土压力平衡法涵管盾构穿越铁路技术

常凌飞

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110003）

1 工程概况

辽宁省重点输水供水二期工程新民市供水线路，供水管线在辽宁省新民市境内与沈山下行线相交于K70+014处，交角为90°。新建穿越铁路供水管线防护涵孔径为1～2.0 m，涵管采用铁路顶进加强型钢筋混凝土圆管，接口形式为钢承口，管节级别为TJ12，预控顶力为7640 kN，防护涵共23节圆管，内径2.0 m，壁厚0.2 m，每节长2.5 m，全长57.5 m。

防护涵与沈山下行线相交处铁路里成为K70+014，涵位处沈山铁路为双线，线间距为4.2 m，曲线，沈山上行线R=5 000，沈山下行线 R=6 000。60 kg/m无缝线路，Ⅱ型混凝土轨枕，电气化铁路。

2 关键盾构施工技术

工程采用TP2000顶管机，TP2000顶管机由顶管机及主推装置两大部分组成。

2.1 主要施工参数确定

1）掘进模式选择

根据铁路区域的工程地质条件，采用土压平衡模式进行掘进。

2）土压力设定

在穿越铁路过程中，始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡，土仓压力根据覆土性质、厚度确定，并结合出土量、地表沉降情况适时调整，以刀盘前方不产生隆起为土仓压力设定原则。理论计算公式：

式中：P——平衡压力；γ——土体的平均重度；h——涵管埋深；K0——土压力的侧向系数，视覆土性质和厚度而定，一般在0.5～0.7之间；K——修正系数1.1～1.3。

盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，在工程实施过程中，根据实际情况并同出土量进行有机结合，土压力设定值可作适当调整。

土压力设定为 0.12～0.24 MPa，结合地质条件，下穿期间，土压力设定值进行逐环交底，根据监测数据及时的动态调整。

3）出土量控制

盾构下穿铁路时严格控制出土量，避免出土量过大造成地层损失，引起地面塌陷，轨道沉降过大。盾构刀盘直径2.0 m，涵管宽度3.0 m，

每环理论出土量：

式中：D——盾构外径，m；L——管长度，m。

根据以往其他区间下穿铁路的成功经验，粉质粘土松散系数经验值1.2，盾构出土量应该控制在 9.42×1.2=11.304 m3以内，实际施工过程中，松散系数应进行现场实验求得准确值，计算出准确的出土量。现场安排值班人员每天对出土量进行统计，按照出土渣斗体积进行现场量测，在渣斗上标记出土量控制线，严禁出土超线，确保不出现超挖现象。

4）掘进速度

正常掘进速度宜控制在25～40 mm/min，根据施工具体情况进行调整，确保过铁路过程中盾构推进匀速稳定，避免速度频繁变化。

5）盾构总推力

推进时推力控制在1 160 t以内，左线（上线）推进时推力控制在1 160 t以内。

6）盾构扭矩与刀盘转速

推进时刀盘扭矩2 200 kN·m以内、刀盘转速1.5 r/min左右。

2.2 施工参数控制

严格控制施工参数，减少对土体的扰动，稳定各项施工参数，保证盾构掘进的连续性，尽量减少盾构推进中的挤压作用和同步注浆作用等施工因素对周围土体的影响。

同步注浆时必须要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，在同步注浆压力和注浆量方面进行双控，做到适时、足量，具体注浆参数还需通过地面沉降信息反馈来确定。

控制好盾构轴线与盾构纠偏幅度，避免轴线控制引起的超挖现象。单环轴线纠偏幅度控制在+5 mm之内，盾构机操作人员严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差及时纠正，尽量避免盾构机走“蛇”形，减少对地层的扰动，并为涵管拼装创造良好的条件。

2.3 同步注浆与二次注浆

1）同步注浆

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。计算空隙量为2.74 m3，考虑盾构施工地层中以粉土、粉质粘土、粉砂为主的渗透系数较大，取较高系数，实际注浆量取值为理论方量的200%～250%，即5.48～6.85 m3/环，注浆压力宜控制在0.3～0.4 MPa。注浆量的最终确定要视注浆压力、涵管稳定情况以及地面沉降情况而定，在此地段掘进加强地面沉降隆起监测，及时分析数据，调整盾构机掘进参数和注浆压力。

根据盾构施工经验，同步注浆拟采用下表所示的浆液配比，在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边环境等，通过现场试验优化确定。同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标，见表1。

