CN100580220C - 三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法，属隧道施工技术领域。本发明的施工方法包括以下步骤：利用三维有限元对各施工顺序和方法进行模拟分析，选择盾构施工顺序；根据动应力的影响程度，选择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；根据试验结果和盾构机性能选择施工参数，包括合理设定正面土压力、加强同步注浆、严格控制掘进速度、严格控制轴线偏差、利用预埋注浆孔进行壁后二次注浆、加注泡沫或泥浆；采用严密的监测措施监测盾构施工过程，使施工单位能够及时调整施工参数，保障施工的安全进行。本发明不仅保证了工程施工质量和施工安全，而且创造了良好的经济效益。

Description

三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，具体地说涉及一种三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法。

背景技术

盾构法隧道施工是一种在地面下暗挖建造隧道的施工方法，由于盾构法施工具有施工速度快、洞体质量稳定、对周围环境影响较小等优点，自其问世以来得到了飞速发展，现已广泛应用于城市地铁、市政、能源等工程领域中。盾构施工过程中会引起土体内应力的变化，改变土体结构强度，引起隧道周边一定范围内的地层移动，当施工隧道下穿铁路时，不可避免地会对铁路干线产生如***、沉降等不利影响。为了确保隧道施工和铁路行车的安全，已有的施工方法所采取的措施有：严格控制并优化盾构施工参数，必要时采取辅助施工措施。如广州地铁二号线火车站-三元里区间隧道穿越广州火车站站场，采用了严格控制盾构姿态、施工参数和充分壁后注浆的措施，控制地表下沉最大为5.4mm，轨面最大沉降为2.2mm，确保了安全顺利穿越。北京凉水河南岸污水干线三路居-分洪道盾构隧道在砂卵石中通过，采用控制盾构施工参数，如控制推进速度(15mm/min)，加泥加泡和严格的同步注浆(180％)和二、三次注浆技术，成功将地表沉降控制在8mm。从既有工程实例来看，有单线或双线盾构隧道下穿铁路的工程，还未见有在列车时速140km/h未减速情况下三线小净距隧道相继穿越铁路的盾构施工方法。三线隧道近接施工，无论三线同时施工或先后施工，必然存在复杂的相互影响，尤其是先建隧道将会受到后建隧道施工的影响，而且列车行驶的振动也会对隧道的应力重分布和地层位移产生显著影响，给隧道施工增加了难度，属复合近接施工问题。另一方面，在三线隧道相继穿越铁路的盾构施工过程中，存在对地层的多次扰动和影响的叠加，很容易使地表和铁路干线的沉降超限，在铁路运行不允许被中断的情况下，三线隧道相继穿越铁路的盾构施工对于高速营运的列车存在着严重的危害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能有效控制三线隧道近接施工的相互影响，使地表位移控制在限定范围内，以保障隧道施工和铁路运行安全的双线铁路列车动载下的三线并行隧道的盾构施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用动静力学的三维有限元数值仿真模拟试验，分析了不同施工推进顺序工况条件下的地表位移、隧道结构内力变化，铁路列车振动对三孔盾构隧道的影响，并利用离心模拟试验加以验证；根据以上数值模拟及离心试验，确定了以下技术方案：三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法，包括有以下步骤：

(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，取自重应力场作为初始应力场，采用ANSYS软件、D-P模型，计算各施工顺序工况条件下的地表位移、结构内力变化，选择最佳盾构掘进顺序。根据模拟试验结果选择的盾构掘进顺序为先逐一施工两侧的隧道，后施工中间的隧道，该施工顺序工况条件的地表位移和结构内力变化最小，并且该施工顺序也有利于配置施工场地和减少扰动影响次数。

(2)加固铁路路基

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，根据动应力的影响程度，采用不同的加固指标。轨枕下受动应力影响程度高，轨道两侧次之，可以采用旋喷桩将加固区域分块。旋喷桩一方面可以限制浆液的扩散以保证加固效果，一方面可以隔断盾构隧道推进过程中前方土体的压力，有效控制隧道变形。

