程杰
中铁二十五局集团第五工程有限公司山东省青岛市266000
摘要：结合长沙地铁一号线涂家冲站～铁道学院站区间盾构处于砂卵石地层同步下穿京广铁路与新中路立交桥掘进施工，详细介绍铁路加固、立交桥桥桩隔离加固、盾构砂卵石地层掘进参数和同步注浆参数等关键技术，并辅以科学监测，实现成功下穿。
关键词：盾构同步下穿下穿铁路隔离加固线路架空
随着城市轨道建设的发展，由于受到城市规划的条件限制，立体式交通网络体系逐渐形成，也将出现越来越多的盾构同时下穿既有铁路、侧穿市政立交桥桥基群桩的施工需要。因此，盾构同时下穿铁路和市政立交桥将会成为未来城市轨道交通建设不可或缺的重要组成部分。
盾构法隧道的施工方案需要考虑盾构掘进过程中对周边土体造成的影响，以保证铁路和立交桥的安全。盾构同步下穿运营中的铁路与市政立交桥施工对于地层沉降要求较高。在目前盾构复杂地层施工工艺多样的情况下，选用合理的施工设备及方法是保证安全质量的关键。
1、工程概况
长沙地铁一号线涂家冲站～铁道学院站区间隧道自铁道学院站沿芙蓉路向北，东侧下穿京广铁路与新中路立交桥，侧穿浦沉集团招待所、家属楼、办公楼、水泵厂厂房（拟开发）、水泵厂家属楼后，向北到达涂家冲站，线路从新中路立交桥的桩基中间穿过，浅覆土下穿京广铁路。其中，区间左右线在Y（Z）DK23+900--24+650里程段下穿新中路立交桥，长750米，Y（Z）DK24+200--24+270里程段左右线分别在京广铁路K1575+75和K1575+100里程处下穿（详见图1盾构隧道与立交桥和京广铁路平面关系图），上层覆土厚度仅为8.7m。区间隧道采用6.28m土压平衡式盾构机进行掘进施工，隧道外径为6m。
新中路立交桥为四层全互通立交桥，最上层为南北向的芙蓉路，中层为东西向的二环路，另外紧靠地面东西向道路以南为以路堑方式通过的京广电气化铁路，盾构区间在新中路立交桥和京广电气化铁路相交处下穿，下穿段最浅覆土厚度为8.7m（详见图2盾构隧道与京广铁路竖向关系图）。京广铁路运输繁忙，沉降控制要求高，确保铁路相关设施的安全和适用尤为重要，稍有不慎，容易发生行车事故。穿越段立交桥桩基密集、复杂，L08桩基与区间左线的最小水平净距仅为0.92m（详见图3盾构隧道与立交桥L08桩基关系图）。需严格控制盾构下穿过程中和工后盾构前方及隧道周边地层变形，确保施工和行车安全。
图1盾构隧道与立交桥和京广铁路平面关系图
图2盾构隧道与京广铁路竖向关系图
图3盾构隧道与立交桥L08桩基关系图
根据详勘资料显示，隧道下穿该段区间，隧道处于卵石层和粉质粘土层中（详见表1区间隧道穿越地层统计表和图4区间浅覆土段地质纵剖面图），容易造成坍塌和建构筑物沉降。
图4区间下穿段地质纵剖面图
2、人工挖孔桩结合工字钢纵横抬梁架空线路技术
盾构下穿京广铁路正线，必须严格控制土体沉降，从而确保铁路的安全运营和隧道的施工安全。通过madis软件分析计算、模拟施工，提出对铁路进行人工挖孔桩结合工字钢纵横抬梁架空线路的加固技术方案。在京广铁路上下行线间、上下行线路肩设置直径1.5m、长8m和16.5m，间距8.0m、10.7m和13.0m的C30钢筋混凝土支点桩。线路加固体系横梁（组）采用I36C工字钢，每两根轨枕间穿一根工字钢横梁，横梁跨度为5.7m，从钢轨底穿过，横梁与钢轨间绝缘。加固体系纵梁采用I63C工字钢梁，三片一组分别安装在京广铁路上下行线之间和线路外侧路肩位置支撑桩上，纵梁主跨度最大为13m。如图5、图6所示。
