区间盾构下穿铁路施工方案.docx
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区间盾构下穿铁路施工方案
区间盾构下穿铁路施工方案
区间下穿铁路桥专项施工方案
一、工程概况
1.1工程概述
区间线路起止里程分别为右（左）DK12+476.177和右（左）DK13+318.200，左线长：
845.997m（其中长链3.974m），拼装管片564环；右线长841.831m（其中短链0.192m），拼装管片561环，共计拼装管片1125环。
区间采用盾构法施工。
铁路路基顶宽度约为15.5m，路基高度为4.5m，双线铁路，风险等级为Ⅰ级，下穿京广铁路里程为左线DK13+105～DK13+129，长度约为24m；右DK13+097～DK13+123，长度约为25m，左、右线区间隧道埋深大约为14.3m。
隧道与铁路夹角约为71°，隧道拱顶为粉细砂层。
区间线间距15m。
区间隧道与京广线铁路的平面位置关系图
高于+10m，而汉口砂质含水层顶面埋深一般在+10～+14m以下，由于江水高水位压力传导而具有承压性，承压水头距离汉江越远相对稳定。
承压水测压水位标高一般在18.5～20.0米，年变幅3～4米。
二、下穿铁路桥设计保护措施及沉降控制参数值
2.1下穿铁路桥设计保护措施
铁路桥盾构下穿施工风险等级为Ⅰ级，针对铁路桥现状，经过模拟分析，主要采取以下保护措施加固土体，确保下穿安全。
（1）路基加固
路基上埋设袖阀管进行注浆，加固基底土层。
加固宽度为隧道外4m，加固深度处隧道结构范围内加固至隧道结构顶外，其余范围加固深度至隧道结构底板以下1m。
袖阀管注浆质量要求如下：
注浆加固剖面图
1）水泥采用42.5MPa及普通硅酸盐水泥；
2）浆液扩散半径不小于0.8m；
3）注浆加固量不小于加固土体的20%～25%；
4）注浆压力控制在0.3～0.5Mpa，临近地面附近注浆压力≤0.2Mpa防止地面隆起；
5）加固体28天无侧限抗压强度不小于0.8Mpa。
（2）铁路桥加固
在桥台基础和区间隧道间设置3m宽注浆加固体进行隔离；加固深度至隧道结构底以下3m。
同时，根据桥台的监测情况，对其基础进行动态的跟踪注浆。
汉西铁路桥桥台注浆加固剖面图
（3）接触网立柱保护
待路基及桥台加固完成后，还应对既有接触网立柱附近埋设立柱基础对其进行更换，施工中应加强对接触网立柱变形的监测。
（4）行车限速
在盾构机掘进通过铁路前，充分了解铁路行车计划及间隔，调整盾构推进速度，盾构机下穿时，列车在该路段减速至45km/h以下，缓慢行驶。
（5）后期沉降控制
为防止盾构在穿越后因同步浆液体积收缩所带来的沉降变化，在下穿段的管片上均预留注浆孔，以便在施工过程中及后期运营时根据动态监测数据情况补充浆液。
2.2下穿铁路桥设计沉降控制参数值
参考铁道部颁发的《铁路线路修理规则》（2006年10月1日起施行），设计要求本区间穿越国铁轨道控制标准为:
（1）轨面沉降值不超过10mm；
（2）轨面高低差不超过6mm，道岔区不超过5mm；
（3）相邻两股钢轨水平高差不得超过6mm，道岔区不超过5mm；
（4）相邻两股钢轨三角坑不得超过4mm；
（5）接触网立柱相邻悬挂点等高相对差不得大于10mm；立柱顺、横线路方向倾斜允许偏差不超过0.5%；
（6）桥梁墩台沉降值不超过15mm，相邻桥墩、桥台沉降差不超过5mm。
三、下穿铁路桥施工控制重点、难点及工期安排
3.1施工控制重点
施工控制重点：
序号
重点项目
控制措施
1
下穿铁路桥的安全风险控制
（1）在下穿前应与设计、铁路部门积极沟通，制定合理加固保护方案，以减少盾构下穿时铁路桥台及铁路路基的沉降变形。
