（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京，101199）
【摘 要】以西北热地中心-远大220kV送出工程（电缆隧道）（第一标段）盾构工程为背景，从现场掘进试验出发，研究分析了盾构隧道穿越铁路的现场试验数据，提出了影响地面沉降的几个施工参数，并选择几组不同的施工参数进行了现场模拟施工试验，最后通过分析模拟施工试验结果，得到了合理的施工参数。
【关键词】盾构隧道；穿越铁路；地层变形
1、引言
盾构法是目前城市隧道施工中最先进的施工方式之一，具有施工快速、优质高效、安全环保等优点[1,2]。 其中，土压平衡盾构法更是在世界各国得到了广泛的应用。但盾构施工难免扰动原状土且极易造成土体损失，从而造成地面沉降。目前，盾构隧道穿越既有铁路的情况越来越多、穿越的地层也更加复杂多样，如何在盾构隧道穿越既有铁路时合理选择施工参数来减小地表沉降成为盾构施工最必要的控制措施[3]。本文结合西北热电中心-远大220kV送出工程（电缆隧道）（第一标段)盾构工程，对盾构穿越铁路的施工参数进行了分析，并通过现场试验得到了合理的施工参数，将该参数应用到实际工程中，成功穿越铁路。
2、盾构掘进施工时地层变形影响分析及主要相关施工参数
隧道盾构施工下穿既有结构主要引起地层及地表的下沉变形，因此盾构下穿施工时，沉降控制是重点。隧道开挖过程中地面随着掌子面向前挖的时空效应而变化，如图1所示：隧道开挖引起的地面纵向沉降大致分为四个阶段。
图1 沉降发展曲线示意图
根据国内外施工经验及理论研究分析，总结出盾构施工地层变形的主要参数有盾构掘进施工时的土仓压力、掘进速度、刀盘转速、盾尾注浆量及注浆压力等，而地层变形是这些因素综合影响的结果[4,5]。各阶段的变化形态、原因及机理详见表1。
表1 沉降阶段及原因
因此，在实际施工中选择出合理的施工参数就成为控制下穿既有铁路引起地层变形的关键。
3、工程概况
西北热电中心-远大220kV送出工程（电缆隧道）（第一标段）盾构隧道，采用圆形断面，利用盾构机进行一次衬砌施工，成型内径5.4m。该工程采用日本石川岛铰接式土压平衡隧道盾构机进行掘进。工程需穿越的既有铁路101线全长15.4km，盾构下穿段位于衙门口站~101站区间K12+252处，盾构隧道与铁路101线形成89°夹角，隧道埋深11.59m。盾构隧道下穿位置为高路基，路基最高处3.86m，道床为碎石道床，盾构下穿铁路段总长12m。主要穿越地层为卵石③层及卵石④层；围岩等级为Ⅴ级，岩土施工工程分级为Ⅲ级，内摩擦角30°~35°，隧道直接持力层土质为卵石④层；隧道与铁路位置关系图见图2。
图2 盾构隧道下穿铁路位置关系示意图
4、主要施工参数的选取
4.1 土仓压力控制
盾构机刀盘全部进入土层时，土仓内建立土压平衡模式，若土舱压力小于掌子面水土压力，那刀盘前端土体就会产生沉降，反之则隆起。通常较为合适的土压力 范围是：（水压力 主动土压力） （水压力 被动土压力）。 以相应的静止土压力为中心范围内作波动，对土压力 设定实行动态管理，并根据覆土深度、地质条件和监测数据作相应的调整。
正面平衡压力： （1）
：平衡压力（包括地下水）
：土体的平均重度（KN?m-3）
：隧道埋深（m）
：土的侧向静止平衡压力系数
盾构在掘进施工中均可参照(1)式来取得平衡压力的设定值。
4.2 同步注浆和二次注浆控制
同步注浆直接影响地面沉降控制效果，是地面沉降控制的根本。考虑到曲线施工及列车行驶的动荷载效应以及铁路范围内地层条件，盾构在穿越铁路股道时壁后注浆填充率控制在150%～250%，按照该注入率每环注浆量为3.0～4.0m3，但注浆压力不宜过大，以不超过0.5MPa为宜。根据需要可利用同步注浆系统进行补压浆。在完成本环管片拼装后且未开始下一环管片掘进前，采用盾构机的同步注浆系统进行补压浆，补压浆以压力控制为主，压力控制在1.0MPa以内。补压浆可影响到盾尾 8～10环范围，若盾尾或后续6 m处地面日累计沉降量超过日沉降量控制目标后即采取补压浆措施。
