【摘要】随着我国城市生活水平的不断提高，地上出行已经远远达不到城市内的需求，因此地铁也就成为人民不可或缺的出行方式，虽然有着基建狂魔支撑的庞大队伍，但与此同时我们也面临着新的难关需要攻克，下穿既有高速公路工程项目也比比皆是，下穿工程面临的对既有高速公路运营和结构安全影响问题也就日益突出。成都轨道交通9号线元华停车场9号线一期出入场线为三线三洞隧道，从西到东分别为西出入场线、东1出入场线、东2出入场线，西出入场线沿西北方向行进接入益新大道站，东1、东2出入场线沿东南方向接入元华站。三条出入场线区间平面垂直（平面夹角约90°）下穿通过成都绕城高速公路（里程范围：MK42+380~MK42+430），下穿范围成都绕城高速公路主道和匝道均为路基段，位于白家场立交东侧附近，主道路基宽约52m~60m,中间隔离带宽约3m，匝道宽约9m，下穿段隧道采用盾构法施工，西出入场线与东1出入场线线间距为12m，东1出入场线与东2出入场线线间距为15m，隧道顶埋深约7.8m～13.8m，盾构管片顶面距路基面最小距离约为7.8m。。开工前项目部进行勘察与评估，针对盾构下穿全过程进行了软件建模数值模拟分析，优化技术施工方案，做好试验段试掘进，优化盾构机掘进参数。
【关键词】卵石土地层下穿高速公路路基盾构施工掘进参数施工监测
作者简介：廉春雷；中铁六局集团有限公司交通工程分公司
doi:10.12159/j.issn.2095-6630.2020.02.1711
1前言
现阶段，邻近既有线工程加固采取钢板桩、绣花管、深层搅拌桩、注浆等技术措施对高速公路路基及进行加固，公路管理部门也倾向于采用技术安全可靠的措施对高速公路进行加固，以减小邻近既有线工程施工对高速公路的影响，这也是既有线施工审批的必不可少前提条件。成都地区穿越高速公路路基一般采用深层注浆对对路基进行预加固，虽然这项技术比较成熟，但造价较高的同事，还有一个限制工程进展的因素，路面施工需要改路、封路，对成都市民的出行造成很大的影响，影响高速公路运营，与此同时还也会给施工人员带来人身伤害的可能，经过现场调查评估，路基两侧开挖基坑，做好安全防护，路面以下3.5m处从两侧向路基中部打入Ø146间距300mm的大管棚，进行超前支护，我们针对盾构下穿高速公路路基进行软件建模数值模拟分析，提出了卵石土地层下穿高速公路路基的预加固盾构施工关键技术，降低了下穿高速公路施工对公路正常运营的影响，保证了盾构下穿公路路基施工安全及公路运营安全。
2工程简介
成都轨道交通9号线元华停车场出入场线盾构区间东1线隧道长1822.2m、东2线隧道长1804.8m，隧道外径6m、内径5.4m，采用1.5m宽钢筋砼管片错缝拼装。盾构进洞75m后双线隧道垂直下穿绕城高速管棚施工基坑，双线区间隧道下穿铁路长度均为60米，线路设计均超过19‰，最大纵坡达到37.4‰，盾构下穿绕城高速段整好在最大纵坡范围内。如图1
图1：华停车场9号线出入场线下穿绕城高速平面位置示意图
3盾构下穿绕城高速数值模拟分析
为分析清楚盾构下穿掘进对成昆铁路的影响，采用FLAC3D软件，通过地层结构分析方法，建立有限差分模型进行施工过程的仿真模拟及有限元强度折减过程的模拟。
3.1安全评价标准的确定
根据《公路路基设计规范》中路基工后沉降控制限值的有关规定
3.2数据建模及计算分析