所确立的加固铁路路基的具体方法为：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，线路两侧设置4.2m厚旋喷加固区，每侧旋喷加固区由四排直径为1.2m的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为0.2m；旋喷桩起加固和隔断及控制变形的作用。两侧旋喷加固区之间及其外侧路基分层注浆加固。两排旋喷桩之间范围内为主加固区，注浆加固参数要求Ps≥1.0MPa；旋喷桩外侧路基为次加固区，注浆加固参数要求Ps＝1.0MPa；主加固区至次加固区的加固要求逐渐降低，在强度及刚度上形成过渡。

线路下部主加固区的分层注浆工艺对铁路线路的保护采取以下措施：

a采用分层注浆加固，层高为0.5～0.8m，实施第一层斜孔注浆，注浆孔与地面的夹角为30°，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；

b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。

线路外侧的过渡区，应根据地形和地表建筑物情况，进行适当的注浆加固。

(3)加强管片配筋

列车运行时会增加隧道结构所承受的地面荷载，因此铁路下的盾构管片需加强配筋量。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，所考虑的荷载包括地层压力、静水压力、土体抗力、结构自重、地面荷载。通过计算得到的配筋加强方案为：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(共50环)配筋进行加强，同时对铁路路基下方的管片(14环)掺入钢纤维以增强其抗裂性。

具体的方法为：铁路正下方即中心线左右两侧各5m的管片内力较大，其配筋量比标准地段设计增加31％～44％，为

5m～10m范围内的弯矩减小10％，其配筋量比标准地段设计增加17.6％，为

15m以外列车动荷载对盾构内力的影响可以忽略，可采用标准地段设计的配筋量。为安全及配筋要求，铁路中心线左右两侧各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17.6％，为

过渡区外采用标准地段设计的配筋量。

(4)三线并行下穿铁路隧道盾构施工

由于盾构机性能的差异，在盾构穿越铁路前，应根据一定的试验和数据信息，设定适合该盾构机的穿越施工参数：先行盾构在推进时通过选择合适的土仓压力，严格控制纠偏量，以减小对围岩土体的扰动，采取同步注浆以及洞内注浆辅助措施，加固扰动后的土体，为后行隧道盾构施工提供有利条件；后行隧道盾构施工时，通过选取合适的土仓压力，推进速度、注浆量以及纠偏量来达到减小对先建隧道影响的目的，严格控制同步注浆质量并采取洞内注浆辅助措施加快三线隧道土体固结速度以及增加其强度，有效控制三线隧道特别是后建隧道后期沉降。

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***约0.5mm为宜，铁路段土压值要比穿越前高15～25KPa；

②加强同步注浆：考虑尽量减少后期沉降量，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9～10cm，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m³，浆液稠度为9～11cm；

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，以减少对周围土体的拖带和扰动影响，盾构应连续掘进，避免故障停机；

④严格控制轴线偏差：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，通过先行完成的两条隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m，以加强隧道周围的土体强度，待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，及时通过隧道内预埋的注浆孔对土体进行注浆加固；在盾构穿越铁路后，根据后期沉降情况，进行二次注浆；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9～10cm，浆液重量配比：水∶水泥∶水玻璃为1∶1.2～1.5∶0.05～0.1，注浆压力0.3MPa，注浆量0.3-0.5m³，注浆速度10-15L/min；

(5)监测盾构掘进过程

区间隧道下穿重载铁路的过程中必然会引起铁路基床的沉降，并且对铁路两侧的电力、通信等管线带来一定影响。所以须加强施工过程中的监控测量，使施工单位能够及时调整施工参数，优化施工方法，以避免危及铁路行车营运安全。

地表沉降监测：在区间隧道下穿铁路干线两侧范围内，垂直于盾构推进方向设置7道地表沉降观测断面，平行于盾构推进方向设置9道地表沉降观测断面。采用精密水准仪对布置的监测点进行监测，监测范围为盾构前20环，后30环。在区间隧道盾构出洞前布设监测点，测量3次取平均值作为初始值，取得稳定的测试数据，在盾构出洞后即开始监测，在盾构推进期间正常情况下2次/天，施工区域30～100米以远的已完成区段1次/周，1个月后且沉降速率小于3mm/周监测频率为1次/月，必要时可根据工程情况调整监测频率，以满足保护环境的要求。

