三线并行隧道盾构法下穿铁路施工工法.docx

1、三线并行隧道盾构法下穿铁路施工工法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

2、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

3、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

4、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1.2m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

5、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Ps1.0MPa；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qu0.

6、8Mpa，渗透系数k10-8cm/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0.50.8m。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。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

7、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。 孔位布置：主加固区域注浆斜孔按梅花形布置，孔距500mm；次加

8、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 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。 安放塑料阀管并封口，以防泥土流入管内影响施工 插管：将喷管插入花管内，接上注浆管，封堵管口 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1520L/min，注浆压力一般为0.2 Mpa，以下压力逐渐加大，但

9、最大不超过0.6 Mpa，注浆压力和注浆量以铁路轨道顶面不沉隆为控制标准。 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。 移动机具：将钻机等机具移到新孔位上。 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。 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 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2.53.3，浓度3045波美度 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3090s，

10、C区150600s5.2.7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100-150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

11、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

12、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0.51mm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910，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m3，浆液稠度为1011；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

13、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910cm，浆液重量配比：水：水泥：水玻璃为1：1.21.5：0.0

14、50.1，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

15、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GM1GM10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。SP1SP6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，

16、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二次注浆等措施防止隧道沉降引起地面沉降，沉降点布置在管片拱底块的平台上，点位对称布置，在铁路影响范围内每2环管片布置一组。2、监测频率：1）地表加固：地面隆沉观测：频率2次/天；深层土体沉降监测：频率1次/天。2）盾构推进穿越线路：按照每条盾构线的推进过程将监测工作又分为以下3个重点：a盾首距离铁

17、路路基25m处盾首切入路基前根据盾构推进施工影响范围，选择每台盾构机单独过铁路时各监测横断面上对应观测点。每台盾构机此阶段监测项目如下：地面隆沉观测：频率2次/天；路基隆沉观测：频率2次/天。线路隆沉位移观测：频率2次/天；深层土体沉降监测：频率1次/天。隧道内沉降监测：频率2次/天。b盾首切入铁路路基盾尾远离路基5m。此阶段为监测重点。每台盾构机此阶段监测项目如下：地面隆沉观测：频率2次/天；路基隆沉观测：频率1次/2h。线路隆沉位移观测：频率1次/2h；深层土体沉降监测：频率1次/天。隧道内沉降监测：频率4次/天；应力测试点：频率2次/天c盾尾远离路基5m盾尾远离路基25m范围。此阶段仍然

18、主要观测路基及线路变形情况，直至观测值稳定收敛。每台盾构机此阶段监测项目如下：地面隆沉观测：频率2次/天。路基隆沉观测：频率4次/天，观测期2天。频率降为2次/天，观测3天。若观测值趋于稳定，则1次/周观测持续一月后结束。线路隆沉位移观测：频率4次/天，观测期2天。频率降为2次/天，观测3天。若观测值趋于稳定，则1次/周观测持续一月后结束。深层土体沉降监测：频率1次/天；隧道内沉降监测：频率2次/天；应力监测：频率2次/天。6劳动力组织本工法的劳动力组织见表6表6 劳 动 力 组 织 表序号岗位工种人数序号岗位工种人数一、盾构施工1盾构司机机修工29维修工电焊工22电瓶车司机机修工410电工1

19、3管片拼装土建工611涂料制作普工34井口底吊运普工412管片吊运起重工25拌浆普工213测量测量工26龙门吊司机起重工314施工及技术负责人27充电普工28维修工机修工4合计39人二、旋喷加固1施工及技术负责人24拌浆人员普工62作业领班土建工25机修工机修工43司钻及操作126电工1合计27人三、注浆加固1施工及技术负责人2人3起重工2人2注浆12人4搅拌普工8人3机械操作手24人电工及机修7合计55人四、监控量测1量测负责人22测工4合计6人五、测量1量测负责人22测量3合计5人六、其他1专职安全员22联络员2合计4人7.材料与设备本工法无需特别说明的材料，采用的机具设备见表7。表7 主

