浅覆区设置抗浮板。盾构隧道下穿浅覆土段盾构采用C35 钢筋砼保护压板+抗浮桩作为抗浮措施，兼作运营阶段的防护措施。C35 钢筋砼保护压板厚700mm，两侧伸出左右线隧道外侧各1.5m，隧道两侧设置12 根φ600钻孔灌注桩作辅助抗浮措施，压板上方覆盖2m 厚粘性土并压实，压实系数90%，设置里程为YNHDK0+194.4～YNHDK0+237.8。

③对既有铁路涵洞进行接长及加固处理。接长目的是为了排出低洼处积水，避免地表水下渗影响地铁正常运营；同时接长涵洞还可起到作为盾构隧道抗浮压顶结构的作用，确保地铁的正常运营。接长涵涵底设置4 根φ600钻孔灌注桩作辅助抗浮措施。同时，辅以既有涵洞内型钢支架加强措施与洞内注浆加固措施以确保铁路运营的绝对安全。

3 防护工程施工关键技术

3.1 施工防护

严格执行铁路的相关规定，严密组织施工防护。请点施工时，在距工点800m 的前后两端、工点处按规定设置各类信号标志。车站设驻站联络员，孔桩等工程则采用隔离栏隔离施工区域，施工人员不进入既有线。

施工时提高线路观察频率（每2h 一次），发现线路几何尺寸或是其它异常情况立即处理，将事故消灭在萌芽状态。

3.2 既有设备管线迁改工程施工

盾构隧道影响范围内接触网支柱共有18 根，在支柱的周围离基础中心1.8m、2.8m 半径范围内按照1m 间距布置16 个φ42 的注浆管，深度4m，对接触网基础进行预注浆加固。

3.3 无缝线路应力放散

施工前与设备管理单位办理相关手续，确定放散长度与锁定轨温。利用铁路局施工天窗，计划封锁线路1h。封锁前一趟列车慢行45km/h，执行“机工联控”。

3.4 吊轨梁施工

孔桩开挖前及横抬梁顶推前利用天窗点采用12m 长3-3-3-3 吊轨梁纵挑横抬法[1]（如图2 所示）对既有线路进行加固。加固完成后列车限速45km/h，执行“机工联控”。

图2 吊轨梁纵挑横抬法加固线路立面图

轨束采用3 根P50 钢轨组成，单束长度12m。利用天窗时间预先将吊轨梁的钢轨吊至线路两侧（注意不得侵入限界），修整并编排钢轨摆放顺序（要确保扣轨接头错开超过1m），封锁要点后实施扣轨施工，扣轨按先中心再两端的顺序进行，扣轨时需注意避免侵限及连电。

横抬梁采用I30a 工字钢，间距按1m。封锁后，人工掏槽，采用单根人工配合机械顶推施工，就位后采用U 型螺栓与钢扣板连接，按规定与I50a 工字钢纵梁连接。

3.5 线路加固的孔桩施工

线路加固支墩孔桩共19 根。桩身直径1.2m。桩净长12～15m。结合现场实际情况，铁路加固区域场地有限，大型机械无法进场施工，孔桩采用人工开挖。

需办理列车慢行45km/h，执行“机工联控”。慢行开始后方可进行挖孔作业。

3.6 架设D 型便梁

便梁安装前进行换枕，按照纵梁间距及设计横梁穿放点、红油漆标注钢枕位置，错开既有砼枕，尽可能地少抽换砼枕，当砼枕位置与钢枕位置重合时再抽枕更换。在天窗点内实施换枕，换枕后立即捣固道床。

每跨便梁（共2 片纵梁）计划每天封锁停电要点2h 架设2 片纵梁。采用2 台25t 轨汽吊同时吊装单片纵梁至预定位置上并打撑加固好，再吊装该跨另一侧的单片纵梁至预定位置上并打撑加固好；钢横梁进场后，在其与钢轨底面接触地方包裹绝缘橡胶，包裹必须保证密实无缝隙，严禁使用老化、破裂的绝缘橡胶[2]。纵梁就位后，采用天窗点（不停电封锁2h）的办法，安装横梁，横梁按相当规程要求与铁路基本轨联结稳固。D 型便梁设置如图3 所示。

图3 D 型便梁安装立面图

3.7 铁路涵洞接长、抗浮板施工方案

3.7.1 机械钻孔灌注桩

新建接长涵洞和抗浮板处φ600 抗浮桩共16 根。抗浮板下12 根抗浮桩按深入泥岩下方1m 或隧道底部下方2m 控制，排水箱涵下4 根桩桩长10m。使用钻机施工，钻机摆放地点距线路中心距离最近的桩约10m，钻机增设缆风绳固定防倾倒措施，确保不倾倒、不侵铁路限界。

3.7.2 既有铁路涵洞内钢支架加强

为确保该盖板涵不受盾构施工影响，采取对线路加固完成后，辅以涵洞内钢支架加强措施与洞内注浆加固措施以确保铁路运营的绝对安全。钢架底脚置于牢固的基础上，钢架之间按设计纵向连接。在涵洞与钢架两者间打入薄钢楔切实顶紧，安装过程中设置专人保证观测仪器与测量工作的正常进行，加强对轨道的监测。