线路沉降监测：在盾构推进前先在地面上布置好变形监测点。在穿越区设置3道横向沉降监测断面(铁路上下行线路中心各设置一个断面，铁路上下行线线路之间设置一个断面)；沉降点位采用钢深层沉降点，横向监测断面上监测点布置及监测频率与地表沉降相同。

在建隧道(环片)沉降监测：沿着隧道推进方向在隧道的管壁上布设沉降监测点，在进、出洞50环范围内，每隔5环布设一沉降监测点，在其他部位每隔10环布设一沉降监测点。隧道沉降监测与隧道施工过程同步进行，每次监测范围为新施工区段100环，前期已完成区段100环。监测频率为：距推进面100m范围内1次/周；距推进面100～200m范围1次/15天；距推进面200m以外已完成隧道，连续2次本次沉降＜3mm，监测频率降为1次/月，否则1次/15天；隧道贯通后一个月一次，直至隧道初次结构验收。

已建隧道变形监测：对盾构推进切口前20m、盾尾后30m内已建隧道进行监测，监测频率1次/天，在变形值超报警时要增加监测频率，2次/天，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率，保证监测信息准确及时。

周边深层土体监测：对盾构推进切口前20m、盾尾后30m内周边深层土体进行土体深层测斜、土压力、空隙水压力、分层沉降等监测断面进行监测，监测频率1次/天，在变形值超报警时要增加监测频率，2次/天，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率，保证监测信息准确及时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过数值分析、离心模拟试验，确立了先两侧隧道后中间隧道的施工推进顺序、高压旋喷桩隔断和分层注浆加固的地基加固方案、加强管片配筋，通过高频率的监测和信息反馈，及时掌握了运行列车轨道变形和位移状态，严格控制盾构推进参数，有效控制了铁路路基的变形和位移，确保了营运铁路的安全；有效降低了下穿段先建隧道和后建隧道的复杂影响，确保了铁路下盾构隧道的质量及营运安全。本发明不仅保证了工程施工质量和施工安全，而且为项目创造了良好的经济效益，至少降低工程费用200万，在盾构掘进施工过程中列车未减速缓行未中断行车，未影响铁路的正常运行，从而减少经济损失3600万元。

附图说明：

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

利用三维有限元对各施工顺序和方法进行模拟，采用的软件为大型有限元通用软件ANSYS，取自重应力场作为初始应力场，开挖模拟矩阵表达式为：{[K_i-1]+[ΔK_i]}{Δδ_i}＝{ΔF_ir}+{ΔF_ia}(i＝1，M)，其中M为施工阶段总数，[K_i-1]为第i-1步后的刚度矩阵，[ΔK_i]为第i步施工过程土体和结构刚度的增量或减量；{ΔF_ir}为由开挖释放产生的边界增量节点力列阵；{ΔF_ia}为施工过程中增加的节点力列阵。计算采用D-P模型，计算范围水平100m，竖向50m，顶部取至地表面，沿隧道轴向为72m。计算中，管片采用弹性壳单元，地层采用空间八节点等参单元。考察以下施工顺序工况条件下的地表位移、结构内力变化：1先施工一侧隧道，再施工中间隧道，最后施工另一侧隧道；2先逐一施工两侧隧道，再施工中间隧道；3先施工中间隧道，再施工两侧隧道；4先同向施工两侧隧道，再施工中间隧道；5先同时施工一侧隧道和中间隧道，再施工另一侧隧道；6先同时施工两侧隧道，再施工中间隧道。为了减小隧道间的相互影响，除工况3考虑同向施工进行对比外，其余均采用对向施工。数值模拟试验结果如表1、表2所示：

表1各工况地表的最大***和沉降值(mm)

从各工况的最大***和最大沉降来看，工况5和工况6相对不利，不仅***值产生明显叠加，而且沉降值也大，因此两隧道同时施工的方案对地表沉降的影响较大，在下穿铁路时，应避免盾构在铁路下交会。其他逐一施工的工况下***和沉降值的差异不大，工况2相对有利，***和沉降值均为最小，因此，从控制地表位移来看，工况2即先逐一施工两侧隧道，再施工中间隧道的推进顺序最佳。

