富水砂卵石地層盾構隧道穿越鐵路咽喉區道岔群技術研究

戴志仁， 任 建， 李小強， 王天明

(1. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043； 2. 陜西省鐵道及地下交通工程實驗室， 陜西 西安 710043； 3. 成都地鐵運營有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

近年來，成都地鐵建設規模與建設強度穩居全國第一，各類技術難題也不斷出現，比如側穿高層建筑的超載折算問題[1]、開挖卸載對基坑下方既有地鐵結構的影響問題[2]等，給參建各方提出了嚴峻的挑戰。成都火車北站位于老城核心區，地鐵5號線先后多次穿越運營中鐵路(含成綿樂客運專線，最高速度250 km/h，普速鐵路通過速度不超過60 km/h)，在蓉北商貿大道段穿越火車北站鐵路咽喉區道岔群，在常規縱橫抬梁(如D型梁)、吊軌等措施無條件實施的前提下，基于目前成都地區富水砂卵石地層盾構法隧道技術水平現狀，類似工況下要確保復式交分道岔5 mm以內的微變形控制標準，施工難度空前。

目前，大量學者對穿越鐵路工程進行了研究，也取得了相應的研究成果。王海祥[3]針對西安地鐵4號線黃土隧道暗挖穿越隴海鐵路道岔區，提出了D梁結合縱橫梁加固措施；任建喜等[4]針對地鐵盾構隧道下穿隴海鐵路進行了研究；陳周斌等[5]針對砂質粉土地層礦山法隧道下穿滬杭鐵路進行了研究；霍軍帥等[6]基于蘇州某地鐵盾構隧道下穿滬寧城際鐵路工程，驗證了板+樁組合結構措施的有效性，以及D梁(縱橫抬梁)加固措施的有效性。然而，目前的研究成果主要集中在穿越鐵路的常規加固措施與盾構掘進一般參數2方面。縱觀國內外穿越鐵路工程案例，在富水砂卵石地層條件下集中連續穿越鐵路咽喉區道岔群工程，尚屬首例。在連續穿越4組復式交分道岔的同時，需要克服富水砂卵石地層施工擾動明顯、地層沉降控制困難的難題，再加上復式交分道岔導致常規的縱橫抬梁或扣軌措施無法實施問題，須基于富水砂卵石地層特性，提出符合復式交分道岔變形控制要求的成套技術。

為確保本文研究的盾構隧道穿越咽喉區工程順利實施，首先，基于本工程復式交分道岔特性，提出符合鐵路正常運營要求的變形控制標準(變形速率不超過1 mm/d)；其次，提出達到富水砂卵石地層預加固效果的可靠措施(高精度超長大管棚、既有過鐵路人行通道加固與跟蹤注漿)；然后，提出盾構掘進參數控制要點(保壓掘進、盾構姿態控制及嚴控注漿參數、鐵路運營天窗期掘進施工等)；最后，基于鐵路安全運營需求，提出鐵路咽喉區保護應急預案。本文提出的綜合措施最終確保了安全穿越施工，其中富水砂卵石地層條件下超長大管棚關鍵技術的研究與突破，是確保咽喉區道岔群變形可控與鐵路運營安全的關鍵，可對類似工況下的大管棚加固技術積累經驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

成都地鐵某區間隧道主要走行于富水砂卵石地層，地下潛水位埋深約在地表下6 m(滲透系數約為20 m/d)，在距離火車北站約600 m處，沿商貿大道穿越鐵路咽喉區(道岔群)，隧道拱頂埋深10.8～17.8 m(見圖1)，咽喉區共涉及6股道(見圖2)，4組復式交分道岔(見圖3)，采用碎石道床，穿越段范圍約長50 m(采用加泥式土壓平衡盾構，隧道開挖輪廓直徑為6.28 m，管片外徑為6 m，壁厚0.3 m，1+2+3分塊模式，錯縫拼裝)。地層物理力學參數如表1所示。

圖1 區間隧道縱斷面示意圖

圖2 鐵路咽喉區情況

鐵路咽喉區為地面線，采用路基型式(碎石道床)，由北向南依次為成灌線、成灌聯絡線、寶成線上行線、寶成線下行線、牽出線與停車線。同時，商貿大道東西兩邊各有一條穿越鐵路的人行下穿隧道(見圖3—5)。

既有過鐵路下穿隧道采用頂推法實施、矩形框架結構形式(斷面凈空尺寸為2.5 m×6 m，壁厚0.4 m)，結構頂板與鐵路豎向凈距不足1 m，縱向分段(單節長度約6 m)，于20世紀80年代初建成投入使用。過鐵路下穿隧道工程實施期間，既有過鐵路人行通道暫停使用，待穿越工程完畢后再行鑒定。

