【经验分享】盾构连续下穿铁路股道群及站房施工重大风险控制实例

引言

我国城市轨道交通建设中，地铁线路往往需要穿越铁路股道或站房等建构筑物，对正常运营的铁路既有线安全带来较大的风险。而盾构法施工凭借其安全可靠、施工效率高、占用空间小,以及对周边环境影响小等优势,在地铁建设中被普遍采用。

在盾构法隧道施工穿越铁路股道以及站台站房等建构筑物时，关键是既需要保证隧道正常施工,还需要保证铁路既有线的运营安全。这就对盾构穿越时铁路路基和各种建构筑物的变形，提出了非常严格的要求。如何对这一类的安全风险进行辨识评估和管控，是防范发生铁路运营重大安全事件事故的关键。

本文以同是科技参与的合肥轨道交通某线两站区间盾构连续下穿铁路股道群及站房施工为依托，详细总结了隧道施工涉铁风险的辨识评估方法和管控措施，为后续类似工程的安全风险辨识评估和管控提供参考与借鉴。

工程概况

01区间概况

某两站区间，采用盾构法施工。线路以28‰的坡度向下下穿高架桥及居民楼后，然后以4.5‰和26.597‰(右线27.484‰)的向上的坡度下穿火车站无柱雨棚、股道群及站房，与既有的两期工程相衔接。线路共设两组R=5000、一组R=3000的竖曲线，区间隧道为两条单洞单线圆形隧道，线间距为15～18.4m，最小曲线半径为362.5m。

该区间盾构机下穿铁路节点工程为国内首次在无预留条件情况下，近距离正下方穿越铁路站房结构物，具有工程实施风险高且组织复杂的特点，是合肥轨道建设历史上面对的最难考验。

区间隧道平面示意图

02下穿股道群及相关建构筑物概况

1)下穿无柱雨棚桩基

区间采用盾构法下穿无柱雨棚桩基，桩直径为∅800mm和∅500mm钢筋混凝土钻孔灌注，桩长28m和30m，区间下穿2根废弃的无柱雨棚桩基，直径600mm，桩长30m，与顶部承台未连接，沿隧道方向布设，桩间距1.5m，两根桩均位于隧道一侧，，桩边缘距离隧道中心2.0m。盾构下穿施工时，利用刀盘及刀具特性将其切断。

区间隧道与无柱雨棚桩剖面位置关系示意图

2)下穿站台及股道群

区间在里程ZK16+550～ZK16+700段左线以R=371.5m(右线为R=362.5m)的平面曲线正穿12股道，站场股道(碎石道床)，隧道顶外皮竖向与股道距离约12.905m～14.041m。线路到达下穿段后以4.5‰与26.597‰(右线27.484‰)向上的坡度下穿股道群到达火车站，共设两组R=5000m、一组R=3000m的竖曲线。

3)下穿站房

区间隧道从已建成的车站出站后，直接下穿火车站站房，在隧道下穿影响范围内的站房基础一共55座，其中独立基础32座，人工挖孔扩底墩基23座，下穿桩基6根，位于盾构区间影响区域内的桩共有12根(影响区域按区间往外6m考虑)，盾构下穿前站房采用灌注桩和承台梁加固处理，盾构隧道侧穿新建桩基。隧道顶外皮距离人工挖孔桩桩底竖向距离6.153m，距离独立基础底竖向距离5.683~8.135m。

区间隧道与站房基础平面、剖面关系图

站房基础与隧道位置关系剖面图

工程地质

区间隧道上方主要为粉质黏土填土①2层、杂填土①1层、粉质黏土②层、粉质黏土③层，隧道洞身主要穿过黏土③层。场地无不良地质作用，场地内主要特殊性岩土为填土、膨胀土、风化岩。