表2各工况下先建隧道受后建隧道施工影响的内力最大变化值

从各工况条件下先建隧道受后建隧道影响的最大内力及变化值来看，工况3最为不利，这是由于先建中间隧道时，后建的两侧隧道对先建隧道有两次高度近接叠加影响的缘故。其余工况差异不大，各有优劣。

综合地表位移和结构内力，工况2具有一定优势，此外从利于施工场地配置和减少扰动影响次数方面，工况2也是最优的。因此所选择的盾构掘进顺序为先施工两侧隧道，后施工中间隧道。

实施例2

采用数值模拟及离心试验的方法，确定详细的地基加固方案及具体的辅助工法施工，明确监控量测的项目和频率，全面控制和优化盾构施工参数。

采用水囊注放水的方法模拟盾构隧道掘进中的损失，利用离心模拟试验对三孔盾构隧道近接施工下的地层加固与不加固工况下的地表沉降进行研究。试验分两组，一组不加固地层，为原状土，一组加固地层，加固范围为在隧道左右、下方一倍洞径至地表范围内的长方体地层，加固地层采用425普通硅酸盐水泥与地层拌和，水泥掺量为10％。将各层土和模型隧道装入模型箱内，填土时严格控制每层的装填高度并均匀夯实。将衬砌模型外的水囊注满水，严格控制注入水量，然后将隧道衬砌模型埋入指定位置，将导线和水囊导管引到模型箱外。施工顺序为先同时逆向施工两侧隧道，再施工中间隧道。清理现场后关闭离心机室装甲门，逐渐加大离心机转速至100g，持续运转1小时(相当于原型417天)，动态采集离心机运转10分钟(相当于原型69天)、1小时的数据，试验结果为：无地层加固时两侧隧道完成后69天的最大地表沉降为26.09mm，三个隧道完成后417天的累计最大沉降量为56.4mm，有地层加固时两侧隧道完成后69天最大沉降量为18.7mm，三个隧道完成后417天的累计最大沉降量为27.1mm，有地层加固的累计最大沉降值比无加固时小49％，表明地层加固可以有效减小地表沉降。

以地基加固为主的安全措施，注浆效果是关键。土体需要加固的强度与列车动应力的作用强度有关。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，并根据动应力影响程度，采用不同的加固指标。模型宽度取100m，高度取50m，计算取时步长为0.01s，模拟时间为9s。通过计算得到轨枕下受动应力影响程度高，轨道两侧次之，可以采用旋喷桩将加固区域分块的方案。旋喷桩一方面可以限制浆液的扩散以保证加固效果，一方面可以隔断盾构隧道推进过程中前方土体的压力，有效控制隧道变形。

列车运行时会增加隧道结构所承受的地面荷载，因此铁路下的盾构管片需加强配筋量。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，所考虑的荷载包括地层压力、静水压力、土体抗力、结构自重、地面荷载。通过计算得到的配筋加强方案为：周围土体不加固时需要增加的配筋量相对比较大，需要比原设计增加44％～70％；盾构隧道周围土体加固后，管片的配筋量比标准段设计的配筋量增加31％～44％，具体为铁路正下方即中心线左右两侧各5m的管片内力较大，其配筋量比标准地段设计增加31％～44％；5m～10m范围内的弯矩减小10％，配筋量比标准地段设计增加17.6％；15m以外列车动荷载对盾构内力的影响可以忽略，可采用标准地段设计的配筋量；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17.6％；过渡区外采用标准地段设计的配筋量。

根据以上数值模拟分析以及模型试验，选择了以下施工参数：三线隧道的土仓压力以开挖面前端土体略微***约0.5mm为宜；严格控制盾构推进速度，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；严格控制轴线偏差，先行两侧隧道纠偏量≤3mm/环，后行中间隧道纠偏量≤2mm/环；加强同步注浆先行两侧隧道每环同步注浆量均为2.5m³，浆液稠度为9～10cm，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m³，浆液稠度为9～11cm。并采取有效的监控量测措施，使施工单位能够及时及时调整施工参数。所采取的监控量测措施包括地表沉降监测、线路沉降监测、在建隧道沉降监测、已建隧道变形监测、周边深层土体监测。