元华停车场9号线一期出入场线为三线三洞隧道，从西到东分别为西出入场线、东1出入场线、东2出入场线，由于下穿绕城高速段的三条隧道平行，且两两之间的线间距基本接近，故建立东1、东2出入场线数值平面模型以模拟下穿隧道对上部绕城高速公路路基的沉降影响，以及盾构在先后开挖的过程中两两之间的相互作用。东1出入场线与西出入场线的相互影响可参考此模拟结果，如图2。
图2东1、东2出入场线数值计算模型
盾构施工过程中地层位移如图3所示。
a）左洞开挖后
b）右洞开挖后
图3盾构下穿成都绕城高速施工中地层竖向位移云图
元华出入场线下穿绕城高速公路路基段，隧道埋深较小（稍大于D），盾构下穿使得地表发生轻微沉降，沉降最大处为拱顶上方，最大沉降约3.2mm，在工程允许范围内，不影响绕城高速公路正常使用功能。同时通过数值模拟计算可知对地层进行注浆后，地面沉降明显减小。
4、盾构下穿高速施工方案
本区间选用的土压平衡盾构机，是推进时靠由刀盘切削下来的土体经改良，使开挖面地层保持稳定的一类盾构，盾构推进时，前端刀盘切削土层，切削下来的土体进入密封土仓，当土仓内的土体足够多时，可与开挖面上的土、水压力相抗衡，使开挖面地层保持平衡。盾构设有螺旋输送机，由其将渣土排送到土箱，运至地面。螺旋输送机的排土口上装有滑动闸门或螺旋式漏斗，以控制出土量。在盾构掘进过程中向开挖面加压灌注水、膨润土浆、高浓度泥水和泡沫等，同时靠刀盘和搅拌翼混合搅拌切削下来的土体，使之具有止水性、流动性。使得切削下来土体能够顺利排出，又能提供压力，与开挖面的水、土压保持平衡，使开挖面保持稳定的目的。
4.1开挖面稳定控制
沉降控制的关键之一是开挖面的稳定控制。开挖面的控制是个系统控制过程，涉及水土压力控制、出土量控制、添加剂的使用控制等等掘进参数的控制和优化，而掘进参数优化的基础又来源于施工过程中对沉降数据的分析、沉降规律的掌握、土压波动的控制程度和稳定程度的评估等。盾构施工作为一种动态的施工控制过程，在下穿高速公路之前的50米的施工技术管理的成果对穿越施工具有很大的指导作用，必须加强前期的施工技术管理。
4.2添加剂的使用管理
添加剂的合理使用是确保盾构顺利掘进、维持开挖面稳定、实现均衡连续盾构施工的关键。盾构司机和值班工程师在盾构机掘进时，随时观察和分析扭矩、推力、土压及波动、螺旋输送机排出土的状态（即塑流性），对泥浆/水、泡沫的加入方式、部位、加入量、参数设置等进行调节和控制，并始终让刀盘及螺旋输送机工作油压保持正常的数值。根据该段区域的实际情况，加入适当的添加剂可以使土体的塑流性得到较大的改善，保证掘进的正常进行，使得盾构前方土压保持稳定，较好的控制地面的隆陷。
在泡沫参数设定方面，盾构操作手应密切注意实际出土状况，土压变化，刀盘及螺旋机的工作状况来及时调整泡沫流量、FER和FIR的值。泡沫加入不足，排土困难，还容易在刀盘中心形成泥饼；泡沫加入过多，对土压维持不利，也是浪费。所以要根据穿越高速之前的50米段积累这方面的施工参数，确定一个最佳的泡沫添加参数值。
4.3壁后注浆控制和管理
壁后注浆的质量和效果是地表沉降控制的另一个关键点，为了确保浆液能及时填充管片壁后形成的空隙，并保证充填度和压力，需采取同步注浆为主，辅以二次或三次注浆的措施，并合理确定注浆的点位、时机、压力和量。同时根据掌握的反馈信息及时调整浆液的配比，使浆液的配比更科学、更合理。为保证浆液的质量，要对制备浆液的原材料进行严格控制，要定期测定浆液的坍落度、粘性、离析率、凝结时间、抗压强度等。
在掘进过程中有可能有盾尾密封刷漏浆而造成实际注浆量不够的情况,所以在掘进过程中,如果发现有漏浆情况,应及时停止掘进,手动开启盾尾油脂注入系统,密封刷停止漏浆后再掘进.