（2）为确保列车运营安全，应加强监测及时与业主沟通并上报铁道部门。
保证列车在盾构穿越期间采取限速、轨道加固等应急措施。
3.2施工控制难点
施工控制难点
序号
难点项目
控制措施
1
下穿时及下穿后的沉降控制
（1）下穿时根据前期试验段掘进数据确定合理掘进参数（姿态、土压、速度、推力），以降低盾构开挖对土体的影响。
（2）盾构掘进期间采取适宜砂层的泡沫降低刀盘扭矩；并用高效钠基膨润土进行土体改良，利用膨润土吸湿膨胀、高膨胀性、低渗透性特点。
在开挖掌子面形成滤膜，在水和砂土混合下形成有效张力，保证开挖期间掌子面土体稳定。
（3）根据富水砂层流动性强、孔隙率大的特点，浆液填充采用外掺剂HPMC配制抗水分散性强早强性能浆液，确保浆液填充效果。
（4）采取每3-5环用双液浆打环箍，有效阻隔地下水对浆液的稀释，并采取二次、多次跟踪注浆，确保壁厚注浆效果。
（5）盾构机穿越期间加密监测，根据监测结果及时调整掘进参数，以降低盾构施工带来的沉降。
3.3下穿工期安排
下穿京广铁路里程为左线DK13+105～DK13+129，长度约为24m，拼装管片为16环；为右DK13+097～DK13+123，长度约为25m，拼装管片为17环。
下穿工期应涵盖前期加固、盾构机下穿及后期补注浆措施时间，具体工期安排见后附图2
四、试掘进段数据分析
（1）建立掘进试验段：
盾构掘进至DK13+129时进入下穿铁路桥段掘进范围内，在下穿前建立试掘进段取得正确的土压值、注浆量等推进参数，是保证安全下穿京广线铁路的前提。
取36～85环每次地面监测数据作为试掘进段，并进行数据分析随时调整推进参数，项目部根据36～85环的推进数据作为参照，经过试验段的数据分析参照监测数据逐步调整，找出了正确的推进参数及注浆量，将地面沉降波动控制在5mm以内，为下穿京广线铁路桥提供了有利的数据支持。
（2）参数分析
1）盾构机推进参数分析
试掘进但掘进参数分析
环号
总推力
（KN）
刀盘转速
（rpm）
推进速度
（mm/min）
出土量
（m3）
同步注浆量
（m3）
二次注浆量
（m3）
盾尾切口地面沉降单次变化量（mm）
36～45
17000～17600
1
25～27
45
6
1.5
-2.5～-1.4
46～55
16800～17300
1
22～25
45
6
1.5
1.7～-0.9
56～65
16600～17500
1
20～22
45
6.5
2
1.3～-0.7
66～75
16400～16900
0.8
20～23
45
6.5
2
-0.6～0.3
76～85
15300～16300
1
17～20
45
6.5
2
1.0～0.4
从上表分析中可以看出，推进速度保持在20mm/min以内，同步注浆量控制在6.5m3左右盾尾切口地面沉降变化量数值良好，盾构推力也会相应减小。
2）土压参数分析
试掘进段土压参数分析表
时间
环数
刀盘切口沉降值单次变化量（mm）
主要穿越土层
理论土压值（bar）
当天调整指令（bar）
2015年2月12日
55
-2.05
4-1粉细砂
1.63
1.71
2015年2月13日
57
-1.3
4-1粉细砂
1.63
1.75
2015年2月15日
58
-0.5
4-1粉细砂
1.63
1.8
2015年2月
16日
61
-0.3
4-1粉细砂
1.66
1.85
2015年2月17日
65
+0.5
4-1粉细砂
1.66
1.87
从上表分析中可以看出，在实际推进过程中将土压值调整到大于理论值0.2bar时可将下穿沉降值控制到最佳。
五、下穿铁路桥施工控制
5.1下穿前的施工准备工作
（1）路基、轨道加固——主要措施：
注浆加固
在路基上埋设袖阀管进行注浆，加固基底土层。
