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摘要：在地铁盾构下穿高铁桥梁施工中，针对地铁盾构下穿高铁桥梁的施工工艺及相关的施工技术展开研究，重点关注高铁桥梁的防护、盾构施工掘进、施工安全防护等内容，确保既有高铁桥梁安全、铁路运营安全。保证地铁盾构施工顺利进行，满足各项规范要求。
关键词：地铁；盾构；下穿高铁桥梁；施工技术
1 前言
地铁盾构施工经过多年发展，技术相对比较成熟，但国内地铁盾构下穿运营中的高铁桥梁施工案列仍然不太多，本文通过西安地铁十四号一期工程1标段的地铁盾构下穿高铁桥梁展开研究，对既有高铁桥梁的加固与隔离、盾构机的选择、350m小半径盾构掘进施工技术、盾构掘进安全措施等制定切实可行的方案和措施，确保施工质量及安全，为以后同类工程提供借鉴经验。
2 工程简介
西安地铁十四号线一期工程（北客站-贺韶村）1标段尚贤路站～学府路站区间起于尚贤路站，出站后向东南向敷设，在CK1+950-CK2+070段区间盾构施工（R=350m）下穿宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁（809号墩-811号墩）。宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁该处均为高架桥结构。
区间隧道下穿宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁高架桥位置桩基础埋深分别为58m、46m、55m；区间隧道边缘与桥桩最小净距分别为3.02m、3.05m、6.29m；区间隧道在该位置拱顶埋深分别为8.2m、8.5m、9.3m；隧道穿越土层主要为中砂；高架桥基础沉降控制值为10mm，差异沉降控制值为0.001L(L为相邻基础的中心距离)。
宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁与地铁区间平面位置关系见图1。
图1 宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁与地铁区间平面位置关系图
3 盾构下穿高铁桥梁难点分析
根据宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁桥梁该处工程地质和水文地质条件，如何保证高铁桥梁的安全，把对高铁桥梁的安全影响降到最低，必须解决以下三个方面的施工难点：
①盾构施工从运行中的宝太疏解线、大西高铁、郑西高铁下通过，如何有效地控制地面沉降是施工的难点, 必须将沉降值控制在铁路列车允许范围之内，确保铁路运输万无一失。
②该处区间隧道边缘与高铁最小水平净距为3.02m, 区间隧道在下穿段拱顶最小埋深为8.2m。如何在掘进中减小隧道开挖面附近地层的扰动，控制高铁桥梁沉降是另一个难点。
③该处盾构区间在下穿高铁段曲线半径为R=350m。盾构小曲线施工如何如何顺利穿过高铁桥梁是第三个难点。
4 施工方案
4.1 施工准备
4.1.1盾构准备
对盾构机的渣土改良系统（泡沫系统注射系统、膨润土注射系统）、同步注浆系、盾尾密封及铰接密封系统，以及整机的其他系统进行全面的专项检查及维护保养，并安排专人验收。确保盾构在通过高铁桥梁时的连续施工。
4.1.2技术准备
盾构施工是一种工厂化的标准机械化工法，受地质条件、设备配置及现有盾构施工工艺的限制，要完全满足超越现有盾构本身能够完成的沉降控制标准，必须进行相应的其它补充方案。
①施工前应进一步核实高架桥的基础资料及与区间隧道位置关系。并联系相关产权单位，查明列车的运行流量。
②穿越前，采用地质雷达对穿越地段地下做详尽地下勘探，彻底摸清地下障碍物情况，排除意外因素。
③对通过高铁前隧道施工进行正确的评估，预测各阶段的变形值，进行有效的控制。
4.1.3人员准备
为保证盾构顺利通过高铁，必须组织有经验的施工管理人员进行技术、管理以及现场施工，并聘用实际操作经验5年以上的操作手操作盾构机，对现场发生异常能够及时有效的处理。