图5线路加固平面布置图
图6线路加固2-2剖面图
2.1、计算模型
有限元计算模型中的纵横抬梁工字钢与支点桩、桩间土的接触单元模型图和盾构开挖过程中，管片支护单元模型图分别如下图7、图8所示。
图7纵横抬梁与支点桩单元模型图图8盾构管片衬砌单元模型图
2.2、位移分析
（1）铁路位移分析
由图9纵横抬梁工字钢的位移可以得出，盾构开挖之后，工字钢梁Z方向最大位移发生在梁中部，最大值为2.166mm。工字钢弹性模量较大，并且铁路荷载的传播路径为：铁路荷载——钢轨——横梁——纵梁——挖孔桩，故铁路位移同工字钢位移，满足要求。
（2）支点桩位移分析
由图10支点桩X方向位移可以得出，在地基土侧向压力以及铁路荷载作用下，支点桩X方向最大位移发生在中间的两根桩上，最大X向位移为1.039mm。其位移值在安全范围之内，说明经过加固的土体处于安全状态，桩土间没有出现明显的错位等现象。
图9纵横抬梁工字钢位移图图10支点桩x方向位移图
2.3、强度分析
（1）管片内力分析
由图11可知，盾构开挖过程中，管片衬砌最大主应力发生在隧道端部，其最大值为4.037e3KN/m2。管片衬砌的材料为C50混凝土，查阅相关规范可知，C50混凝土轴心抗压强度设计值为：23.1MPa，远大于本文中盾构管片所受到的最大应力，所以管片强度符合要求。
2）工字钢梁内力分析
由图12可知，纵横抬梁工字钢X向最大主应力发生在两肢横梁中间部位，其最大值为7.24855e3KN/m2，远远小于工字钢的抗拉强度215N/mm2，所以工字钢的抗拉强度符合安全要求。
由图13、图14可知，工字钢梁Y、Z向最大剪应力均发生在横梁与桩支承连接的部位，其最大Z向剪应力为：3.22e3KN/m2。查找相关规范可知，工字钢的抗剪强度为125N/mm2，所以工字钢所受到的剪应力远小于其抗剪强度，纵横抬梁工字钢处于安全状态。
（3）桩内力分析
由图15可知，支点桩最大轴向应力发生在桩中间部位，其最大值为3.754e2kn/m2，支点桩为C30混凝土材料，查阅相关规范可知，C30混凝土的轴心抗压强度设计值为14.3MPa。经过分析可知，选取的加固体系中桩的轴向应力远小于C30混凝土的轴心抗压强度设计值，即桩不会出现受压破坏。
图11管片衬砌的最大主应力图图12工字钢梁X向主应力图
图13工字钢梁Y向剪力图图14工字钢梁Z向剪力图
图15桩X方向轴向应力图
通过对位移和强度分析计算、模拟施工，对铁路采用进行人工挖孔桩结合工字钢纵横抬梁架空线路的加固技术方案，满足盾构下穿施工及铁路运营安全要求。
3、旋喷桩+袖阀管+地表跟踪注浆相结合隔离加固桥桩技术
根据《建（构）筑物托换技术规程》（CECS295：2011）：城市隧道施工影响范围和影响程度：盾构法Ⅰ级（强烈影响区）隧道正上方及外侧0.5z范围；Ⅱ级（显著影响区）隧道外侧0.5～0.7z范围；Ⅲ级（一般影响区）隧道外侧0.7～1.2z范围。如图16。
图16盾构法隧道工程影响区范围图
根据上述桥桩影响区分析可知，穿越段桥桩密集，A线7根桩、B线6根桩、D线5根桩、F线4根桩、L线2根桩处于Ⅰ级强烈影响区，需严格控制桥桩沉降，保证立交桥行车安全和隧道施工安全，提出对穿越段桥桩进行袖阀管注浆结合旋喷桩补强加固并预埋同步跟踪注浆孔，盾构通过后，立即地表跟踪注浆的加固技术方案。