加固宽度为隧道外4m。
浆液以水泥浆为主，浓度水灰比为0.6～1.0。
注浆初压0.3～1.0Mpa，稳压1.0～2.0Mpa；加固体强度不小于0.6MPa。
注浆压力根据现场监测情况调整。
地基加固平面图如下：
（2）土压设定
隧道结构范围外加固深度为路基底至隧道底下1m，加固剖面图如下；
隧道结构范围内加固深度为路基底至隧道顶，加固剖面图如下：
（2）汉西铁路桥桥台加固：
在桥台基础和区间隧道间设置3m宽注浆加固体进行隔离；同时，根据桥台的监测情况，对其基础进行动态的跟踪注浆。
汉西铁路桥桥台加固平面图
汉西铁路桥桥台加固剖面图：
汉西铁路桥桥台注浆加固剖面图
（3）袖阀管注浆工艺
1）清理平整场地，清除地下障碍物，测定桩位。
2）钻孔。
钻孔采用回转钻机、树脂护壁，钻孔至孔底设计高程以下0.3米处，成孔检验合格后钻机移至下一桩位。
3）插入袖阀管。
袖阀管采用内径42mm的塑料管，每隔30cm钻一组射浆孔，外包橡皮套，插入钻孔，管端封闭，管内充满水下管。
为使套壳料的厚度均匀，尽量使袖阀管置于钻孔的中心。
4）浇注套壳料。
套壳料为泥浆，要求收缩性小，脆性较高，早期强度高。
套壳料的作用是封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液流窜。
套壳在规定的灌浆段范围内受到破碎而开环，迫使浆液在一个灌浆段范围内进入地层。
5）灌浆。
待套壳料有一定强度后，在袖阀管内放入带双塞的灌浆芯管进行分段灌浆。
每段注浆时，首先加大压力使浆液顶开橡皮管，挤破套壳料，然后浆液进入地层。
同类工程现场施工照片
袖阀管安装袖阀管成孔施工
（4）盾尾刷密封改造
针对区间粉细砂层及下穿京广线沉降控制严格的特点，本区间盾构机盾尾密封采用前两道钢丝刷+后一道钢板刷的方式，利用钢板刷耐磨性强的特性，将钢板刷放置盾尾最后一道，防止砂土进入后两道盾尾刷内破坏盾尾密封。
在改换最后一道钢板刷的同时还对钢板刷进行了改进，用45°折角的反扣板扣住管片，加强盾尾密封性。
具体形式见附图。
钢板刷在砂土中运行的模拟图负环拼装时钢板刷反扣效果图
在改善盾尾刷的同时，针对下穿地层油脂采用业界口碑较好的北京合东双油脂，该厂家生产的油脂性能稳定。
在前期试掘进段的推进过程中对地层的适应性也表现良好，具体性能指标如下：
序号
检查项目
指标要求
1
外观
乳白色纤维膏状物
2
稠度
220～280
3
密度25°C
1.25～1.35
4
泵送性
可泵出油脂
5
挥发性， 80±20°C5h，%
≤0.5
6
耐水性 （3.0Mpa,5min 无渗漏）
无渗漏
序号
检查项目
指标要求
（5）设定土压值
下穿铁路桥风险等级为Ⅰ级，因此下穿前有正确的土压设定依据是下穿成功与否的关键，要控制好下穿时的掌子面土压应从以下几个方面控制。
1）土体压力的计算：
正面平衡压力：
P=k×h×k0
P：
平衡压力（包括地下水）
k：
土体的平均重度（取18.7KN/m3）
h：
隧道中心埋深
k0：
土的侧向静止平衡压力系数,取0.6
2）依据试验段掘进数据分析，盾构机进入4-1粉细砂层后实际掘进土压值接近于取保值，因此在下穿京广线路基时拟定按取保值实施：
切口里程范围
环号
隧道中心埋深
土体平均重度
土的侧向静止平衡压力系数
理论土压值（bar）
取保土压值（bar）
13+128.2～13+118.2
127～133
17.339
18.7
0.6
1.95
2.15
13+118.2～13+108.2
134～140
17.655
18.7
0.6
1.98
2.18
13+108.2～13+098.2
141～146
17.971
18.7