水文条件

该两站盾构区间，勘察深度范围内主要赋存三层地下水，地下水类型为上层滞水(一)、承压水(三)和基岩裂隙水(四)。

上层滞水(一)：主要接受大气降水、管沟渗漏、绿化灌溉补给，主要以蒸发的方式排泄。随季节大气降水及管道渗漏的变化而变化，并受到地面环境变化的影响，不具有明显的规律性。

承压水(三)和基岩裂隙水(四)：主要接受越流、侧向径流补给，主要以侧向径流的方式排泄。受大气降水垂直渗入等的影响较小，年变幅约为1～3m。

风险源辨识与评估

根据风险评估的目的和对象的不同，有多种的风险评估方法。依据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB50652—2011)和合肥地铁已运营的线路项目的实际情况，采用基于层次分析法(AHP)与专家打分法的综合集成风险评估法，辨识出该区间施工阶段涉铁主要风险源评估统计如下：

区间涉铁主要风险源评估等级

重点防控措施

01管理措施

1)建立安全管理体系，强化人员素质培养。为了确保安全管理“横向到边、纵向到底”，安全管理层次无脱节遗漏，同是科技协助建设单位，在合肥轨道建立了集团-建设分公司-标段施工单位项目部三级安全管理体系，颁布若干安全风险管理制度，建立健全安全生产责任制。同时根据建设单位实际需要，强化人员素质培养，多次开展专家培训会、专家巡检等工作，使得安全风险管理体系运行充分、有效。

2)重视核查现场风险，定期开展安全风险评估。施工前期，同是科技结合设计文件，多次组织人员对该区间沿线的建(构)筑物、管线等周边环境进行梳理、调查，详细记录了每栋建筑的结构、基础类型、深度及与隧道的距离等。同时利用公司后台专家力量，组织开展涉铁施工安全风险评估工作，全面辨识、分析、分级、评估涉铁施工风险，并制定针对性的风险控制方案和管控措施。

3)重视交底，与参建各方共同提升风控意识和能力。要管控好风险，就需要提高参建各方的风控意识和能力。做细做实安全风险交底、掌握和严格执行风险管理相关规范和办法等是有效的途径。同是科技结合国家法律法规、合肥轨道集团相关制度文件、前期线路日常风险管控工作中存在的具体问题，统计分析、精心准备交底材料，施工前，在集团安质部的主持下，对区间涉铁施工相关单位进行详细的风险交底及警示教育，进一步推动各方风控意识和能力的提升。

4)以多种形式对重大风险源和关键节点实施管控。①每一重大风险源或关键节点通过或施工之前，同是科技首先要提前下发风险警示工作联系单，包括重大风险源管控，以及盾构的接收始发、联络通道的暗挖、盾构机非正常长时间停机等风险警示，也涉及风险事件或工程异常警示。②针对区间下穿铁路及站房设计一级风险，同是科技及时组织人员编制专项风险评估报告，在掌握专项施工方案的基础上，提出了一些针对性的管控措施。③特别重视数据异常或预报警警情分析会、专家评审会，共同分析原因和制定措施，并跟踪后续措施的落实，为消警和恢复数据正常，发挥了非常重要的作用。④注重轨道交通建设应急管理工作，积极协助建设单位开展对轨道交通建设及运营安全风险的辨识和评价，完成合肥市政府轨道交通建设和运营专项应急预案的编制、专家评审及发布工作。

5)以巡查问题为导向，注重整改闭合。在加强重点风险和重点标段管控的同时，同是科技在区间涉铁施工期间，开展了全方位的安全风险评估咨询及现场服务。坚持风险管控和隐患排查相结合，每周对全线重要工点或Ⅱ级以上风险点完成两次以上全覆盖巡检，下发整改通知单并督促整改闭合。

