三线并行隧道盾构法下穿铁路施工工法.doc

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三线并行隧道盾构法下穿铁路施工工法

中铁二局股份有限公司城通公司

1.前言

上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道由正线（双线）及出入段线（两段）两部分组成，全长6249.676m，采用盾构法施工。

两岔道井将区间正线分割成三部分共六段盾构隧道。

在正线的东、西岔道井之间及线路北侧为东、西车辆出入段线，呈“八”字形分布，区间上、下行线和东出入段线三线并行隧道在东西岔道井之间下穿越运营时速达140km/h的双线既有沪杭干线铁路，隧道拱顶距铁路覆土仅7.9m。

中铁二局股份有限公司城通公司联合设计单位和大专院校开展了科技创新，取得了“三线近距、斜交、小半径、大坡度地铁盾构法施工综合技术”研究成果，于2007年通过四川省科技成果鉴定，获得四川省科技进步三等奖。

我们对此技术的应用进行了总结，形成了本工法。

2.工法特点

2.1有效地保护既有铁路、上行列车及邻近既有建筑物、管线，很好的控制地表沉降，使盾构施工中对其影响非常之小。

2.2适用范围广，不仅适用于下穿铁路，也适用于下穿公路及既有建构物。

2.3充分利用精密仪器的监控量测作用，及时反馈信息，调整加固参数和掘进参数，保证铁路正常运行。

3.适用范围

软土地区土压平衡式盾构机小净距并行或下穿铁路掘进施工。

4.工艺原理

利用三维有限元数值模拟对三孔盾构施工的相互影响及受铁路列车振动的影响进行了研究，对三孔盾构施工的施工顺序进行比选，确定最佳推进顺序，并根据相关地表变形和结构强度要求，选定铁路路基加固的方案；采用荷载结构模型，计算确立铁路列车动载下的盾构管片配筋加强方案；

利用详细的地基加固方案及具体的管片辅助措施，明确的监控量测项目和频率，及时优化的盾构施工参数控制的综合运用，保障了盾构下穿铁路的顺利施工。

将数据处理和信息反馈技术应用于施工，利用监控量测指导施工，动态修正施工方法和支护参数，以信息化施工技术为贯穿全过程的主线，全面控制和优化盾构施工参数，确保施工安全、快速。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

图5.1施工工艺流程图

5.2操作要点

5.2.1选择盾构掘进顺序

利用三维有限元对各施工顺序和方法进行模拟，计算各施工顺序工况条件下的地表位移、结构内力变化，并结合模型试验结果选定盾构掘进顺序：

先逐一施工两侧的隧道，后施工中间的隧道；

5.2.2根据三维有限元模拟确定加固铁路路基的方法

按照实际工况，建立三维连续介质有限元模型，分析列车动载对隧道结构的影响，得到了动应力的分布规律，并根据动应力的影响程度，确立加固铁路路基的方法。

5.2.3地基加固类型及范围

三线盾构隧道下穿铁路施工前，对下穿区域铁路路基采取分区域加固的保护措施，下穿区域铁路线路两侧B区设4.2m厚φ1.2m旋喷桩四排，咬合量为0.2m；桩间范围内A区及其外侧路基C区分层注浆加固。

加固区域如图5.2.3-1和图5.2.3-2所示。

其中A、C区为注浆加固区，具体参数要求如下：

A区：

主加固区，分层注浆加固，要求Ps≥1.0MPa；

C区：

次加固区，分层注浆加固，要求Ps=1.0MPa；

B区：

旋喷加固区，旋喷桩起加固和隔断及控制变形的作用。

加固要求逐渐降低，土体强度介于A、C之间，形成过渡。

图5.2.3-1地基加固平面图（单位：

mm）

图5.2.3-2地基加固立面图（单位：

mm）

5.2.4旋喷桩加固

沿铁路两侧进行高压旋喷桩加固施工，每侧在距铁路对称中心线7.5m外设4.2m宽的旋喷桩加固区。

旋喷桩起加固和隔断及控制变形的作用。

旋喷桩单桩直径为1.2m，在加固范围内满布旋喷桩，桩与桩相互咬合量为0.2m。

加固土体强度qu≥0.8Mpa，渗透系数k≤10-8cm/s，水泥掺入量360kg/m3。

5.2.5分层注浆加固

在旋喷加固施工完成后，对铁路两侧进行分层分块注浆加固。

采用分层斜孔注浆，注浆孔与地面的夹角为30°，层高为0.5～0.8m。

采用复合浆液，缩短胶凝时间，以控制注浆压力和扩散范围，减小注浆对基床的影响；第一层斜孔注浆完成后，进行下部深层注浆加固，注浆压力和注浆速度应根据线路变形的监测数据进行调整；注浆加固区域如前“地基加固平面图、立面图”所示。