0.6
2.02
2.22
（6）盾构机的维修保养措施：
首先在盾构穿越铁路桥以前对盾构机及其配套设备进行全面的维修保养，保证盾构机以最佳状态进行穿越铁路桥的掘进施工；其次在掘进通过铁路桥时组织专班加强盾构机的维修保养，将盾构机的维修保养工作穿插到掘进施工当中去，保证盾构机连续快速掘进。
5.2下穿时的施工控制措施
1）出土量控制：
根据双王区间施工经验，砂性土自密性较高，出土量可按常规理论出土量的93%～95%之间计算，即每环出土量为：
3.14×3.14×π×1.5×93%=43.2m3，（刀盘切削直径为6.28m）在现场实际操作中即按一箱土15m3计算，每环共计三箱土即可。
2）推进速度控制：
根据注浆泵注入速度1min/0.034m3，盾构推进速度不宜大于15mm/min。
3）刀盘转数控制：
根据推进速度慢的情况，刀盘转速不易过快应控制在1rpm/min以下。
4）油缸总推力推力应控制在10000～17000KN。
如推力过大应通过调整盾构姿态或进行土体改良降低刀盘扭矩来降低油缸总推力。
5）盾尾间隙控制：
盾尾间隙会影响到管片拼装质量和盾尾密封系统，应保证管片与盾构机形成同心圆，上、下、左、右的间隙量均不得小于70mm。
6）土体改良：
土体改良是降低刀盘扭矩，盾构持续推进的关键，采用砂层发泡剂改良砂土能够显著地降低砂土的渗透系数，但是砂土的透水性强、保水性差。
因此对于富水砂层，单纯靠发泡剂改良渗透性效果不理想，应同时注入膨润土，增加砂中细粒组分的百分比含量、充填砂土孔隙，这样才既能提高堵水性能，又能同时改善砂土流动性，提高保水性能，避免“喷涌”事故的发生。
盾构机渣土改良系统在刀盘上配备有4个注入孔，分散在刀盘的不同切削轨迹上，每个孔注入膨润土覆盖直径为1.5m，在刀盘转动的情况下可覆盖整个掌子面范围。
注入参数：
1）膨润土泥浆：
膨润土：
水=1：
10（质量比），注入率15%（与渣土体积比）；2）泡沫剂：
发泡液浓度为2%，发泡倍率15倍，注入率为20～40%（与渣土体积比）。
7）同步注浆控制：
①同步注浆配合比：
针对区间下穿的砂层地质，浆液应具有体积收缩率底、早强及抗水分散性等特点。
通过前期区间经验，结合以上特点制定浆液配合比为：
水泥（kg）
粉煤灰（kg）
膨润土（kg）
砂（kg）
水（kg）
HPMC1（kg）
200
300
200
1000
400
0.54
试验结果为：
扩展度22-24cm；凝结时间9-12h；7d抗压强度为1.9-2.1MPa，28d抗压强度为3.4-3.7MPa；具有良好的抗水分散性，PH为8.7。
满足砂层地质同步浆液质量要求。
②注浆控制
下穿期间注浆点位主要选择在上部由上至下填充建筑空隙，注浆时根据当前外部压力可判定，注浆压力值应控制在2～3bar以内，避免应压力过大造成注浆管路损坏或盾尾密封被冲破。
③注浆量控制
经计算每环建筑空隙为4.03m3，砂性土填充系数按150%考虑即6m3，下穿铁路桥时为保证填充量，注浆填充系数提升至170%即6.8m3。
8）二次补注浆控制
①二次注浆配合比
二次补压浆注浆配合比
单液浆（水泥：
粉煤灰：
水）
0.75：
0.75：
1
双液浆配合比
水泥（g）
水（ml）
水玻璃（ml）
初凝时间
终凝时间
150
60
108.4
2min40s
14min30s
②二次补注浆控制
二次补注浆应设置在盾尾后5环的位置进行跟踪注浆处理，考虑到下穿时正处于线路下坡应每隔5环打设环箍，保证同步注浆量。
在车架内补注浆的同时还应在车架尾部进行二次补注浆处理。
③二次注浆量按同步注浆体积收缩比的20%考虑即1.36m3，下穿铁路桥时盾构机主要穿越砂质地层，填充量还应适当提高，保证每环补注浆量不低于2m3。