盾构施工队伍进场后进行专门的教育，针对现场施工的实际情况以及可能发生危险进行详细的说明，并依据施工方案进行专项交底，做好施工前的准备工作。
4.1.4设备材料准备
①检查关键配件储备情况，对易损件等提前储备，避免下穿期间停机。
②下穿施工期间加强对设备的维修保养频次，保证设备维修保养质量。
③对关键的注浆设备，均提供成套的备用设备。包括同步注浆机、二次注浆机及相应的注浆管路，以及砂浆运输车等，保证在施工期间的正常注浆作业。
④储备足量的油脂、注浆材料、防水材料等。为保证在穿越高铁时盾构施工的注浆及防水效果，现场储备一定量活性好的钠基膨润土，及优质泡沫剂，在盾构穿越高铁用作改良土体。并储备一定量高质量的盾尾油脂，以保证盾尾密封的效果。
4.1.5方案报审
施工前必须上报施工专项方案，专项方案应经设计院、铁路局批准后方可实施。
4.1.6“天窗点”申请
施工前，应提前向铁路局申请施工“天窗点”。将施工周期严格控制在天窗点内，并在施工周期内加强对高铁桥桩的监控及监测工作。
4.2 对高铁桥桩处进行加固及隔离
对高铁桥梁的防护主要采取盾构通过前在桥桩周边3m范围土体采用地面预埋袖阀管进行加固并在桥桩与隧道之间打设一排Φ1000mm@1500mm的素桩进行隔离的施工措施。
4.2.1 地面袖阀管加固施工
① 放样定位和钻孔
钻孔孔位采用全站仪放样，定出孔位后，用水泥砂浆在孔位周围加固。
由于袖阀管孔距为0.6m，为减小孔间的相互影响，减少浆液的浪费，节约成本，在现场施工时每隔两孔钻孔注浆，待一排袖阀管孔注浆结束后，再对之间的袖阀管孔进行钻孔注浆。
钻机就位后，应使其平整稳固，在开钻前利用吊锤钻头和钻孔的垂直度进行检测，并在钻进2m时及以后每加一节钻杆均需对钻机调平校正，要求钻孔的倾斜度≤1°。
为防止钻孔的塌孔，采用泥浆护壁。护壁泥浆比重始终保持1.05～1.12。保证钻孔质量，同时注意在钻孔时，保证转速均匀；在换钻杆时，钻杆提升和放下应保持垂直，以免扩孔。
② 插入袖阀管
在钻孔完成后立即插入袖阀管。每节袖阀管的长度为2m，在插入时相邻两节袖阀管采用丝扣连接。第一节袖阀管安装好堵头，再对管中注入清水，目的是减小袖阀管的弯曲直。袖阀管每节连接好后，依次下放到钻孔中，直到孔底，下放时尽量保证袖阀管的中心与钻孔中心重合。同时应保证袖阀管的上端头露出地面20cm，再用套头套牢，防止杂物进入管内。
③ 注浆
将注浆管与双塞管连接好一起放至袖阀管底部，由下往上逐段注双液浆，并严格控制注浆效果，保证袖阀管施工质量。
4.2.2 区间隧道与高铁桥桩间隔离桩施工
因盾构通过时会对周边土体产生一定的扰动，而区间隧道边缘与高铁桩基最小水平净距为3.02m。为将盾构掘进对桥梁桩基的影响降到最低，在桥梁桩基与隧道之间打设一排Φ1000mm@1500mm的素桩进行隔离，且保证在盾构到达此处前隔离桩达到设计强度。隔离桩按照普通桩基的施工方法进行施工，桩基施工为成熟的常规工艺，此处不再赘述。
4.2.3 R=350m小半径掘进施工方案
小半径曲线盾构施工时盾构对外侧地层是挤压的状态，因盾尾空隙的发生会使地层向隧道内侧位移，回填注浆压力也会使隧道产生位移，同时由于在小曲线地段的盾构，是用管片和地层反力掘进的，因此推进力的反力会使隧道向曲线外侧位移，如果隧道的纵向刚度和地层的刚度过小，可能引起管片和其外地层的过大位移，以及使土压超过土体的被动压力而产生过大扰动。因此小半径曲线地段的轴线控制难度较大，同时管片向外侧扭曲而挤压地层使地层和管片结构均受到复杂的影响。
4.2.3.1盾构机的适用性
①适当的超挖量
盾构刀盘上需安装有一定超挖范围的超挖刀，在小半径曲线施工时，进行盾构外周（大于盾构机外径）的超挖，超挖范围可在切削刀盘旋转角度范围0～3590mm之间设定，超挖量能根椐下限设定值及上限设定值的选择来设定。超挖刀的动作范围与行程可在运行操作台上显示并可任意设定。为了工程的安全起见，须装备二把超挖刀，另一把备用。