1、施工工艺流程

分层注浆加固地层工艺流程见下。

放线定位布孔

钻机就位对中校正机械倾斜角

钻孔

安放塑料阀管，土体回缩

插入注浆管

封口

注浆

分层上拔注浆管

图5.2.5分层注浆加固地层工艺流程图

填充加固层以上的空隙段

结束

2、施工工艺

先施工主加固区的第一和第二排斜孔，上部形成封闭层，加固24小时后施做主加固区下部土体，最后施做次加固区。

采用分层注浆加固，实施第一和第二层斜孔注浆，注浆浆孔距50cm，注浆孔与地面的夹角为300，孔底距线路对称中心线的路基底为4.33m，采用复合早强浆液，缩短胶凝时间，以控制注浆压力和扩散范围，注浆压力和注浆速度根据线路轨道变形的监测数据进行调整，减小注浆对基床的影响；主加固区第一和第二层斜孔注浆完成后，下部深层注浆加固采用的注浆孔与地面的夹角由30°逐渐加大。

次加固区采用竖直施做注浆孔，退拔式一次性分层注浆加固完成。

1）成孔及注浆

成孔注浆前，先做几个注浆孔试压，注浆压力和注浆量以铁路轨道顶面不沉隆为控制标准，取得经验数据后，方可进行正式施工。

①孔位布置：

主加固区域注浆斜孔按梅花形布置，孔距500mm；次加固区域采用竖直施做注浆孔，梅花形布置，孔距500mm。

注浆管布置图见图5.2.5-1和5.2.5-2所示：

图5.2.5-1注浆管布置平面图

图5.2.5-2注浆管布置剖面图

②钻孔：

注浆孔定位、钻机定位并校正垂直度和倾斜度，钻机造孔至设计底标下0.3m，钻孔的位置与设计位置的偏差不得大于50mm。

③安放塑料阀管并封口，以防泥土流入管内影响施工

④插管：

将喷管插入花管内，接上注浆管，封堵管口

⑤注浆：

第一次注浆完成后，将注浆管向上再提升40cm，开始第二次地基土注浆，同样工序重复施工就可由下而上完成整个加固厚度范围的注浆作业。

注浆流量15～20L/min，注浆压力一般为0.2Mpa，以下压力逐渐加大，但最大不超过0.6Mpa，注浆压力和注浆量以铁路轨道顶面不沉隆为控制标准。

⑥冲洗：

喷射施工完毕后，应把注浆管等机械设备冲洗干净，管内、机内不得残留水泥浆液。

⑦移动机具：

将钻机等机具移到新孔位上。

⑧拔出注浆管，用砂浆将钻孔留下的空隙填满，保证今后土方开挖时，土体的相对稳定。

⑨注浆顺序按跳孔间隔、先外围后内部的方式进行。

2）浆液材料的选择及配制

①材料的选择

采用水泥液注浆材料，普通32.5水泥，保证新鲜无结块。

水玻璃：

模数2.5～3.3，浓度30～45波美度

②配合比

水灰比为0.5，并掺加适量的速凝促进剂。

每立方土体需用水泥176kg、水玻璃5.67kg、促进剂10.3kg；浆液初凝时间：

A区30～90s，C区150～600s

5.2.7加固施工时压力释放。

旋喷桩、注浆加固时对土体产生一定的扰动，随土体密实形成的隆起或沉降量超标会影响铁路的正常运行。

施工时采用在两侧设各设多排φ100-φ150预埋钢花管泄压孔，每排中管间间距、管长及与地面夹角根据现场情况确定。

发现地面有隆起超过设计要求时立即打开泄压孔让多余的水泥浆液排出土体外，从而达到规范及设计的要求。

5.2.8加强管片配筋

在下穿铁路施工时，由于上部有列车动载时，根据数值模拟试验对钢筋混凝土管片采取加强措施。

采用荷载结构模型，并根据三维动力计算得到的动应力作为列车荷载，对单圆盾构隧道横断面的内力进行计算，对铁路下方中心线左右两侧各30m的范围内的钢筋混凝土管片配筋进行加强，同时对铁路路基下方的管片掺入钢纤维以增强其抗裂性。