5.3下穿后的跟踪处理措施
根据设计要求，下穿铁路桥段的管片都有加孔处理，盾构机完成铁路桥的下穿后15天内，还应根据下穿情况及实时监测情况进行管片壁后注浆的处理，保证后期沉降稳定。
六、地面监测
6.1监测布设原则
每条有碴道床轨道布置7个监测点，分别为盾构隧道左、右线中心线与轨道交叉位置各布置一个点，两条隧道中间位置布置一个点，盾构隧道左、右线外侧5米和15米各布置一个，共7个监测点。
道岔位置增加两个监测点，两天股道共计16个监测点。
（监测点布设图详见附图3）
6.2监控量测预警管理
结合国内已有很多成功穿越国铁的地铁工程经验，并参考铁道部颁发的《铁路线路修理规则》，本区间穿越轨道控制标准为:
监测项目
单日预警值
单日报警值
累计量报警值
备注
轨面变形
2
3
9
两接触网立柱沉降差
2
4
10
立柱顺、横线路方向偏斜
0.1%
0.2%
0.5%
监测项目
单日预警值
单日报警值
累计量报警值
备注
6.3监测频率
（1）铁路路基加固期
铁路路基加固期监测频率为2次/天
（2）盾构穿越期
盾构掘进面距铁路路基前后不大于50m时，监测频率为2次/1天；掘进面距铁路路基前后不大于20m时，监测频率为4次/天；盾构下穿期间，监测频率为12次/天，监测范围为刀盘前10m和后20m；对沉降或位移变化异常的特殊工况（盾构穿越线路正下方时）要适当加密观测次数，具体监测频率应根据现场具体情况做出适当的调整。
发现数据异常，经确认后，第一时间电话报警，然后出具书面数据。
（3）盾构穿越后期
盾构穿越完成后延续监测一个月，穿越结束后前一周监测频率为4次/天，穿越结束后第二周监测频率2次/天，穿越结束后第三和第四周1次/2天。
七、质量保证措施
7.1质量组织机构
下穿铁路桥是区间盾构掘进控制的重难点，对盾构下穿时及下穿后的沉降控制都有极为严格的要求，为严格把控质量关，项目经理部成立质量管理领导小组，由项目经理任组长，项目总工程师、项目副经理任副组长，成员由部门负责人组成。
具体见《质量管理组织体系框图》。
质量管理组织体系框图
7.2质量保证措施
7.2.1浆液质量保证措施
（1）加强拌浆站中的称重系统日常维修校准工作，保证浆液配比的准确性；
（2）拌浆时严格执行工程部下发浆液配合比，下穿期间每桶浆液拌制必须有项目部试验员旁站指导、监督浆液拌制。
（3）推进时应以浆液注入速度控制推进速度，保证同步浆液注入量为每环≥6.8m3的注浆量要求，并同时做好同步注浆量及二次注浆量的记录。
7.2.2拼装质量保证措施
（1）每环拼装前应在盾尾与管片间上、下、左、右各取8个点量测盾尾间隙，并根据盾尾间隙决定封顶块位置，确保管片与盾尾之间的间隙量均匀；
（2）管片下井拼装前必须由质检员检查管片防水粘贴质量，合格后方能下井进行拼装，不符合的管片应及时返回管片堆场进行重新粘贴。
八、安全保证措施
8.1安全组织机构
下穿铁路桥时将建立完整的安全管理组织机构，确定分管安全生产的项目经理，规定职责和权限，对项目经理、项目工程师、项目组专职安全人员及相关人员直至到班组和工人建立安全生产责任制，进行自下而上的层层签约，明确各自的职责和权限。
具体见《安全管理组织机构图》。
安全管理组织机构图
8.2安全保证措施
（1）掘进前充分与铁道部门充分沟通，建立联合预警体系，保证预警电话24小时开通。
项目部配备专人与铁路部门沟通，随时做好一切应急准备。
如果发现轨道出现异常情况，立刻启动应急预案，做好人员疏散工作。
（2）加强地面巡视工作，盾构在穿越铁路桥的过程中地面必须有人24小时进行巡视，如果发现地面冒浆等异常情况，立刻通知调度，由调度统一指挥进行处理。