实施例3

以某三线并行隧道穿越双向铁路干线隧道区域的盾构施工为例：该工程三线并行段下穿路基宽约12m的双线干线铁路，穿越处盾构拱顶距铁路覆土不足8m，与隧道基本正交。该三线并行隧道穿越双线铁路干线的盾构施工的方法如下：

(1)选择有铰接的土压平衡盾构机，按照先逐一施工两侧隧道，后施工中间隧道的方案，依次推进。三线隧道的施工间隔时间宜长，以避免隧道间的影响叠加。

(2)三线盾构隧道下穿铁路施工前，下穿区域铁路线路两侧设置4.2m厚旋喷桩两排，两排旋喷桩桩间范围内及其外侧路基分层注浆加固。旋喷桩桩间范围内为主加固区，注浆加固参数要求Ps≥1.0MPa；旋喷桩外侧路基为次加固区，注浆加固参数要求Ps＝1.0MPa；主加固区至次加固区的加固要求逐渐降低，在强度及刚度上形成过渡。旋喷加固区，由四排直径为1.2m的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为0.2m。

加固技术要求：沿铁路两侧的旋喷桩加固施工，应控制施工速度，以减小施工队铁路的影响，旋喷桩施工期必须对铁路进行监护和监测，根据检测结果调整施工参数，并让铁路部门自己对线路进行及时养护。

线路下部主加固区的注浆工艺对铁路线路的保护采取以下措施：

a采用分层注浆加固，层高为0.5～0.8m，实施第一层斜孔注浆，注浆孔与地面的夹角为30°，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；

b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。

(3)铁路正下方即中心线左右两侧各5m的管片内力较大，其配筋量为

比标准地段设计增加31％～44％；5m～10m范围内的弯矩减小10％，配筋量为

比标准地段设计增加17.6％；15m以外列车动荷载对盾构内力的影响可以忽略，可采用标准地段设计的配筋量。为安全及配筋要求，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，过渡区内的配筋为

比标准地段设计增加17.6％；过渡区外采用标准地段设计的配筋量。

(4)盾构机施工参数的控制：

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***约0.5mm为宜，铁路段土压值要比穿越前高15～25KPa；

②加强同步注浆：考虑尽量减少后期沉降量，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9～10cm，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m³，浆液稠度为9～11cm；

③控制掘进速度：先行两侧隧道盾构掘进速度控制在2～2.5cm/min，后行中间隧道盾构掘进速度控制在≤2cm/min，以减少对周围土体的拖带和扰动影响，盾构应连续掘进，避免故障停机；

④严格控制轴线偏差：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：在三线并行段增设注浆孔管片，每环有16个注浆孔，在后行隧道施工前，通过先行完成的两条隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m，加强隧道周围的土体强度，待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，及时通过隧道内预埋的注浆孔对土体进行注浆加固；在盾构穿越铁路后，根据后期沉降情况，进行二次注浆；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9～10cm，浆液重量配比：水∶水泥∶水玻璃为1∶1.2～1.5∶0.05～0.1，注浆压力0.3MPa，注浆量0.3-0.5m³，注浆速度10-15L/min。

(5)监控量测

①监测内容：

地表沉降：在盾构隧道下穿铁路干线两侧范围内，垂直于盾构推进方向设置7道地表沉降观测断面，采用精密水准仪对布置的监测点进行监测。

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监测点，在穿越区设置3道横向沉降监测断面，即铁路上下行线路中心各设置一个断面，铁路上下行线线路之间设置一个断面，沉降点位采用钢深层沉降点，横向监测断面上监测点布置与地表沉降相同。