具体配筋加强方案为：

铁路中心线左右两则各6m的范围内采用钢纤维砼管片，其他区域仍采用钢筋砼管片，钢纤维砼管片外采用24m的过渡区，过渡区内的配筋比标准地段设计增加，过渡区外采用标准地段设计的配筋量。

5.2.9穿越前进行模拟掘进

设置合理长度的模拟掘进区，模拟穿越建筑物的工况条件，设置能准确掌握类似变形的监测仪器，将监测数值与施工管理标准值、允许值比较；同步记录盾构机密封仓土压力、盾构掘进速度、刀盘转速、同步注浆等数据，查看在各种参数控制下盾构机推进的影响，采用数理统计的原理，找出上述参数之间的关联，从而进行穿越段土压力设定、掘进速度和同步注浆等关键参数的初始设定。

在总结施工参数和盾构穿越施工方法后，再正式穿越铁路，以此确保盾构顺利穿越铁路，并将影响降到最低。

5.2.10选择三线盾构施工参数

在盾构穿越铁路前，根据一定的试验和数据信息，设定盾构机的穿越施工参数：

1、合理设定正面土压力：

三线隧道的土仓压力以开挖面前端土体略微隆起约0.5～1mm为宜；

2、加强同步注浆：

在穿越铁路期间先行两侧隧道每环同步注浆量均为2.5m3，浆液稠度为9～10㎝，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m3，浆液稠度为10～11㎝；

3、控制掘进速度：

先行两侧隧道盾构掘进速度控制在≤3cm/min，后行中间隧道盾构掘进速度控制在≤2cm/min；

4、控制轴线偏差：

在每环拼好后，及时测量盾构和成环管片与设计轴心的偏差，先行两侧隧道纠偏量≤3mm/环，后行中间隧道纠偏量≤2mm/环，然后根据每环的测量结果和管片四周间隙情况，对盾构机下一环的推进提供精确依据，及时调整各区千斤顶的伸长量；

5、利用预埋注浆孔进行壁后二次注浆：

在三线隧道并行段增设注浆孔管片，每环16个注浆孔，在后行隧道施工前，对先行完成的两条隧道进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m，土体强度达到一定强度后才施工后行隧道，后行中间隧道每掘进完成5环，及时进行注浆加固，二次注浆的浆液为双浆液，浆液组成为水泥、水玻璃，浆液稠度9～10cm，浆液重量配比：

水：

水泥：

水玻璃为1：

1.2～1.5：

0.05～0.1，注浆压力0.3Mpa，注浆量0.3-0.5m3，注浆速度10-15L/min；

5.2.11监测技术与分析

监测主要由洞外观察和周围环境监测两部分组成。

其目的是把周围环境，特别是既有铁路线在施工期间的变形情况，及时地反馈给施工方，使之能够迅速调整、优化施工方法，以确保本工程和铁路行车安全。

1、监测内容：

1）地表沉降

在盾构下穿铁路线两侧范围内，垂直于盾构推进方向各设置7道地表沉降观测断面。

沿隧道中线上方地面设置9道地表沉降观测断面。

地表沉降点见下图DM（1-9）-（1-7）。

2）线路沉降及方向偏移

在盾构推进前先在地面上布置好变形观测点。

在穿越区设置3道横向沉降观测断面（铁路线路中心各设置一个断面，铁路上下行线的线间设置一个断面）；横向观测断面上测点布置与地表沉降相同，沉降点位采用钢深层沉降点。

沉降点见下图DM（1-9）-（3-5）兼作铁路线路中心部分沉降观测点，铁路轨面观测点GM1~GM10设置在钢轨扣件螺栓轴上，由于铁路整道，此类点的单次变形量比较有意义。

SP1~SP6为线路偏移观测点。

图5.2.11-1监测点布置图

3）分层沉降值

设置分层沉降管4根，2根位于主加固区范围内，2根位于次加固区范围内，管内磁环竖向间隔1m布置。

4）管片静力测试

针对三线隧道下穿铁路和隧道相互间近接施工的难点，对管片结构的受力状态进行了现场监测，以检校设计管片的受力情况，在铁路路基下方管片内埋入传感器，测设钢筋及管片应力。

传感器采用JXG型钢筋应力传感器（下简称钢筋计）和JXH型埋入式应变传感器（下简称应变计）。

传感器在管片环的上埋置位置如图5.2.11-2所示。

图5.2.11-2管片静力测点埋设图

5）隧道内沉降监测

在盾构推进时，在拼装好的管片上，布置隧道沉降观测点，及时了解隧道推进后的沉降以便采取