6)监控量测及地面巡查控制。为保证营运铁路的行车安全和正常运营，在隧道下穿铁路期间，监测单位和第三方监测单位严格按照施工监测方案确定的监测项目和监测频率进行监测，核对盾构机与地面铁路的精确相对关系，并及时将监测信息反馈到相关参建单位。其中铁路围墙内的路基、轨道、站台、接触网立柱、进站天桥柱、无柱雨棚柱监测采用全自动化监测，全自动化监测为实时监测，监测基本频率为1 次/2h;非实时监测的项目为站房框架柱、围墙、围墙外的地表。施工过程中，每次进行现场监测的同时进行巡视检查，特殊情况加密巡视频率。现场安全巡视完毕之后，进行资料整理，形成文字报告记录在监测日报里，报告内容包括：巡视时间、巡视地点、巡视对象、巡视内容、存在问题描述、原因分析、安全状态评价、采取措施建议等。

7)信息化施工。①在穿越阶段安排24小时在地面安排值班人员，洞内配备对讲机、固定电话、无线网络，现场可通过对讲机、电话、无线网络随时向盾构作业面反馈最及时的地面信息，同时，盾构主控室的电话保证24小时畅通。值班技术在每环掘进完成后将每环信息通过微信的方式向相关人员进行汇报。②依托盾构及掘进技术国家重点实验室 “智慧盾构TBM工程大数据平台”在主要负责人手机、电脑上进行安装，对盾构掘进情况进行实时监控，做到发现异常及时下达指令，将隐患遏制在初始阶段，确保穿越施工安全。③自动化监测系统。该项目采用基于云平台的物联网综合管理系统，对施工、运维等数据进行集约化管理;以计算机终端、手机客户端等形式为管理部门不同用户以不同权限层级的模式提供“智慧服务”，在风险事件条件下，及时通过手机短信、客户端信息等形式向用户提供预警和报警信息。自动化监测系统具有集成化、一体化的特征，具有遥测、遥控、数据远程传输、预警、一体化网络功能。在实际工程运用中更能体现其优势，通过自动化监测系统可以对监测目标实时监控。不同时段监测数据自动传输至监测平台，进行数据存储、查询和比较验证。并且可以借助系统，迅速对不同时段、不同监测区域数据进行比较、分析，从而可以更为直观和全面的把控监测目标的变形状态，对结构健康状态进行评估,及时向施工、设计、运营单位反馈信息，可以确保施工过程中行成更为及时有效的信息反馈机制，可以确保工程顺利进展。

8)自项目开工建设以来，合肥轨道集团带领参建单位提前筹划，在合肥市人民政府、中国铁路上海局集团以及相关单位的大力支持下，积极协调沟通，先后8次赴中国铁路上海局集团进行沟通，召开了6次专家审查会，组织召开现场协调会18次，为下穿铁路工程的顺利推进奠定了坚实基础。

9)合肥轨道集团带领参建单位提前制定盾构涉铁施工方案，编制盾构机吊装、始发、掘进、穿越风险源、接收等各项专项方案，多次开展专家论证，为施工提供了切实可靠的技术保障。

10)新建合肥站安全生产指挥中心，将施工区域相关人员、设备搬迁至此，并在合肥站南广场修建临时过渡站房，乘客改由临时过渡站房进站，在确保盾构下穿安全的前提下，也保障了合肥站日常运营正常。

02技术措施

首先，盾构机的适应性、刀盘选型、刀具合理配置是关键，其专项方案必须经过专家评审。其次，控制掘进土压和渣土改良，是维持开挖面稳定的重点之一。由于在盾构开挖行进时，盾体上方土体与盾体外壳间存在间隙，而此时同步注浆浆液无法支撑该范围土体，因此要确保盾体上方土体稳定。再者，壁后注浆是控制地表沉降的另一个关键点，须在施工中加强同步注浆、二次补充注浆的管理。同时，区间穿越段位于平面R=371.5/362.5m圆曲线上，小曲线半径施工中，必须保持盾构掘进姿态的稳定性、减少因纠偏造成的超挖现象、控制成型隧道质量、加强管片防水管理。