深层土体沉降监测：在穿越铁路段的两侧路肩处各布置4个深层土体沉降观测点，沉降点底部作用在路基基面以下土体，与上层土体分离。

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。

地下管线监测：管线监测每隔10m布置一个沉降观测点，重点是位于盾构上行线顶平行于线路方向的φ700铸铁煤气管(埋深1.7m)，尽可能设置直接观测点。

地层-结构间土压力量测：在铁路路基下盾构管片设置测点，地层与隧道结构间土压力盒的埋设是在管片施作前，钢筋笼制作好后再安装的。在安装之前，对压力计的初始频率进行测试，测试结果应和标定表的零点频率相同，方可进行安装。然后将待测围岩压力部位的钢筋笼外侧(迎土面)焊接两根φ14钢筋，然后将土压力计点焊于其上，以固定压力盒并使压力盒受力面稍许露出浇筑后的混凝土表面。

管片结构钢筋应力量测：在铁路路基下盾构管片设置测点，在焊接之前对钢筋计的初始频率进行测试，并进行记录。然后将测量部位的钢筋截断，把钢筋计的两端与原受力钢筋对接，并用短头钢筋将钢筋计和原钢筋焊接在一起。在焊接时必须对钢筋计进行水冷却。当焊接完成后，再次用测试仪表检验初始频率是否正确，如正确方可将其安装浇筑。发生变形后，通过量测与之相连的钢筋应力计的频率变化，然后根据标定曲线或公式将其换算成钢筋的应力。

管片结构混凝土应力量测：在铁路路基下盾构管片设置测点，在埋设之前进行测量并记录初始读数。将埋入式应变计按设计位置绑扎在钢筋的外侧，将导线引至埋置管片内的钢管内，然后再进行混凝土浇筑施工。并再次记录读数。

振动：为了考察结构受到列车荷载冲击作用下的工作状态，选择了线路下54号管片环布设传感器。采用加速度传感器对C隧道的拱顶位置进行了竖向加速度的测试。

②监测频率：

a路基两侧高压旋喷桩加固：

地面隆沉观测：频率2次/天，观测期6天

路基隆沉观测：频率4次/天，观测期6天

线路隆沉位移观测：频率1次/2h，观测期6天

管线隆沉观测：频率4次/天，观测期6天

深层土体沉降监测：频率1次/天

b主加固区分层注浆加固：

路基隆沉观测：频率4次/天，观测期35天

线路隆沉位移观测：频率1次/2h，观测期35天

管线隆沉观测：频率2次/天，观测期35天

深层土体沉降监测：频率1次/天

c次加固区分层注浆加固：

地面隆沉观测：频率2次/天，观测期16天

管线隆沉观测：频率2次/天，观测期16天

房屋隆沉观测：频率2次/天，观测期16天

深层土体沉降监测：频率1次/天

d盾构推进穿越线路：

盾首距离铁路路基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，观测期3天

路基隆沉观测：频率2次/天，观测期3天

线路隆沉位移观测：频率2次/天，观测期3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，观测期3天

管线隆沉观测：频率2次/天

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，观测期4天

路基隆沉观测：频率1次/2h，观测期4天

线路隆沉位移观测：频率1次/2h，观测期4天

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，观测期4天

管线隆沉观测：频率2次/天

应力测试点：频率2次/天

盾尾远离路基5m～盾尾远离路基25m范围，此阶段仍然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，观测期2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

每台盾构机穿越铁路时，深层土体变化观测点4个，频率2次/天，观测期8天；

隧道内沉降监测：频率2次/天，观测期2天。

管线隆沉观测：频率2次/天

振动及应力监测：频率2次/天

通过采取以上措施，该工程克服了三线小净距隧道穿越双线铁路干线的复杂影响所带来的技术难题，使地表沉降累计沉降量控制在+10mm～-30mm范围之内；有效地控制了隧道的变形，隧道(环片)沉降、位移的累计变化量在±30mm范围之内，累计边长变化量在±20mm范围之内；深层土***移累计最大量在±30mm范围之内，分层沉降累计最大量在+10mm～-30mm范围之内，保障了铁路线路和隧道的安全，实现了三线并行隧道成功穿越列车时速为140km/h双线铁路干线的工程实例。

Claims (1)

1、一种三线并行下穿铁路干线隧道的盾构施工方法，其特征在于包括有如下步骤：

(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，取自重应力场作为初始应力场，采用ANSYS软件、D-P模型，计算各施工顺序工况条件下的地表位移、结构内力变化，根据模拟试验结果选择的盾构掘进顺序为先逐一施工两侧的隧道，后施工中间的隧道；