20、要施工机械设备表序号名称规格(型号)单位数量一旋喷加固1旋喷桩设备PG-1500台62高压泵3D2-5Z台63灌浆泵HB-80台64泥浆泵BW-150 150/min台65拌浆机JW-180 180L台66注浆机NZ130B 700L/h台67注浆泵KBY-50/70 50L/min台68空压机w-9-7台6二注浆加固1注浆泵HYB50/50台122搅拌机200L台63液压钻机XU3002型台124注浆管60mmm2805拔管脚架3T台2三盾构施工1土压平衡盾构机6340mm台22盾构施工配套设备套13双液注浆泵UB3台14电动空压机4L-20/8台15搅拌机200L台1四监控量测1光学经纬仪

21、DJ2-1台12徕卡全站仪TC2002型台13S1水准仪S1台14铟钢尺台1五测量仪器1徕卡全站仪TCR 1102台12电子水准仪DINI12台13光学锤准仪NL台14塔尺5M5把15钢尺50M把18.质量控制8.1旋喷加固质量保证措施8.1.1严格按照规定的施工参数进行钻孔及旋喷作业。8.1.2认真作好施工放样工作，放样误差小于5cm，钻孔深度误差小于10cm，垂直度误差小于1%。8.1.3成孔、旋喷施工程序须做好准确的记录。8.1.4严格控制浆液的配合比，做到挂牌施工，定期对浆液进行抽查检测工作。8.1.5每根旋喷桩施工完毕后都要对机械管路进行冲洗。8.1.6水泥堆场加强防雨防潮，保证水泥

22、质量。8.2注浆加固质量保证措施8.2.1注浆管埋设深度必须符合注浆深度要求，注浆孔均匀布置，间距适中，保证孔间注浆宽度能相搭接。8.2.2按设计配合比配置浆液原材料，配合比要根据现场实际情况进行试配，控制好浆液的凝结时间，水泥不受潮、不接块，各项指标符合国家规定。8.2.3浆液要充分搅拌并连续进行，使浆液均匀、供料不断，浆液搅拌时间一般不得少于3min，不大于2h，浆液储存时间不能过长，从制备到用完不宜超过4h。严格控制各层的注浆厚度，保证地层注浆均匀。8.2.4严格控制好注浆压力和注浆量，保证注浆达到规定位置。8.2.5浆液在配制过程，控制好计量精度和浆液的搅拌均匀。8.2.6注浆时要保证

23、均匀，连续不间断进行。8.3盾构推进质量保证措施8.3.1掘进前明确设计线路的各项参数，通过测量，判断出盾构机的当前位置，并根据掘进前的各项监测成果，确定下次掘进的各项参数。掘进过程中，值班工程师全过程监视盾构机的掘进，根据实际情况随时发出指令。8.3.2每环推进过程中，严格控制平衡土压力，使切口正面土体保持稳定状态，以减少对土体的挠动。采取信息反馈的施工方法对盾构推进进行质量控制，在盾构推进工程中进行跟踪沉降观测，并及时反馈沉降数据，为调整下阶段的施工参数提供依据。8.3.3及时地掌握盾构机的方向和位置，严格对盾构机进行姿态控制，确保隧道施工实际偏差控制在50mm以内。推进测量管理应在每推进

24、一环后进行，通过对测量数值的分析计算，及时地发布操作指令。根据不同的情况，通过优化盾构掘进参数、注浆量的控制、二次注浆等施工手段，将地表沉降控制在允许范围内。8.3.4注浆前检查盾尾的密封性，保证浆液不泄漏，保证注浆管路的畅通。所用砂须细砂。做好注浆设备的维修保养，注浆材料的供应，保证注浆作业顺利连续不中断的进行。针对不同的地质情况选择不同的注浆压力和注浆量。注浆跟推进同步进行，且注浆速度应与推进速度相适应；注浆饱满程度由注浆压力和注浆量双重控制。8.3.5根据高程和平面的测量报表和管片间隙，及时调整管片拼装的姿态，并严格控制管片成环后的环、纵向间隙。安装管片时要缓慢、均匀，对好位置后才能上螺