为了确保注浆的效果能达到过高速的要求，在过高速之前的50米施工中，设置两个各25米的区段实施该注浆方案，总结积累注浆压力和注浆量的参数，并根据实际的地面监测来控制注浆量和注浆参数，以便确保通过安全。
5、盾构下穿高速施工技术措施
穿越高速公路成功的关键点之一是在距离公路之前50米作为试验段，施工积累的施工参数和经验，路基边坡预加固，土压力的控制，注浆压力的控制和管理，注浆方量的控制，添加剂的使用管理，推进速度的匹配，刀盘扭矩和转速度的控制等等在穿越之前应优化出最佳的控制指标和参考值，必须参考这些经验值再结合现场的施工状况和测量反馈回来的数据来指导穿越阶段的施工，具体控制措施如下：
5.1严格管理制度，做好详细的技术交底
在穿越高速路段之前严格施工生产管理制度，精心准备，精心施工，做到详细的技术、安全交底，施工现场围绕穿越高速施工服务，确保在穿越施工过程中安全、顺利、保质保量。
根据过高速之前的50米施工总结出来的经验数值，在过高速区域严格按照技术交底内容进行施工，技术交底内容应该包括：推力范围，土压控制范围，每环出土量，每环注浆量，泡沫添加比例，刀盘转速及扭矩控制范围等关键参数。
5.2精心施工准备和管理
现场管片准备：现场需保证有10环管片，并及时根据用量进行补充。
盾构施工耗材及周转材料准备：盾尾油脂2桶、润滑油脂2桶、泡沫剂1000升、轨道、轨枕，同时地面能保证有足够的存货。
管片螺栓，止水橡胶条，抽水水泵等其他日用配件及常用现场设备也应准备充分。注浆材料的水泥、粉煤灰、水玻璃、膨润土等。
地面渣土池及时组织外运，保证隧道内能及时出土。
设备准备包括：盾构设备本身的良好状态，施工现场的龙门吊、电瓶车、充电机等设备的完好性与良好工作状态，电闸箱等供电设施的安全与稳定。在此基础上，严格保证穿越高速的匀速、连续性，确保在穿越时不停机。
人员准备准备包括：在穿越高速路段过程中选择公司范围内最优秀设备操作手，包括盾构司机、设备维修与保养人员、管片拼装手等，在人员准备方面保证盾构穿越顺利实施。
除项目部正常上班人员外,特别要求晚上有项目领导值班,有紧急情况立即处理。测量人员加强测量，至少保证每天三次测量，必要是做到跟踪监测。晚上安排一个测量人员值班,负责盾构测量系统和必要的地面监测。
项目部领导:1人、测量队长:1人、盾构司机3人:白班夜班各1人,1人待命、管片拼装工3人:白班夜班各1人,1人待命
机械工程师及机修工:两班正常运转，必要的时候关键人员能及时到位电气工程施及电工工:两班正常运转，必要的时候关键人员能及时到位
施工队:两班正常运转,并每班预留2人机动。
5.3施工过程中严格控制掘进土压力
根据本工程穿越高速路段盾构隧道覆土深度，正常情况下盾构掘进控制土压（土仓顶部土压力）为1.2-1.4bar。土压升高或降低对地面沉降控制都是不利的，容易造成地面的隆起和沉降，所以在掘进过程中要严格保持掘进面的土压稳定，在穿越过程中控制掘进顶部土压控制为1.4bar左右。土压波动在±0.1bar范围之内，合理使用泡沫、膨润土等软土压，防止地下水的流失，确保盾构掘进开挖引起的沉降在允许范围之内。在停机的时候要派人密切注意土压的变化，超过预定的值要及时采取措施。
5.4严格控制出土量
根据盾构设计图纸，盾构每环的掘进长度为1.5m，掘进每环的原状土计算量为46m3。根据成都盾构隧道既有线实际盾构施工经验、成都地铁公司相关管理规定、本段的土质情况及添加剂使用情况，暂时考虑按1.2倍的系数计算，即每环需运输土方量为55m3。（根据添加剂使用情况调整），在盾构出土时严格控制出土量，按照土斗容积为16m3，每出一斗土,盾构进尺约40cm,掘进的时候按照进尺和土压均匀控制出土量。同时要注意出土量和注浆量的匹配。
5.5严格控制盾构掘进轴线