4.3 掘进速度和刀盘转速控制
针对砂卵石地层的特点，掘进过程中，应减少对周边土层的扰动。一定土仓压力下，推进速度快，对总推力和刀盘扭矩要求大，同步注浆就不及时。推进速度慢，其由于穿越过慢，机身对土体扰动产生的第一、二阶段就越大，因此下穿铁路期间推进速度控制在20mm/min~30mm/min之间，刀盘转速控制在1.0r/min左右。
4.4 试验段参数选取及施工结果分析
为了能够找出合理的施工参数，以盾构穿越前的24环为试验段，拟定了3组施工参数，如表2所示，每组选择几个测点，并记录测点沉降随时间的变化值。
表2 试验段主要施工参数
从图3可以看出：3组设定的施工参数相对比较合理，最大沉降值都在14 mm以内，满足了预期设计要求。第2种工况与第1种工况相比，在盾构推进速度和刀盘转速相同的情况下，增加了注浆量和土仓压力，地面沉降减少，测点的最大沉降由 12.3mm减小到了7.8mm，但开始掘进时存在地面隆起现象；第3种工况与第2种工况相比，注浆量保持不变，盾构推进速度和土仓压力都略微降低了一些，刀盘转速略微提高了些，测点的最大沉降不到 7.7mm并在14d后逐渐趋于稳定。
4.5 下穿铁路段参数选取
通过对前期试验段盾构穿越铁路的掘进参数、地面沉降监测值并结合以往的施工经验进行分析总结的基础上，我们初步拟定了下穿铁路段施工参数的范围，详见表3。
表3 拟定下穿铁路段的施工参数
掘进
参数 土仓平衡压力/MPa 注浆量/m3 掘进速度/(mm?min-1) 刀盘转速/rpm
25~39环 0.17~0.18 4.2 20~25 1.0
为了检验以上确定的施工参数能否满足地面沉降要求，在试验段后的15环进行了模拟掘进。使用改进施工参数后的地表沉降情况如图4所示。
图4 25~39环沉降曲线图
可以看出：测点的最大沉降为4.3mm，施工约14d后，地面沉降逐渐稳定。故选定的施工参数满足施工计划要求。
5、实际施工效果分析
该次铁路穿越施工历时24h，对隧道内部及铁路设施的监测结果表明：铁路及其周边最大沉降不大于5mm，沉降范围均匀，没有对铁路安全及运输造成不良影响。
6、结语
盾构施工中将经常遇到下穿既有铁路等构筑物的风险，如何保证穿越过程中地层变形在可控范围之内是保证施工安全生产的主要难题，确定合理的主要施工参数的是解决上述难题的关键；本文通过对以往盾构施工过程中经验总结，结合现场实际施工情况，合理制定施工参数以及根据现场数据监测及时优化施工参数，制定了一组科学的施工参数，并将该参数运用到实际工程中，使得盾构隧道顺利地穿过了既有铁路股道，对类似工程具有指导重大意义。
参考文献：
[1]王鸣晓，杨晓强，温克兵.盾构法施工在西安地铁建设中的应用[J].都市快轨交通，2013，26(2)：88-93.
[2]蔡光伟，蒋超.地铁隧道通过浅覆土砂卵石地层段开挖面失稳盾构机脱困技术[J].铁道建筑技术，2012(6)：51-54.
[3]邓美龙，黄常波.盾构穿越铁路安全施工技术[J]. 建筑技术，2009(11)：984-986.
[4]Loganathan N, Poulos H G. Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1998, 124(9): 846-856.
[5]王鑫.地铁项目建设对古建筑影响的有限元分析[D].西安建筑科技大学硕士学位论文.2008.
论文作者:章俊凯
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/14
标签：盾构论文; 隧道论文; 参数论文; 铁路论文; 地层论文; 压力论文; 注浆论文; 《工程建设标准化》2016年4月总第209期论文;