地鐵單護盾TBM區間上跨既有鐵路隧道施工控制技術研究

熊海濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

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地鐵單護盾TBM區間上跨既有鐵路隧道施工控制技術研究

熊海濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢430063)

依托重慶地鐵五號線單護盾TBM上跨既有鐵路隧道的工程實例，對單護盾TBM上跨既有鐵路隧道工程的風險進行分析，通過單護盾TBM姿態控制、隧底注漿加固、豆粒石吹填及回填注漿等施工控制技術措施順利上跨既有鐵路隧道。

地鐵單護盾TBM沉降姿態注漿

隨著城市地鐵的建設，所遇環境條件變化較多，需穿越障礙物種類繁雜，包括橋梁、隧道、房屋、河流、道路等，國內上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此類情況，多采用盾構穿越。以重慶地鐵五號線大竹林至人和站區間隧道上跨既有鐵路隧道為例進行分析，介紹上跨既有鐵路隧道的技術措施。

1　工程概況

1.1區間隧道與既有鐵路線關系

重慶軌道交通五號線人和站—幸福廣場站單護盾TBM區間隧道沿金開大道向東行進，右線在里程YDK17+199.29～YDK16+897.68、左線在里程ZDK17+823.25～ZDK16+926.96依次上跨渝懷上行線人和場隧道、渝懷下行線新人和場隧道、滬蓉鐵路人和場隧道后到達人和站。區間隧道與既有鐵路隧道豎向凈間距4.250～11.944 m，影響長度范圍19.41～40.06 m，區間隧道與既有鐵路線平面位置關系如圖1及表1所示。

圖1　區間隧道與既有鐵路線平面位置關系

表1　人和站—幸福廣場站區間上跨既有鐵路線情況匯總

1.2既有鐵路設計概況

(1)渝懷上行線

渝懷上行線人和場隧道起訖施工里程DK12+850～DK17+584，運營里程K12+765～DK17+499，洞身標0+000～4+734，與重慶軌道交通五號線TBM隧道交叉段圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳ級復合襯砌，混凝土強度等級為C20耐腐蝕混凝土。

(2)渝懷下行線

渝懷下行線新人和場隧道設計時速120 km，起訖施工里程DK12+795～DK17+566，統一運營里程K12+796～DK17+567，洞身標0+000～4+771，與重慶軌道交通五號線交叉段圍巖級別為Ⅳ級。交叉點里程原設計采用Ⅳ級曲墻復合式襯砌，混凝土強度等級采用C25耐腐蝕混凝土

(3)滬蓉鐵路隧道

滬蓉鐵路人和場隧道為時速200 km客貨共線鐵路雙線隧道，起訖里程K1662+854～K1667+304。與重慶軌道交通五號線交叉段圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳ級Ⅰ型襯砌，襯砌拱部、邊墻、仰拱采用C35鋼筋混凝土，仰拱填充C20混凝土，初期支護噴C25混凝土。

2　控制路基沉降軌道變形簡要措施分析

單護盾TBM施工對鐵路的影響主要包括路基沉降和軌道變形，其中軌道變形是控制鐵路行車安全的主要因素。對于有砟軌道的路基沉降，可以通過回填道砟、補充注漿等方式予以補充，所以普通鐵路路基沉降要求不高。《鐵路路基設計規范》(TB1001—2005)[1]中7.6.2條規定，一級鐵路路基沉降量≤20 cm、沉降速率≤5 cm/年。《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)[2]中規定：對于有砟軌道，設計速度為250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm，沉降速率≤3 cm/年。

施工中以軌道沉降變形為實際控制標準，根據2006年鐵道部發布的《鐵路線路修理規則》(鐵運[2006]146)[3]，適用于1435 mm標準軌距和線路允許速度為200 km/h及以下的線路。規則第6.2.1條規定了線路軌道靜態幾何尺寸允許偏差范圍管理值。高速鐵路還要遵守《高速鐵路設計規范》的相關要求，同時應以鐵路運營單位的實際軌道平順性管理數據為準。

如表2，通過渝懷上下行線、滬蓉鐵路風險識別與分析結果可以看出，區間隧道上跨鐵路隧道段圍巖條件較好，覆蓋層厚度相對較厚，各風險事件的初始風險等級均為中度。根據風險接受準則，需在加強施工控制和管理的同時，實行過程動態監測，施工及運營中發現異常情況及時采取必要的處理措施以降低風險，將殘留風險等級降低至可接受范圍。