根据推进轴线情况，当允许部分超挖时，超挖量越大，曲线施工越容易，这是因为盾构机不容易出现卡壳现象，且容易实现转向。另一方面，超挖会使同步注浆浆液因土体的松动绕入开挖面，加上曲线推进时反力下降的因素，会产生隧道变形增大的问题。因此，超挖量控制在超挖范围的最小限度内。
②适当的铰接角度
盾构机增加铰接部分，使盾构切口至支撑环，支撑环至盾尾都形成了活动体，增加了盾构机的灵敏度，推进时可以在减少超挖量的同时产生推进分力，确保曲线施工的推进轴线控制，管片外弧碎裂和管片渗水情况得以大大改善。铰接盾构的前体及后体为曲线半径，为盾构机在小半径曲线上的铰接角度，此角度应小于盾构机自身的最大铰接角度。通过固定铰接千斤顶行程差来固定盾构机的铰接角度，从而使盾构机适应相应的曲线半径。铰接千斤顶行程差（mm）=千斤顶最大行程差×（左右铰接角度deg）/最大左右铰接角度deg。
4.2.3.2 管片的适用性
对于小半径曲线地段，根据类似工程的施工经验，所选管片较有利于线路曲线的拟合，管片拼装更容易，也有利于减少管片的碎裂和隧道的整体防水。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆并且对小半径曲线地段的管片楔形量可以很好的拟合曲线段。
4.2.3.3 盾构掘进施工
①隧道管内设临时纵向加强肋
针对小半径、大坡度曲线隧道纵向位移较大，在隧道开挖后50～60m范围，对管片设置加强肋以增强隧道纵向刚度，控制其纵向的位移。加强肋一般采用双拼18a槽钢加钢板焊接成型，然后用螺栓将其与管片的预留注浆孔进行连接，从而将隧道纵向连接起来，以加强隧道纵向刚度。加强肋长一般为两个环管片的宽度，位于隧道管环的两腰部位，各4根共8根，加强肋与管片连接采用M56螺栓，加强肋之间纵向连接采用M30螺栓。随着盾构机向前推进，随时增加前面并拆除后面的加强肋，保持加强肋长度在恒定的范围内。
②加强螺栓复紧
每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接螺栓，并在下一环推进时进行复紧，克服作用于管片上的推力所产生的垂直分力，减少造成管环隧道的上浮。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。
③盾构推进轴线的预偏
盾构掘进过程中，管片在承受侧向压力将向弧线外侧偏移。为了使隧道轴线最终偏差控制在规范要求的范围内，盾构掘进时考虑给隧道预留一定的偏移量。根据理论计算和相关施工实践经验综合分析，同时考虑掘进区域所处的地层情况，在小半径曲线隧道掘进过程中设置预偏量20～40mm。曲线半径越小，设置的预偏量越大。施工过程中，通过对小半径段隧道偏移监测，适当调整预偏量。
④严格控制盾构纠偏量
曲线推进实际上是处于曲线的切线上，推进的关键是确保对盾构的头部控制，由于曲线推进盾构环环都在纠偏，须做到勤测勤纠，而每次的纠偏量应尽量小，确保楔形块的环面始终处于曲率半径的径向竖直面内。除了采用楔型管片，为控制管片的位移量，管片纠偏在适当时候采用楔形低压棉胶板，从而达到有效地控制轴线和地层变形的目的。盾构推进的纠偏量控制在2～3mm/m。针对每环的纠偏量，通过计算得出盾构机左右千斤顶的行程差，通过利用盾构机千斤顶的行程差来控制其纠偏量。同时分析管片的选型，针对不同的管片需有不同的千斤顶行程差。
⑤严格控制盾构的推进速度
推进时速度应控制在15～20mm/min。即避免因推力过大而引起的侧向压力的增大，又减小盾构推进过程中对周围土体的扰动。
⑥严格控制盾构正面平衡压力
盾构在穿越过程中须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量（0.5～1mm）来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止过量超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动。其波动值控制在0.02MPa以内。