（3）加强洞内管片姿态的监测，并控制好盾构机姿态，避免因管片位移量大、隧道超限导致停机。
（4）对盾尾、铰接、管片接缝等处的漏水、漏浆情况加强观察，发现问题，及时处理，不得因此导致地下水、泥砂流失。
（5）每个施工班组必须配现场安全监督员，要积极履行职责，发现问题及时整改，如现场不能解决，应及时向项目部报告。
（6）做好现场的文明施工，物品摆放应整齐有序。
泥浆、污水等必须按技术交底处理，严禁随意排放污染环境。
九、应急预案
9.1危险源源分析
区间下穿铁路桥危险源分析表
活动点/工序/设施
可能导致的事故
事故原因
危险级别
可能产生的危险源
轨道沉降变形
影响铁路线运营
盾构参数未控制好
重大
轨道不均匀沉降
影响铁路线运营
重大
9.2应急组织机构
（1）项目部应急救援领导小组组成人员如下：
（2）主要负责人联系方式
一旦出现险情，由现场施工负责人通过电话和派通讯员立即通知项目部应急救援领导小组各成员。
9.3应急物资筹备
名称
单位
数量
到场日期
执行情况
编织袋
条
5000
2015年3月10日前
已到位
中砂
M3
30
2015年3月10日前
已到位
42.5水泥
吨
40
2015年3月10日前
已到位
聚氨酯
桶
20
2015年3月10日前
已到位
水玻璃
桶
10
2015年3月10日前
已到位
快干水泥
吨
2
2015年3月10日前
已到位
钢板
M3
30
2015年3月10日前
采购中
油毡
卷
20
2015年3月10日前
已到位
H20型钢
M
20
2015年3月10日前
采购中
石渣
M3
5
2015年3月10日前
采购中
针对下穿京广线铁路桥施工段，项目部已开始购配应急抢险物资，部分应急物资已到达现场，剩余物资也在采购中，下为已到位的现场应急物资图片：
现场应急物资照片
9.4应急方案
9.4.1轨道沉降不均或沉降超限的处理措施
（1）与铁道部门保持有效的沟通联系；
（2）预备石渣，做好出现险情时及时补救预防的准备；
（3）若在掘进施工过程中发现轨道面沉降达到5mm时，则立刻铺渣调整轨道高度；
（4）采用调整轨道扣件的办法（调整量在10mm范围）及时调整轨道高程；
（5）利用上部袖阀管注浆孔对沉降地区进行针对性的地面跟踪注浆；
9.4.2路基、轨道加固
根据以往的工程案例，铁路路基采用注浆加固措施可以满足盾构隧道穿越时铁路线路的控制要求。
根据现场的实施条件，轨道纵横梁架空可作为辅助措施。
左线隧道穿越时，轨道纵横梁架空采用工100便梁（16m）单挑架空线路的加固方式。
纵梁设置在横梁下，从转辙机下部穿过。
根据轨道沉降监测情况及时调整轨道高度，保证轨道平顺，以满足铁路线路的要求。
左线隧道穿越时轨道架空平面图
右线隧道穿越时，轨道纵横梁架空采用工100便梁（16m）双挑架空线路的方式对整个道岔区加固。
纵梁设置在横梁上。
信号机需迁移至纵梁外侧。
根据轨道沉降监测情况及时调整轨道高度，保证轨道平顺，以满足铁路线的要求。
具体施工方案如下：
线路一侧路基边距低层房屋约8米，另一侧约5米；施工场地较狭小，为保证施工场地条件，需对一侧房屋做进行拆除，拆除后按以下步骤施工：
第一步，工便梁运到施工现场。
注意事项：
便梁卸车不要碰到接触网立柱、栅栏等建筑物，慢卸慢放防止砸伤人。
如果夜间到现场必须保证足够的夜间照明。
第二步，利用线路封锁点方枕穿设钢横梁。
加固体系横梁（组）采用Ⅰ100便梁，每两根轨枕间穿一根工字钢横梁,间距0.6米；作为纵梁支点的横梁组由3根Ⅰ63C工字钢并列组成,间隙用硬木塞填密实；横梁总长13.3米，从钢轨底穿过，横梁与钢轨间
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