風險事件處理措施見表3。

3　單護盾TBM上跨既有鐵路隧道施工方案

基于本工程上跨既有線路隧道段地質條件較好，對渝懷鐵路上、下行和滬蓉鐵路3座隧道影響較小，上跨掘進將充分發揮單護盾TBM施工速度快(破巖、出渣、支護和襯砌一次成洞)、超挖小、對圍巖擾動小的優勢，立足于現有單護盾TBM施工工藝，遵循“均衡連續通過”的原則，重點加強掘進參數控制(推力、扭矩、轉速等)、工序銜接及設備管理，嚴格控制掘進姿態偏差和出渣量，盡量減少對地層的擾動和對既有鐵路隧道的影響。

表2　單護盾TBM上穿既有鐵路線初始風險等級匯總

表3　單護盾TBM上跨既有鐵路線風險事件處理措施

單護盾TBM上跨過程中，在既有隧道內交叉里程斷面上設置監測點，監測既有隧道的變形等情況，及時監測新建隧道對既有隧道產生的影響，并做好應急預案及搶險物資準備。施工過程中既有隧道監測值達到閾值時，應立即停止施工，及時預警，分析查明原因，采取相應可靠的措施進行處理。

掘進過程中，按照低推力、低扭矩勻速連續掘進的原則，管片安裝完畢后及時進行背后豆礫石吹填及回填灌漿施工。根據咨詢報告建議，軌道五號線隧道與既有滬蓉鐵路之間凈距較近，在單護盾TBM施工過程中，應對底部圍巖進行填充注漿。

上跨鐵路段分左、右線進行異步單護盾TBM法施工，上跨三條既有隧道施工分五步進行，施工步驟如圖2所示。

圖2　左、右線單護盾TBM施工步驟

①右線第一步掘進通過渝懷上行隧道20 m；②右線第二步掘進通過渝懷下行20 m+左線第一步掘進至渝懷下行隧道前30 m；③右線第三步掘進通過滬蓉鐵路20 m+左線第二步掘進至滬蓉鐵路前30 m；④右線第四步單護盾TBM進入正常段掘進+左線第三步掘進通過滬蓉鐵路20 m；⑤左線第四步單護盾TBM正常段掘進。

4　具體施工控制技術

4.1單護盾TBM掘進參數設定

單護盾TBM上跨既有鐵路隧道過程中，掘進參數的選擇遵循“四低一連續”(即：低轉速、低貫入度、低推力、低扭矩、連續掘進)的原則，盡量減少刀盤對地層的振動和擾動[8]。

(1)掘進推力

單護盾TBM依靠主推進油缸推力向前推進，推力的大小與單護盾TBM掘進所遇到的阻力有關，正確使用主推進油缸是單護盾TBM能否沿設計軸線(高程)方向準確前進的關鍵。因此，在每環推進前，應根據前面幾環推進的相關參數，分析單護盾TBM趨勢，正確選擇主推進油缸的編組，合理地進行糾偏。本單護盾TBM設計額定推力為3 900 t，正常段推力為900～1 700 t。根據前期類似地層施工經驗，上跨鐵路段推力應控制在額定推力的20～30%以內，即780～1 200 t。

(2)掘進速度

掘進速度是單護盾TBM掘進施工中一個重要的管理值，決定了單位時間進入刀盤的渣土量、單位時間管片脫出盾尾的長度和開挖面到結構完成面的過渡時間。掘進速度加快，可有效提高施工效率，減少圍巖收斂時間，從而控制地面沉降；而掘進速度過快，又容易造成皮帶機出渣能力不夠，造成刀盤被卡[11]。

已掘進段正常速度為40～60 mm/min，根據已掘進段施工經驗和地質情況，上跨鐵路期間掘進速度擬定為20～30 mm/min左右。

(3)刀盤轉速

刀盤額定轉速為5～6 rad/min，正常掘進段刀盤轉速為4.0～4.5 rad/min，上穿鐵路段刀盤轉速控制在3～3.5 rad/min。

(4)刀盤扭矩

刀盤額定扭矩為4 000 kN·m，正常掘進段刀盤扭矩為900～1 300 kN·m，上穿鐵路段總扭矩控制在700～1 100 kN·m。

4.2管片底部固結灌漿

單護盾TBM隧道與既有滬蓉鐵路之間凈距較近，圍巖有節理裂隙及遇水后的軟化，在單護盾TBM的施工過程中，應對底部圍巖進行填充注漿。

(1)填充注漿方案

管片底部注漿填充范圍主要為隧道拱底90°范圍，鉆孔深度1 m，線路方向鉆孔注漿間距3 m，隧底注漿填充如圖3所示。

為了滿足注漿需要，單護盾TBM通過既有鐵路過程中，全部拼裝增設預埋注漿孔管片，每環16個注漿孔，通過注漿孔向隧道外圍地層打設注漿管注漿[7]。

圖3　隧底注漿(單位：mm)