其中F05#1号桩位处于盾构隧道正上方，且其它桥桩均较为接近隧道正上方，故该区段内桥桩加固参照F05#1号桩。F05#1号桩加固选型见4、盾构正穿桥桩无托换加固设计。
根据试验区确定以下袖阀管注浆参数：
旋喷桩：水泥浆液流和高压水射流压力大于30MPa，空气压缩机压力参数0.6～0.7MPa，提升速度0.10～0.20m/min，旋转速度10～25r/min。旋喷桩直径为0.8m，孔距为500mm，见图17。采用三重管高压旋喷工艺，选用PO42.5或以上的普通硅酸盐水泥，水灰比0.6：1。为改善水泥浆液性能，可加入适量的外加剂和掺和料，如掺入水泥量0.3%～0.5%的KA—1可提高浆液扩散性和可泵性能。加入约5%的膨润土可提高浆液的均匀性和稳定性，防止固体颗粒分离和沉淀。
袖阀管：地面注浆孔间距0.8m，梅花形布置（见图18、19、20）。注浆孔扩散半径0.5m。注浆袖阀管采用柔性塑胶A50*5mm袖阀管。采用42.5普通硅酸盐水泥和35Be’水玻璃，浆液配制：W：MC=（0.6—0.8）：1。
图17旋喷桩平面示意图图18袖阀管注浆平面示意图
图19、图20桩周袖阀管平面布置图
4.2、加固后工况盾构下穿的桩体沉降分析
（1）midas模型
3、盾构砂卵石地层掘进施工技术
3.1、土压力计算
其中，r土：土浮容重；σ外：外荷载；ζ：土的静止侧压力系数；r水：水容重；h：埋深；k：土压力系数，一般取1.05-1.1。
3.2、同步注浆量计算
其中：Q-同步注浆量；K-注浆倍率（一般取值为1.3-2.0）；D-刀盘外径；d-管片外径；L-管片环宽。
3.3、出土量计算
其中：Q-出土量；K-松方系数（一般取值为1.1-1.3）；D-刀盘外径；L-管片环宽。计算得，出土量一般控制在50-60m3。
向土体掌子面或土仓内注入膨润土时，出土量会适当增加，根据膨润土注入量等因素，结合现场施工实际情况，控制出渣量。为准确掌握地面沉降的规律及影响因素，盾构机先进行左线90环施工（即261-350环）设定为该区间盾构掘进实验段。
通过计算和地层情况，实验段掘进参数选定3组（详见表2实验段掘进参数表），采用盾构实验段掘进参数进行掘进，通过后对该段地表沉降量进行统计分析（详见图21各试验阶段沉降趋势图），通过沉降观测值得出最佳掘进参数。
图21各试验阶段沉降趋势图
通过各阶段沉降趋势图可得出第三阶段掘进参数为最佳施工参数（表3最佳盾构掘进参数表）。
5、结语
本工程综合运用的人工挖孔桩结合工字钢纵横抬梁架空线路、袖阀管注浆结合旋喷桩配合地表跟踪注浆补强加固桥桩、优化盾构掘进参数快速通过穿越段的方法，解决了盾构浅覆土同步下穿铁路干线与市政立交桥沉降控制问题、富水砂卵石层盾构掘进开挖面稳定问题，实现盾构在复杂施工环境下安全快速完成施工，确保了铁路和立交桥的安全正常运营和隧道施工的安全。为盾构同步下穿铁路和市政立交桥的工程实践提供宝贵的实践经验。
参考文献：
[1]陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术（第二版）[M].人民交通出版社，2016
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[4]鲍永亮，郑七振，唐建忠.盾构隧道穿越既有建筑物施工技术[J].铁道建筑，2009