盾构轴线的控制是盾构工法的重点，是保证盾构顺利施工的重要因素。尤其在曲线掘进时必须注意以下几个方面：
①控制好掘进的技术参数，如土压、推速等。当土压过低时，不仅容易造成地层的沉降，而且对盾构轴线的控制也有影响，容易造成盾构下沉；另外注浆的位置及压力，注浆压力过大一方面对地层的扰动较大，另一方面也会使得盾构向注浆位置的反方向移动，不利于盾构的轴线控制；
②正确进行盾构千斤顶的编组及分区油压的控制，推进时对千斤顶选择的正确与否直接关系到盾构轴线的轨迹；
③合理使用盾构的铰接装置，当盾构偏离隧道设计轴线较多、盾构进行小半径曲线施工时或者盾构姿态极差时，通过调整千斤顶的编组与选择及分区油压控制都较难以达到目的时，可通过开启盾构铰接装置，具体的操作为：根据盾构的偏离程度计算盾构中折每一步的转折角度，先开启盾构的仿形刀进行超挖施工，超挖的长度一般为盾构的半个到一个盾构机身的长度，然后根据计算调整盾构的中折装置，再辅以千斤顶编组及分区油压控制，进行掘进施工，推进时根据盾构姿态的测量数据随时调整中折角度，直到盾构回到设计轴线上来。
5.6严格管片拼装质量的控制
首先进行盾尾间隙的测量，然后根据油缸行程、测量系统提供的参数和行进轨迹与趋势进行k块位置的选择。
管片拼装操作手在拼装之前，应检查管片、止水胶条有无破损情况，如有破损应修复，不能修复的应该更换管片，清理止水胶条上的泥沙等杂物（包括已拼装和等待拼装的管片）。清理盾尾内沉积的泥沙和污水。
在拼装的时候操作拼装机尽量柔和，防止管片之间剧烈撞击而损坏止水胶条和管片。纵向和环向管片平面平整，不错台。在每拼装完一块管片后，及时拧紧螺栓，在整环拼装完成后要对整环管片的螺栓进行复紧。在管片脱出盾尾后再次进行管片螺栓的复紧。
5.7同步注浆及二、三次补浆措施
在穿越高速公路施工时，对注浆的配比和注浆方式进行调整，将原同步注浆材料中的石灰置换为水泥以缩短浆液的初凝时间并提高浆液的初凝强度，具体浆液配比可参考为“水泥：砂：粉煤灰：膨润土：水=250：1000：350：35：400”，并加入适量改善水泥砂浆流动性的外加剂，如纤维束。应将初凝时间控制在8小时之内，现场提前做好浆液测试，并根据试验和试用结果进行优化。
为保证浆液在管片外充填密实，减小地面沉降，对盾尾后部5环以外的管片进行壁后二次补浆，注浆材料选用水灰比为1：1的纯水泥浆，注浆压力控制在3bar。
在施工过程中对注浆应加强管理，注浆操作是盾构施工中的一个关键工序。为防止土体挤入盾尾空隙，必需严格按照“确保注浆压力，兼顾注浆量”的双重保障原则，对注浆量一定要确保大于理论计算值的150%，并做好如下控制措施：
1）注浆操作必需有专人完成，在每环掘进完成后必需对注浆量进行记录，当发现注浆量变化较大时，应认真分析其原因，通过加大注浆压力等方法补注，当补注不能进行时必需及时进行二次（三次）补浆。
2）此区域盾构施工采用四点注浆，来控制成型隧道的质量。上部注浆压力调为2.8bar-3.2bar下部注浆压力调为3.2bar-3.5bar，注浆时一定要确保注浆压力，直到地层注满为止。
3）在每环管片拼装结束后，必须进行补浆，在盾尾压力达到设定压力后并维持相对稳定后，方可进行下一环的施工。且为缩短浆液凝结时间将浆液改为水泥砂浆，配比为将原配比中的粉煤灰更换为水泥。根据掌握的反馈信息及时调整浆液的配比，使浆液的配比更科学、更合理。为保证浆液的质量，要对制备浆液的原材料进行严格控制，要定期测定浆液的坍落度、粘性、离析率、凝结时间、抗压强度等。
三次补注浆安排在拖车中部或尾部处开始，视沉降监测情况确定，对每环管片的顶部预留注浆孔安装注浆塞进行注浆，注浆浆液为水泥-水玻璃双液浆。补注浆的压力控制在3.2bar-3.5bar。
5.8临时异常停机措施