1)设置试验段，优化施工参数。穿越合肥站股道群前100m设置掘进试验段，取得最优施工参数，主要包括盾构掘进姿态、总推力、扭矩、土舱压力、碴土改良、注浆量及出碴量等，并形成总结报告，为盾构下穿施工提供参考。

区间下穿国铁试验段拟掘进参数

2)盾构姿态控制。该区间盾构涉铁段最小平面曲线半径R=362.5m，在缓和曲线段提前调整掘进姿态，确保盾构平稳进入R=362.5m曲线，并将盾构姿态调整至最佳，调整掘进水平轴线向圆曲线内侧偏移20-30mm，垂直轴线下偏15-30mm。掘进过程中，值班技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘探、测量数据信息，正确下达每环掘进指令，并及时跟踪调整。严格控制纠偏做到勤纠缓调，并控制每环纠偏量不超过3mm，当姿态初始出现的小偏差应及时纠正，尽量避免盾构机走“蛇”形，减小对土体的扰动，达到减小地面沉降的最终目的。施工中，加强对管片的监测工作，以期指导调整盾构机姿态，如果出现管片上浮和下沉量突变，则应加大监测频次，并采取二次注浆的方法对管片进行稳定，防止情况进一步恶化。确保盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频。每隔5环检查管片的偏移量，隧道轴线和盾构轴线折角变化不能超过0.4%。避免盾构与管片间夹角过大造成土体损失，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土箱数和千斤顶行程逐渐变化。

3)管片拼装控制。管片在拼装过程中必须控制以下几点：①在拼装过程中要清除盾尾拼装部位的垃圾，同时必须注意管片定位的正确。②千斤顶应按拼装管片的顺序相应缩回，严禁大面积缩回千斤顶。③拼装好后及时靠拢千斤顶，防止盾构后退。④环面平整度：每环管片拼装前检查环面平整度，相邻块管片的错台应小于5mm，以免邻接块接缝处管片碎裂。⑤相邻环高差控制：相邻环高差量的大小直接影响到建成隧道轴线的质量及隧道有效断面，因此必须严格控制环高差。相邻环管片高差≤5mm。⑥纵、环向螺栓连接：成环管片均由纵、环向螺栓连接，其连接的紧密度将直接影响到隧道的质量。因此每环拼装结束后应及时拧紧纵、环向螺栓，采用三次复紧确保隧道的质量。第一次复紧，拼装完复紧;第二次：管片脱出盾尾复紧;第三次：管片推出车架后复紧。

4)同步注浆量和浆液质量控制。针对区间下穿黏土地层，根据合肥市轨道交通施工以及其它经验数据，调整浆液配合比如下：稠度109mm;初凝时间5-7h;7d抗压强度为2.6～2.8MPa，28d抗压强度为3.8-4.1MPa。注浆压力，为防止管片上浮，采用上部两个注浆孔进行同步注浆，上部两个(1#、4#)注浆孔的压力控制在0.19～0.25Mpa，不同穿越阶段注浆压力控制参数不同。注浆量，在盾构掘进过程中，要及时进行管片背后注浆，必要时可采取多次压浆，确保回填充实。

5)二次注浆控制。在穿越期间，当衬砌脱出盾尾时采用单液浆结合双液浆的方式进行二次补强注浆，管片拖出盾尾5环后即启动二次注浆，隔环跟进注浆。在有超出土情况时，拖出一环即启动二次注浆。后续根据监测情况、渗漏水情况等分段、系统的进行再次补注。当监测数据出现较大变化时采用双液浆注浆方式，监测数据无异常采用单液浆二次注浆。单液浆水灰比为1.5：1。双液浆为水灰比1.5:1的水泥浆：水玻璃溶液=1:1，初凝时间约为20~40s。结合当前地层情况及环境条件，注浆压力不大于0.3MPa。