⑦严格控制同步注浆量和浆液质量
由于曲线段推进增加了曲线推进引起的地层损失量及纠偏次数的增加导致了对土体扰动的增加，因此在曲线段推进时应严格控制同步注浆量和浆液质量，在施工过程中采用推进和注浆联动的方式，确保每环注浆总量到位，确保盾构推进每一箱土的过程中，浆液均匀合理地压注，确保浆液的配比符合质量标准。通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。
⑧土体损失及二次注浆
由于设计轴线为小半径的圆滑曲线，而盾构是一条直线，故在实际推进过程中，实际掘进轴线必然为一段段折线，且曲线外侧出土量又大。这样必然造成曲线外侧土体的损失，并存在施工空隙。因此在曲线段推进过程中在进行同步注浆的工程中须加强对曲线段外侧的压浆量，以填补施工空隙。每拼装两环即对后面两环管片进行复合早凝浆液二次压注，以加固隧道外侧土体，保证盾构顺利沿设计轴线推进。二次注浆压力控制在0.3～0.5Mpa以内；注浆流量控制在10～15L/min，注浆量约0.5m³ /环。
⑨盾尾与管片间的间隙控制
小曲率半径段内的管片拼装至关重要，而影响管片拼装质量的一个关键问题是管片与盾尾间的间隙。合理的周边间隙可以便于管片拼装，也便于盾构进行纠偏。
施工中随时关注盾尾与管片间的间隙，一旦发现单边间隙偏小时，及时通过盾构推进方向进行调整，使得四周间隙基本相同。
在管片拼装时，应根据盾尾与管片间的间隙进行合理调整，使管片与盾尾间隙得以调整，便于下环管片的拼装，也便于在下环管片推进过程中盾构能够有足够的间隙进行纠偏。
根据盾尾与管片间的间隙，合理选择楔型管片。小曲率半径段时，盾构机的盾尾与管片间间隙的变化主要体现在水平轴线两侧，管片转弯正常跟随盾构机，当盾构机转弯过快时，隧道外侧的盾尾间隙就相对较小；当管片因楔子量等原因超前于盾构机转弯时，隧道内侧的盾尾间隙就相对较小。因此，当无法通过盾构推进和管片拼装来调整盾尾间隙时，可考虑采用楔型管片和直线型管片互换的方式来调整盾尾间隙。
⑩盾构测量与姿态控制
盾构机的测量是确保隧道轴线的根本，在小曲率半径段时盾构机的测量极为重要。在小曲率段推进时，应适当增加隧道测量的频率，通过多次测量来确保盾构测量数据的准确性。通过测量数据来反馈盾构机的推进和纠偏。在施工时，如有必要可以实施跟踪测量，促使盾构机形成良好的姿态。由于隧道转弯曲率半径小，隧道内的通视条件相对较差，因此必须多次设置新的测量点和后视点。在设置新的测量点后，应严格加以复测，确保测量点的准确性，防止造成误测。同时，由于盾构机转弯的侧向分力较大，可能造成成环隧道的水平位移，所以必须定期复测后视点，保证其准确性。由于线路的急转弯，间距20～30环布置测量吊篮，每推进5环复测一次导线点。盾构机推进采用自动测量系统，推进时每2-3min自动测量一次盾构姿态。
4.3 盾构下穿高铁的主要技术措施
4.3.1试验段掘进
在盾构始发后按照盾构穿越高铁试验段的要求进行掘进管理和现场试验，将针对下穿高铁制定的所有理论参数全部用于区间试验段施工，通过试验段的掘进及时总结、摸索、掌握盾构掘进参数对地层的影响，以便为盾构通过高铁时积累经验。
4.3.2 严格控制掘进速度
盾构推进速度与正面土仓压力、千斤顶推力、土体性质等因素有关，一般应综合考虑。穿越时降低推进速度，控制总推力，减少土层扰动。盾构隧道穿越高铁地段隧道洞身穿越范围为中砂层，此类地层的经验推进速度为：30～50mm／min，日均进尺 15～18m，为保证下穿高铁施工的安全，穿越期间的推进速度控制在20～30mm／min，预计日均进尺10.5～12m，并保持连续均衡的掘进。
4.3.3 严格进行压力管理
盾构施工时，应合理设置土压力值，保持掌子面正面的压力平衡，防止超挖和欠挖。
①严格控制土仓压力，适当将土仓平衡压力提高0.1～0.3bar，并尽量保持土压平衡，不要出现过大的波动。
②注浆压力与隧道围岩水土压力平衡。
4.3.4严格进行渣土管理，确保不超挖