表1 同步注浆材料配比

胶凝时间：一般为3～10 h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。

固结体强度：P1d≥0.2 MPa，P28d≥3 MPa。

浆液结石率大于95%，即固结收缩率小于5%。

浆液稠度：10～11 cm，对每三环的浆液稠度用稠度检测仪进行检测，保证符合要求。

浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

计量以人工计量为主，同步注浆系统为辅的办法予以控制，安排专人进行同步注浆量和浆液拌合质量的监督工作，并做好计量记录备查。

2）二次注浆

根据地面沉降监测情况，当涵管脱出5环后及时组织二次注浆，二次注浆是控制地面后期沉降的主要技术措施，二次注浆通过二次注浆泵将水泥浆和水玻璃通过涵管上预留的注浆孔注入涵管与周围土体之间，二次注浆采用压力控制，压力控制在0.4～0.6 MPa之间，二次注浆根据监测情况多次进行。

下穿既有铁路时，当日变化量小于1.2 mm时，沉降地段注浆以单液浆为主。当日变化量在1.2～1.4 mm时，先注入单液浆，后注入双液浆，以双液浆为主。当日变化量大于1.4 mm时，立即停止掘进，进入抢险阶段。

注浆材料采用超细水泥浆或双液浆，浆液配比及其相关参数指标如下：

水泥浆配合比（kg）：膨润土∶粉煤灰∶黄沙∶水∶水泥＝100∶400∶680∶430∶160 。

双液浆浆液配比：水泥浆水灰比（重量比）：1∶1；注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆∶水玻璃=1∶1。浆液凝结时间3 min，3 d抗压强度7.8 MPa，7 d抗压强度11.2 MPa，28 d抗压强度13.3 MPa。浆液种类及配比可根据穿越实际地层及现场试验情况进行相应调整，见表2。

表2 二次注浆材料及配比表m3

3）补偿注浆

根据地面沉降检测反馈，及时对沉降明显地段进行补偿注浆，补偿注浆位置选取在沉降位置附近，由两侧开始向中间补充注入。注浆压力控制在0.6 MPa之内。补偿注浆遵循“及时、少量多次”的原则，以地面沉降检测情况为指导，保证持续对沉降进行控制，注浆压力逐步提升，先低后高、平稳注入。

3 盾构姿态控制

控制好盾构推进轴线，盾构机前后端和设计轴线偏差控制在30 mm以内，并严格控制盾构姿态，避免盾构机频繁或大幅度调整姿态。在盾构进入铁路范围前将盾构姿态调整到最佳状态，进入施工范围后严格按照设计轴线推进。同时加强盾构机姿态的人工复核，确保盾构机推进轴线和设计轴线的偏差在设计允许范围内。在铁路下纠偏坡度控制在±1‰之内，平面偏差15 mm内，一次纠偏量不超过5 mm。

现场对盾尾间隙每环进行测量，尤其是要控制不能使一侧的间隙过小。防止尾刷与涵管碰撞导致盾尾密封、铰接密封损坏及涵管变形。

1）盾构下部管内内支架加固

临时内支撑系统采用预应力钢支架，保护范围为在上方盾构机掌子面前方30 m、后方80～90 m范围内，随着上洞盾构机的掘进，下洞钢支架必须提供持续支撑。钢支架应保证足够的刚度，避免涵管变形过大。

2）涵管背后深孔注浆

为了增强涵管间土体的抗压、抗剪能力，对上下洞间的所夹土体进行注浆加固，施工安全及后期的运营安全。施做深孔注浆，具体做法为：利用涵管预留的注浆孔（涵管标准块、相邻块各预留3个预留注浆孔，C块预留一个注浆孔，共16个注浆孔），内插L=1.8 m的注浆管，进行背后注浆，以提高土体的强度。

注浆管采用φ32 mm钢花管，用无缝钢管加工制作，长1.8 m。注浆时，将注浆管振动插入孔内至管壁外侧1.5 m处，注浆管深入地层中，通过注浆管对上下洞间所夹土体进行注浆。

30浆液采用超细水泥浆液，水泥浆配合比（kg）：膨润土∶粉煤灰∶黄沙∶水∶水泥＝100∶400∶680∶430∶160 。注浆压力为0.4～1.2 MPa，每孔注浆量不小于1.8 m3，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，加固范围为每环均进行，要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.4 MPa。

4 结语

以辽宁省重点输水二期工程新民市供水线路穿越沈山下行线K70+014为例，针对盾构穿越无缝双线线路方法，采用土压力平衡法穿越既有线路。通过优化盾构施工参数，确保了既有线路安全运营，减少了施工安全风险，取得了明显的经济和社会效益。为复杂地质条件下穿越既有线的施工提供了参考，具有较好地推广价值。