25、栓，切忌大幅度移动，强行插入；另应避免损坏止水条，避免管片间有较大错台。对衬砌连接螺栓采取一次紧固，三次复紧的工艺。9.安全措施9.1铁路线路安全保证措施9.1.1施工期间根据对铁路轨道监测的情况，及时对线路进行养护，对碎石道床进行铺垫和轨道校正，保持铁路轨道的平顺直。9.1.2 所有施工机具、设备、车辆在任何情况下均不得侵入铁路限界；任何单位或个人不得擅自动用铁路工务设备（轨道及配件、轨枕、道床、路基、桥隧涵及各种标志）。 9.1.3在线路上的作业人员必须熟悉邻线列车运行速度、密度和各种信号显示方法，认真执行铁路安规有关人身安全的各项规定，作业中，防护人员应随时注意了望邻线来车，做好预报和确

26、报；9.1.4每步工序施工间隔时，应立即进行变形监测，及时掌握变形数据。并请铁路部门配合检查线路轨距、水平、高低、方向等几何尺寸，对于较大变形尽量马上纠正；9.1.5盾构穿越铁路时，在地面准备道碴等铁路所需物资，配备足够的机动设备、材料、人员，一旦发生意外情况，在第一时间内投入工作；9.1.6在预加固和盾构推进过程中，变形较大危及行车时，应立即停止施工，及时与铁路运营部门联系，同时配合铁路养护维修单位，尽快减缓变形，调整线路设备达到通车条件后，方可放行列车；9.2地基加固安全保证措施9.2.1工地内电线不得乱拉乱挂，统一使用标准安全电箱，遵守安全用电制度和持证上岗制，防止用电事故的发生。9.2

27、.2严格按照安全生产的有关条例进行施工作业，正确操作使用机械设备。施工中随时调整钻机垂直度，防止倾倒事故的发生。9.2.3施工现场做到安全生产，进入现场正确戴好安全帽。9.2.4人体与喷嘴间的距离不得小于60cm，经常检查各种高压管道。9.3盾构施工安全保证措施9.3.1加强对盾构机的检查、保养，每周及穿越铁路时由经理部组织人员进行安全检查，发现问题及时整改。9.3.2在推进过程中，优化施工参数，严格控制隧道轴线，加强监控量测的密度和强度，以减少地表隆沉和先行隧道的变形，确保盾构施工安全。9.3.3对垂直运输起重设备的索具、钢丝绳、土箱、管片吊钩等做到定期检查，安全使用各种安全装置，及时维修。

28、井口吊装作业时配置声控闪光信号装置作警示。9.3.4电瓶车司机严格执行安全行车规程，加强对车连接部位的检查。电瓶车增设电动制动刹车装置，配置行车闪光警示灯；运行过程中严禁搭乘车，严格控制行车速度，工作面钢轨末端设置电瓶车行使止动装置。电瓶车内设行车监控系统。9.3.5管片工作面和拼装位置做好警示标志，管片举重臂旋转范围内严禁站人。10.环保措施10.1将施工场地和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置、规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。10.2设立专用排浆沟、集浆坑，对废浆、污水进行集中，认真做好无害化处理，从根本上防止施工废浆乱流。10.3定期清运沉淀泥砂，做好

29、泥砂、弃渣及其它工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的指定地点排放。弃渣及其它工程废弃物按工程建设指定的地点和方案进行合理堆放和处治。10.4优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。10.5在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。10.6在盾构掘进施工过程中，铺设良好的管道排水、排污系统，所有生活和生产中产生的废水及水泥浆液均经过过滤、沉淀等方式集中处理后排出，未造成水污染。10.7盾构正常掘进时各施工现场设置的集土坑能够满足临时堆土需求，采用加盖封闭式载重车进行弃土晚间运输。为了防止土方运输车辆污染道路，运土车辆出去时在洗车台处将车辆轮胎冲洗干净，防止带泥上路。10.8严格按照使用要求检修和保养发动机，使用合格的燃料油和润滑油，以提高发动机的燃烧和工作质量，减少发动机废气对环境的污染。11.效益分析11.1本工法避免了对铁路正常运营的严重影响，施工中铁路及地表隆沉均在允许范围内，确保了铁路、道路、管线和建筑物的安