根据试验段掘进的出土参数，确定各类土质的松散系数，根据计算的理论出土量及松散系数换算出一土斗出土量盾构所推进的行程长度，时刻注意计算行程和实际行程的大小关系来控制出土量，并进行观察记录，做到进尺量与出土量均衡，严禁出土超量。一旦发现问题，立即采取措施处理。
除出土数量的控制外，还要坚持对每环渣样进行地质水文分析，发现与开挖断面地质情况不符时，马上采取相应措施。
4.3.5 严格进行盾构机姿态控制
①穿越前调整好盾构机姿态，穿越时减少纠偏次数及纠偏量，避免蛇行，尽量减少对土体的扰动，根据曲线半径的大小确定曲线段转弯环和标准环的搭配比例，施工时着重加强对推进轴线的控制。在注浆量方面盾构外侧注浆量应大于内侧，以加固外侧土体避免因盾构机顶进压力造成管片向曲线外漂移的现象，从而保证盾构沿设计曲线方向运动。
②盾构推进期间利用盾构自动导向测量系统进行实时测量，要求项目精测队每天对已施工的隧道线路和盾构掘进方向进行复核。
4.3.6 严格控制盾尾同步注浆
①在盾构掘进过程中，及时进行管片背后注浆，盾构机下穿高铁期间，浆液初凝要求达到3小时以内，1d强度达到0.6～0.8MPa，浆液配比经试验室试验确定。
②注浆量的控制，穿越高铁段为严格控制沉降，注浆量取环形间隙理论体积较普通段增加0.3～0.5倍，注浆压力达到设计值的1.1倍以上（0.17～0.31Mpa）。
③在穿越前，对盾尾密封系统及盾尾油脂注射系统进行全面的检查及维护；在穿越段，加强对盾尾密封效果的监控，确保盾尾密封良好，保证不漏水，不漏浆。
④在双液注浆时做好防堵措施：盾构机具有两套输送浆液的管路，平时只需要一套管路，另一套留做备用。
4.3.7 洞内二次注浆
为确保盾构施工过后沉降的控制，在盾构施工时有必要在洞内采取环箍二次注浆措施。
浆液选用HSC水泥与水玻璃双液浆，结合不同地层调整双液浆配比，保证扩散半径不小于0.5m。盾构推进过后相邻2环作为一环箍，每6环进行一次环箍注浆，根据盾构机的形式，施作空间在距刀盘13环处进行环箍注浆。每环5个孔每孔注入量0.2～0.5 m³之间，注浆压力为0.3～0.5Mpa。
4.3.8 做好盾尾密封、铰接密封的维护和保养工作
在盾构穿越高铁施工时，用于盾构密封的油脂采用优质产品。及时调整盾尾铰接密封，并加大向盾尾铰接注入润滑油量。确保盾构密封效果，防止盾构机发生泄漏。
4.3.9 加强施工监测，及时调整
在穿越高铁施工期间应按设计要求加强施工监测，及时反馈信息，并根据检测结果调整盾构机的各种参数，真正做到信息化施工。根据监测结果，必要时进行二次补强注浆加固地层，减少后期沉降。
5 安全控制要点
①充分利用有既有线施工经验的人员组织施工，分析在下穿中的关键环节和可利用的有利因素，组织编制、细化施工组织，以达到减少干扰行车、节约要点时间，方便生产运营，确保施工安全。
②施工前，相关下穿方案报铁路管理部门审查，经审批后方可进行施工，施工中如要点，必须提前编制要点计划，经铁路管理部门批复后按批复的施工计划组织施工。
③员工在工作前应接受安全教育，每天碰头时由安全员讲述安全重点，要全面详细，安全哨负责提醒补充。
④施工中注意选择好作业位置，做好自保互控，做到“三不”，严禁出现违章指挥违章作业，对任何违规行为应坚决制止。
⑤加强和铁路管理部门的沟通联络工作，及时解决施工中遇到的各项问题，确保下穿施工过程的各项安全，把对铁路运行的影响减少到最低。
6. 结束语
地铁盾构下穿既有高铁桥梁必须确保高铁桥梁及铁路运营安全，盾构施工需紧紧围绕安全这个核心去制定详实的方案及措施，从准备、机构、人员、机械、物资等方面提供全面的支持，从而达到既有高铁的运营安全，同时满足地铁施工的质量要求，有力推动地铁盾构施工发展。
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论文作者:喻胜朋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：盾构论文; 管片论文; 高铁论文; 隧道论文; 曲线论文; 注浆论文; 半径论文; 《防护工程》2018年第29期论文;