3.7.3 抗浮板、涵洞补充注浆粘土回填等

抗浮砼板下方注浆，用φ32mm 钢管制作注浆管，注浆管长度为4m，预埋在板内，注浆管打花眼，花眼直径6～8mm，按50cm 间距双向开孔。

涵洞通过在浇筑混凝土盖板、低板时预留的注浆孔，对涵洞底板下方空间土体进行注浆加固，选用纯水泥浆灌注。

注浆加固时，应对邻近轨道、地下管线和铁路轨道床的沉降、倾斜、位移进行监测，并采取多孔间隔注浆和缩短浆液凝固时间等措施，减少既有铁路因注浆而产生的附加沉降。

排水涵洞外粘土回填高度约1m，压实度95%。抗浮板上方覆盖2m 厚粘性土并压实，压实系数90%。施工时，严格控制粘土回填数量。

3.8 D 型便梁拆除施工、线路恢复

待盾构隧道工程掘进穿越铁路完成，且待工务部门确定同意后，方可进行拆除施工便梁的工作。完成线路加固的拆除后，立即上碴整道线路加固，拆除后的限速按相关的规程进行，最后恢复常速。

4 铁路路基、线路监控

盾构机推进过程中会对周边土体造成扰动，由于周边土体变形会引起既有铁路路基及桩基产生竖向、水平向位移，使既有铁路曲线要素超出设计值，造成较大的运营安全风险。扰动对路基地层形成不均匀沉降使轨面不平整，容易造成列车出轨等特重大事故。盾构穿越既有铁路时为保证既有铁路的安全运营，对既有铁路、周边土体的沉降变形进行监测。

4.1 监测布设及要求、观测周期

盾构掘进通过铁路时对区间3 倍深度影响范围内的既有铁路轨面、路基、接触网杆等主要设施进行监测。进行区间左右各80m 范围内进行监测。

既有铁路为有砟轨道，只需监测项目有轨道结构沉降、桩基及路基沉降、接触网立柱沉降；既有线路的路基沉降均布设于既有线路肩，监测点间距为5m，采用Φ10 长20cm 的钢筋砸入路肩作为监测点，并在孔桩顶部粘贴沉降标识作为沉降监测点。

4.2 监测周期及频率

盾构机机头前＜20m，3 次/1 天；盾构机机头后＜20m，3次/1 天；盾构机到达前后＜50m，1 次/2 天；盾构机到达前后＞50m，1 次/周，监测数据趋于稳定后，监测频率为1 次（15d～30d）当盾构机穿越后仍然持续监测一个月待监测数据稳定后方可停测。

4.3 监测管理和信息反馈

对盾构施工的风险源的影响预测应贯穿盾构施工的全过程，采用反分析或其他有效方法进行数据分析及评估，并按规定的程序，通报参建各方，及时会商或调整施工措施。

5 确保盾构掘进安全通过的技术措施

①当盾构施工至距浅覆层及铁路为50m 时，对地面及铁路沉降进行监测及统计分析，以确定盾构土压力设定值、排土率和推进速度等掘进参数。在盾构距浅覆层及铁路为20m 时，加强对盾构机实施刀盘、注浆、密封、推进和监控等系统的检修，避免穿越期间设备出故障。

②采取如下优化盾构机施工参数以降低盾构施工对周边土层的影响程度：

1）采取加气保压措施，尽量将土仓内的压力值控制在恒定范围内；严控出土量，以避免出土过多，或过少，出土量根据经验及地质情况而定，确保地层损失率小于5‰。

2）依据推进行情况，适时提高泡沫剂及水的加入量，提高碴土改良效果。

3）下穿时确保推进速度均匀，减少推进速度的波动幅度，尽量降低对地层的扰动。

③盾构掘进时，隧洞围岩塑性变形的发展存在滞后性，故通过适当加快推进速度、减少各工序操作时间，在塑性变形的发展高峰前快速通过，并及时实施管片后空隙充分注浆，达到有效控制覆土沉降的目的，即以时间换空间。

④盾构推进时严格控制线形、姿态，避免过频及大幅度调整姿态，降低纠偏次数，并避免较大纠编。为避免对土体造成扰动及超挖，控制姿态调整不超过5mm[3]。

⑤确保同步及二次注浆的注浆数量和压力，要求同步注浆量≥150%。及时充填密实管片与土体间空隙，以提高土体的抗渗性及结构承载能力，避免地层出现较大沉降变形。

⑥为避免在浅覆层及铁路范围内清洗土仓，加强工况管理，严防土仓堵塞和产生泥饼现象。

⑦因盾构过浅覆层、铁路为曲线穿越，需加强盾尾舱的监管和盾尾刷的保护，严控盾尾油脂的压注，保证盾构铰接部位的密封性。

⑧下穿铁路段使用加强型衬砌管片，确保铁路运营行车的安全。

6 结束语

本项目盾构施工下穿浅覆区、铁路时，采取D 型便梁加固铁路、低洼处设置抗浮板+抗浮桩、既有涵洞内型加固等系列技术措施。盾构下穿期间的监控量测表明，施工对铁路的安全运营没有造任何影响，地表沉降及位移值均处于安全范围内。说明本项目采取的技术措施科学合理，确保了盾构施工的顺利进行和既有铁路的安全正常运营。