三线并行隧道盾构法下穿铁路施工工法

1、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

2、线近距、 斜交、小半径、大坡度 地铁盾构法施工 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

3、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

4、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；522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

5、B区设4.2m厚 机.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523-2所示。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Ps 1.0MPaC区：次加固区，分层注浆加固，要求Ps=1.0MPa；B区：旋贲加固区，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。区区-区区一区LixyJJrcfl i rc严r-J.口.匚p,rr 一5-空怦脅需总4忑桥zX鑒常惦步夕金曲聊亦塑KZZ04 T 空啜4n0.8Mpa渗透系数k 10cm/s,水泥掺入量3

6、60kg/m。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。十5000315005003o c o o3131注：图中，1234为注浆顺序ooo4242、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

7、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 30,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

8、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525-2所示：位、钻机逗 52、 正垂直度和注浆管布、置剖倾斜度，+5.320设计底标下0.3m，钻孔的图5.2.5-1注浆管布置平面图位置与 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

9、 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

10、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, 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

11、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

12、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

13、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、力加虽同步注浆：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910cm，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m 3,浆液稠度为1011cm；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 200L台63液压钻机XU 300 2 型台124注浆管0 60mmm2805拔管脚架3T台2三盾构施工1土压平衡盾构机0 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

14、仪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

15、 水泥堆 场加强防雨防潮 ，保证水泥 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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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 。9.2.2 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。924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

21、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。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

22、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

23、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

24、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、管线和建筑物的安全，未造成环境危害。近距离安全穿越干 线铁路的成功，为多孔隧 道的近接工程和各 类盾构下穿铁路及重要建筑物的工程提供具 体的指导和借鉴，为以后城市地下工 程在类似情况下的 规划建设提供了可靠的决策依据和技 术指标，新颖的工法技 术将促进地下工程施 工技术进步，社会效益和 环境效益明 显。11

25、.2本工法由于采用 数值模拟及离心试验，比选了三线盾构隧道的掘 进顺序，确定了详细的地 基加固方案及具体的 管片辅助措施，明确了监控量测项目和频率，采用全 过程的监控量测严密监测 地基加固和盾构掘 进过程，全面控制和优化盾构掘进施工参数，保障盾构施工 质量和安全，确保 铁路 及地表隆沉均在允 许范围内，周围既有设施和管线完好无损，确保居民生命、财产安全，避免列车减 速缓行甚至中断行 车和居民临时迁移，节约了铁路要点占时费用，形成了较好的经济效益。12. 应用实例上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道12.1工程概况上海市轨道交通9号线一期工程R413标段盾构隧道（九亭站-七宝站）位于

26、 上海市闵行区沪松 公路沿线，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。 线路呈 西东走向，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，东、西出入段线分别始于东西岔道井，终端位于上下行 线之间，与上下行线形成三 线小净距并行布 置，三线间隧道净距仅为3.66m。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 DK20 + 664 =L2DK0 + 220）里程处下穿越运 营时速达 140km/h的双线既有沪杭干 线铁路（铁路里程 约DK31 + 820），铁

27、路路基宽约12m，与隧道基本正交 （相交角约88 ,隧道拱顶距铁路覆土仅7.9m。盾构法隧道外径 为$ 6200mm内径为0 5500mm,装配式衬砌管片通 缝拼装；衬砌块宽度1200mm , 厚350mm，衬砌管片砼设计强度为C55，抗渗等级弟10;纵环向均用29根5.8级M30双头 直螺栓连 接,连接件进行防锈防腐处理；衬砌管片每 环六块，由一块封顶块、二块邻接块、二块标准块、一块拱底 块拼装而成；衬砌纵环缝防水采用 三元乙丙弹性橡胶密封 垫+遇水膨胀橡胶条，管片纵缝和变形缝环缝 传力衬垫材料采用丁晴 软木橡胶。三线并行盾构隧道下 穿铁路平面和横断面示意如 图12.1所示。1时圧皤理林if

28、11村1 11111 Z;丿1怕曲时Li.iiiMl新评曉图12.1-1三线并行盾构隧道下穿铁路平面和横断面示意 图图12.1-2加固区环境影响平面 图 单位：mm )铁路走向呈北南向，盾构隧道在穿越 处西侧为居民民房 ，结构多为砖混二 层结构，基础薄弱。盾 构隧道在穿越沪杭 铁路时，附近主要有电力线、电话线和煤气管 线：在下行线北侧2.53.5m处大致 平行于线路方向的电力电缆线1根，埋深3.6m ;在上行线和出入段线之间平行于线路方向的通信 电 话电缆线6孔，埋深0.9m;在上行线隧道顶部平行于线路方向的$ 700铸铁煤气管，埋深3m；在沪杭 铁路两侧垂直于线路方向的电话电缆线 共20根，埋深0.20.7m。12.2 施工 情 况路基加固 阶 段为了给下行线的盾构推进及早提供 时间，使下行线安全通过铁路。施工顺序安排为：C区压密注 浆先施工，并与 B 区旋喷桩同时施工，然后作 A 区压密注浆。先完成出入段 线中心到盾构隧道下行 线区域的加固，然后完成出