(2)注漿參數

注漿材料：地層注漿加固以水泥漿液為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔，水泥漿采用水灰比0.4∶1～0.6∶1的水泥單液漿，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；水泥漿∶水玻璃=1∶(0.5～1.0)。終注標準：注漿壓力達到1.5 MPa，并持續注漿10 min以上，進漿量小于5 L/min；注漿參數調整選擇3～5個注漿孔位進行。

4.3豆礫石吹填與回填灌漿

單護盾TBM施工引起的建筑空隙、地層損失和單護盾TBM隧道周圍巖體受擾動或受剪切破壞是導致地層沉降坍塌的主要因素。在單護盾TBM施工中，通過同步豆礫石吹填與回填灌漿使管片和巖體形成穩定的整體，可以有效抑制地層沉降。因此，在單護盾TBM上跨鐵路隧道過程中，要確保及時、充足的豆礫石吹填與回填灌漿。

(1)豆礫石吹填

豆礫石底拱回填堅持“脫離護盾一環就必須回填一環”的原則進行。豆礫石回填工藝原理是將豆礫石運輸罐車與豆礫石噴射機上料系統聯接，打開放料閥使豆礫石放入皮帶機的上料口，啟動皮帶機將豆礫石輸送到豆礫石噴射機上方料斗，通過控制料斗下方的放料閥門，將豆礫石均勻輸送到豆礫石噴射機接料口，在放料的同時啟動豆礫石噴射機，這時豆礫石有序的分配到豆礫石噴射機內各料腔，通過壓縮空氣，豆礫石經管道壓送到噴頭至管片外側與圍巖之間的空腔中。

為確保豆礫石吹填飽滿，防止管片受力不均發生側向偏移，豆礫石吹填時采取自下而上、兩側對稱的施工工藝，如圖4、圖5所示。

圖4　底拱豆礫石回填效果

圖5　兩側拱豆礫石回填效果

(2)回填灌漿

一次注漿后，可能存在局部不均勻空腔現象。為提高背襯注漿層的防水性及密實度，在拖車后部進行二次補充注漿，使注漿體充填均勻，形成穩定的防水層，達到加強隧道襯砌的目的。

5　結論

目前該區間已順利貫通，區間橫向及高程貫通測量及管片成型環徑向偏差均在允許偏差范圍內，單護盾TBM掘進隧道水平凈空收斂、隧道變形測量、地表(地面)沉降、地面臨近建(構)筑物監測符合城市軌道交通監測技術規范。綜合考慮以上措施，在隧道掘進過程中做好監控量測，控制好掘進參數和注漿加固等，可以確保隧道施工過程中鐵路的正常運營和區間施工安全。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2006]146號鐵路線路維修規則[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50911—2013城市軌道交通工程監測技術規范[S].北京：中國建筑出版社，2013

[5]GB 50446-—2008盾構法隧道施工與驗收規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2005

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[7]王偉忠.盾構下穿既有鐵路線路地基加固方案與效果分析[J].鐵道建筑，2007(12)：63-65

[8]張飛進.盾構隧道穿越既有線施工控制措施研究[C]∥隧道、地下工程及巖石破碎學術研討會論文集.大連：大連理工大學出版社，2007：176-180

[9]張舵.地鐵盾構區間穿越既有鐵路技術措施研究[J].鐵道標準設計，2013(2)：81-84

[10]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50715—2011地鐵工程施工安全評價標準[S].北京：中國計劃出版社，2012

[11]仲建華.城市軌道交通工程硬巖掘進機(TBM)技術[M].北京：人民交通出版社，2013

[12]TB10012—2007鐵路工程地質勘察規范[S]

The Subway on Single Shield Tbm Interval Across Both Railway Construction Control Technology Research

XIONG Haitao

2015-02-25

熊海濤(1981—)，男，2005年畢業于西南交通大學土木工程學院土木工程專業，工程師。

1672-7479(2016)02-0103-04

U455.43

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