(2)加固铁路路基

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，根据动应力的影响程度，确立加固铁路路基的方法为：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，线路两侧设置4.2m厚旋喷加固区，每侧旋喷加固区由四排直径为1.2m的旋喷桩相互咬合形成，咬合量为0.2m，两侧旋喷加固区之间的主加固区及及其外侧路基的次加固区采取分层注浆加固的工艺，其中主加固区注浆加固参数Ps≥1.0Mpa，次加固区注浆加固参数Ps＝1.0Mpa，主加固区至次加固区的加固要求逐渐降低，在强度及刚度上形成过渡；

所述分层注浆加固工艺为分层采用斜孔注浆，注浆孔与地面的夹角为30°，层高为0.5～0.8m，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；

(3)加强管片配筋

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，得到的配筋加强方案为：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，具体的方法为：铁路正下方即中心线左右两侧各5m的管片内力较大，其配筋量比标准地段设计增加31％～44％，为5m～10m范围内的配筋量比标准地段设计增加17.6％，为

15m以外采用标准地段设计的配筋量；铁路中心线左右两侧各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17.6％，为过渡区外采用标准地段设计的配筋量；

(4)三线隧道盾构施工

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，按照设定的参数顺序推进：

①合理设定正面土压力：三线隧道的土仓压力为开挖面前端土体***0.5mm；

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9～10cm，后行中间隧道每环同步注浆量均为2.7m³，浆液稠度为9～11cm；

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，通过先行完成的两条隧道内的预埋注浆孔对土体进行注浆加固，加固范围为管片壁后2m，以加强隧道周围的土体强度，待达到设计强度后才施工后行隧道，后行中间隧道每掘进完成5环，及时通过隧道内预埋的注浆孔对土体进行注浆加固，在盾构穿越铁路后，根据后期沉降情况，进行二次注浆，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9～10cm，浆液重量配比：水∶水泥∶水玻璃为1∶1.2～1.5∶0.05～0.1，注浆压力0.3Mpa，注浆量0.3-0.5m³，注浆速度10-15L/min；

(5)监测盾构掘进过程

地表沉降监测：在区间隧道下穿铁路干线两侧范围内，垂直于盾构推进方向设置7道地表沉降观测断面，平行于盾构推进方向设置9道地表沉降观测断面，采用精密水准仪对布置的监测点进行监测，监测范围为盾构前20环，后30环，在盾构出洞后即开始监测，在盾构推进期间正常情况下2次/天，施工区域30～100米以远的已完成区段1次/周，1个月后且沉降速率小于3mm/周监测频率为1次/月，必要时可根据工程情况调整监测频率，以满足保护环境的要求；

线路沉降监测：在盾构推进前先在地面上布置好变形监测点，在穿越区设置3道横向沉降监测断面，即铁路上下行线路中心各设置一个断面，铁路上下行线线路之间设置一个断面，沉降点位采用钢深层沉降点，横向监测断面上监测点布置及监测频率与地表沉降相同；

在建隧道(环片)沉降监测：沿着隧道推进方向在隧道的管壁上布设沉降监测点，在进、出洞50环范围内，每隔5环布设一沉降监测点，在其他部位每隔10环布设一沉降监测点，隧道沉降监测与隧道施工过程同步进行，每次监测范围为新施工区段100环，前期已完成区段100环；监测频率为：距推进面100m范围内1次/周，距推进面100～200m范围1次/15天，距推进面200m以外已完成隧道，连续2次本次沉降＜3mm，监测频率降为1次/月，否则1次/15天，隧道贯通后一个月一次，直至隧道初次结构验收；

已建隧道变形监测：对盾构推进切口前20m、盾尾后30m内已建隧道进行监测，监测频率1次/天，在变形值超报警时要增加监测频率，2次/天，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率；

周边深层土体监测：对盾构推进切口前20m、盾尾后30m内周边深层土体进行土体深层测斜、土压力、空隙水压力、分层沉降等监测断面进行监测，监测频率1次/天，在变形值超报警时要增加监测频率，2次/天，根据沉降量及沉降速率及时调整监测频率。

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