（1）为保持开挖面的稳定，防止周围土体坍塌，将盾构机刀盘抱死，造成刀盘启动扭拒过大，在盾构机停机后，向刀盘和土仓内注入适量的泡沫及稠膨润土浆液，膨润土浆液建议配比为膨润土：水=300：700（重量比），膨润土浆需提前制备好并充分发酵。在停机期间，将土仓内的平均土压力建立在1.5bar以上；在注入膨润土浆液的过程中，同时旋转刀盘，使仓内的砂土与浆液充分混合，以利于在开挖面和刀盘四周形成泥皮，达到保持开挖面稳定的要求。
（2）在停机时间超过24小时以上时，为防止泡沫的消散，仅通过注入稠膨润土浆来维持开挖面的稳定，在停机期间应密切注意仓内土压力的变化，在平均土压力低于1bar时，特别上部土压低于0.6Bar时应及时补注膨润土浆液，以维持整个开挖面的水土压力平衡。
6、盾构下穿高速监测方案
6.1洞内观察及安全巡视
6.1.1洞内观察及安全巡视项目
主要项目为：①管片破损情况；②管片错台情况；③管片间渗漏水/沙/泥等情况；④盾尾漏浆情况。
6.1.2洞内观察及安全巡视频率
重点对掘进面5倍洞径内盾构区间隧道每天巡视一次，穿越期间4～6次/天，其余时间根据盾构区间隧道变形及巡视情况而定。
6.1.3洞内观察及安全巡视周期
盾构区间自身巡视在开挖后开始，区间隧道施工完成后停止。
6.2管片衬砌变形的监测
6.2.1监测内容
水平收敛和隧底隆起和衬砌以及管片的椭圆度。
6.2.2测点布置
盾构穿越及前后各15m直接影响范围内共布置管片衬砌变形监测断面3个，分别在路基前15m，路基正中，和过路基后15m处。
监测断面的拱顶（0°）、拱底（180°）、拱腰（90°和270°）处共埋设4个测点，分别为拱顶下沉、隧底隆起和水平收敛监测点。
隧道椭圆度监测为：通过上述四点量测管片衬砌横径和竖径的变化，并以椭圆度表示管片圆环的变形，实测椭圆度=横径－竖径。
6.2.3监测仪器及精度
管片衬砌隆沉及水平位移监测：全站仪及反射棱镜，监测精度：测角和测距分别为2.0″和2mm+2ppm。隆沉也可采用水准仪。
管片衬砌断面收敛变形监测：全站仪，监测精度：测角和测距分别为2.0″和2mm+2ppm；收敛计精度为0.06mm。
6.2.4监测频率
分别在衬砌拼装成环尚未脱出盾尾即无外荷载作用时和衬砌环脱出盾尾承受外荷作用且能通视时两个阶段进行监测。衬砌环脱出盾尾后1次/天，距盾尾50m后1次/2天，100m后1次/周，基本稳定后1次/月。
6.3高速公路路基监测
现场监测量测必须贯穿整个施工过程的始终，若破裂面范围超过图示，则向外均按5m一个测点布置，在破裂面范围内的路基均需进行监测，地表下沉点按普通水准基点埋设，并在破裂面以外3~4倍洞跨处设若干水准基点，作为各测点高程量测的基准，地表下沉量测应在开挖面前方2~3倍隧道洞径处开始进行，直到地表下沉基本停止，当监测数据出现异常时，应立即通知成都地铁公司及四川高速公路川西片区公司，以便采取措施，进行施工处理。
7、结论和建议
根据有限元数值模拟的计算结果，可以得到如下结论：元华出入场线下穿绕城高速公路路基段，隧道埋深较小（稍大于D），盾构下穿使得地表发生轻微沉降，沉降最大处为拱顶上方，最大沉降约6.2mm，在工程允许范围内，不影响绕城高速公路正常使用功能。同时通过数值模拟计算可知对地层进行注浆后，地面沉降明显减小。
盾构通过成都绕城高速时，在绕城高速路基两侧开挖沟槽，在路基以下3.5m处从两侧向路基中部打入Ø146间距300mm的大管棚，同时，应采取调整盾构相关掘进参数如推力、掘进速度等措施，精心施工，通过预制管片的增加注浆孔对隧道外一定范围土体进行洞内注浆加固。此外，施工前还应做好应急处理方案，准备好应急处理材料对付突发状况，做好地面跟踪注浆的准备,同时应加强对高速公路的监控量测。
参考文献：
[1]《中国隧道及地下工程修建技术》，王梦恕等编著，人民交通出版社，2010年
[2]《公路路基设计规范》