6)采用新工艺--克泥效工法。根据可借鉴的施工经验，盾构下穿时地表沉降主要表现在，盾构向前推进管片拖出盾尾的瞬间，通过常规加强同步注浆以及及时二次注浆的施工工艺，无法应对本工程施工要求。为此增加克泥效工法的应用，以降低对周边环境的影响。克泥效是由合成钠基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成。克泥效工法是将高浓度的泥水材料(克泥效水溶液，常用浓度为 400~500kg/m³)与塑强调整剂(水玻璃40be’)两种液体分别以配管压送到盾体径向孔处，再将该两种液体以体积比20:1的比例混合，形成高黏度塑性具有支撑力挡水性胶化体后，在盾构机掘进的过程中同步注入到盾体外，填充盾体与周边土体之间的间隙，起到在同步注浆浆液尚无法对开挖土体进行支撑时提前支护的作用。在克泥效注入的同时，浆液会渗入到周边土体中形成泥膜，可有效阻止后期浆液流失，提到注浆效果。通过克泥效浆液的注入在有效控制盾构推进时所引起的第三阶段沉降的同时，又能很好的辅助第四阶段沉降控制。

7)采用“新增桩基+预应力梁”的方法对下穿影响区域的原站房基础进行加固。由于原站房内空间有限，新增的37根直径800毫米、桩长约41米的钻孔灌注桩在地面以下10米采用人工挖孔方式进行施工，并埋设钢护筒。桩基施工完成并经过重重检验，强度达到要求后，在桩基上部进行后续承台及预应力梁施工，对预应力梁进行张拉及灌浆，同步对站房上部结构进行加固，确保盾构下穿过程中合肥站结构安全。

8)为确保盾构接收、吊装、运输安全，对接收洞门范围区域土体进行水平注浆并固结加固，注浆深度8米;对盾构接收吊装区域下方的广场地下停车库采用钢管对顶板主次梁节点进行支撑加固。

03应急措施

为了提高对突发事件的应急能力，在确保紧急情况下能向建设项目相关单位提供及时可靠的信息，有效预防人员的生命安全、企业财产的损失、保护生态环境和资源、把事故降低到最小程度。保证本工程有效不紊的实施，做到“安全第一，预防为主，综合治理”安全生产方针。成立了应急领导小组，精心组织编制应急预案。

1)综合分析，本项目在施工过程中可能存在以下风险点：①可能引起铁路管线破坏、线路隆起(或塌陷)。②铁路线路发生竖向位移，影响列车运行，若产生较大变形，则对列车安全行驶产生重大影响。③接触网立柱、进站天桥柱、无柱雨棚柱、站房框架柱若发生较大倾斜、沉降位移，给作业人员和行人带来生命危险。④影响周边公共设施安全。⑤上道作业车辆造成人身伤害。

2)根据风险分析结果，制定了铁路变形过大、地面、路基下沉、站房沉降超限、接触网沉降超限、雨棚柱沉降超限、盾构机大电中断、突发隧道涌水涌砂等专项应急预案，同时完善应急组织机构和应急队伍建设，并配备相关应急物资及设备。

3)定期组织开展应急演练及应急交底工作，使应急小组成员能够熟练掌握应急知识和应急处置技能。

小结

盾构隧道已逐渐成为城市轨交主要的施工方法，此类新建的盾构隧道近距离穿越既有铁路的案例越来越多，盾构穿越施工过程中如果对地层变形控制不当，极易影响既有运营铁路的安全。因此，在盾构穿越前，应制定既有铁路多重加固保护措施，确保铁路结构变形处于安全稳定状态。盾构穿越中，要采用智能监测系统进行全时段自动化监测，根据现场实时监测数据与盾构掘进参数结合分析既有铁路结构的变形特征。同时施工过程中应通过强化管理措施、技术措施及应急措施，以最大限度地满足施工要求，控制施工变形，合理节约成本，最终在确保地面建构筑物安全的前提下，实现盾构掘进安全平稳推进。