圖3 鐵路咽喉區道岔群總平面圖

土層及其編號重度γ/(kN/m3)黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)側壓力系數K0壓縮模量ES/MPa土層厚度/m1-1填土188102.63.02-2粉質黏土19.737.117.10.406.00.62-9-1松散卵石200300.33203.22-9-2稍密卵石210350.30284.22-9-3中密卵石220400.253712.02-9-4密實卵石230450.248>20

圖4 下穿鐵路咽喉區道岔群縱斷面(單位： m)

Fig. 4 Longitudinal profile of turnout groups of railway turnout area (unit: m)

圖5 既有過鐵路人行下穿通道

Fig. 5 Existing pedestrian passageway crossing underneath railway

1.2 安全控制標準

為確保既有鐵路正常運營與公眾安全，尤其是客運專線(成灌線)，基于既有工程經驗與相關規范要求[7]，同時考慮到富水砂卵石中工程經驗相對欠缺，從嚴制定了盾構隧道穿越道岔區風險控制標準。

1.2.1 路基沉降標準

本工程穿越鐵路道床采用路基形式(碎石道床)，基于盾構法隧道掘進施工引起的沉降范圍，在參考既有工程經驗[3]的基礎上，得到鐵路路基允許最大沉降值，如表2所示。

表2既有鐵路路基允許最大沉降值

Table 2 Allowable maximum settlement values of railway subgrade

中心埋深/m允許最大沉降值/mm≤120km/h120～200km/h200～250km/h250～350km/h10～129.0107.0584.5503.03312～1410.8128.4705.4603.64014～1612.6149.8826.3704.24616～1814.41611.2937.2794.85318～2016.21812.7058.1895.46020～2218.02014.1179.0996.066

注： 表中速度為列車最高運行速度。

調研國內眾多下穿既有鐵路工程案例可知，一般施工中所選取的最大沉降變形速率控制值為5 mm/d。由于本工程為客運專線(最高速度250 km/h，普速鐵路通過速度不超過60 km/h)，且涉及高強度、大粒徑富水砂卵石地層，連續穿越范圍超過50 m，經綜合比選，同時結合鐵路部門要求，最終確定了道床沉降變形控制標準為3 mm、相應的沉降速率控制標準為1 mm/d。

1.2.2 交分道岔沉降標準

鐵路咽喉區涉及單開道岔與4組復式交分道岔(見圖3)，由于成灌線與寶成線在火車北站要停站(距離穿越位置不足1 km)，考慮到成灌線為市域鐵路，基于既有工程經驗與規范要求[8]，制定了本工程交分道岔(軌道)變形控制標準為3 mm，變形速率控制值為1 mm/d。鐵路軌道靜態幾何尺寸容許偏差值如表3所示。

綜合考慮路基與道岔沉降變形控制標準，同時根據沉降基準值與既有工程經驗，采用基準控制值的75%作為預警值、85%作為報警值。下穿鐵路咽喉區道岔群沉降控制指標如表4所示。

表3 鐵路軌道靜態幾何尺寸容許偏差值

表4下穿鐵路咽喉區道岔群沉降控制指標

Table 4 Deformation control standard for tunnel crossing underneath turnout groups

控制指標路基沉降沉降值/mm沉降速率/(mm/d)軌道坡向控制值/‰軌道水平與垂直偏差/mm軌道沉降速率/(mm/d)基準值31631預警值2.30.754.52.30.75報警值2.550.855.12.550.85

2 穿越鐵路道岔區重難點分析

本工程富水砂卵石地層盾構隧道穿越鐵路咽喉區道岔群，為國內首次連續穿越復式交分道岔施工，鐵路咽喉區穿越范圍約為50 m，受制于4組復式交分道岔，常規的D型梁或縱橫抬梁無條件實施。受市政下穿隧道工程影響，咽喉區北側無加固場地，僅南側有加固條件，同時，根據既有工程經驗，富水砂卵石地層條件下預注漿效果較差，因此長距離大管棚成為可供選擇的超前預加固方法之一[8-9]。

根據既有工程經驗，成都地區富水砂卵石地層條件下，尤其是本工程面臨的密實卵石土地層，管棚最長不宜超過35 m(此時偏差可控制在0.6 m以內)[8]，但本工程需要打設的管棚長度超過50 m，同時面臨著大粒徑、高強度卵石的挑戰，因此，“高精度、長距離、大直徑管棚”施工工藝及其控制技術，成為了首先需要突破的重點。其次，根據鐵路部門要求，只有在鐵路運營天窗期，盾構才可掘進施工，而根據盾構掘進速度，至少需要連續掘進60 h，因此分段掘進與停機后盾構掘進參數的控制顯得尤為重要。同時，復式交分道岔不超過3 mm的變形控制標準，需要有變形超限的應急預案，才能確保鐵路運營安全。

3 穿越鐵路道岔區關鍵技術

鐵路咽喉區工程涉及的高精度超長大管棚施工、既有下穿鐵路人行通道加固處理、鐵路運營天窗期分段掘進、長時間停機后盾構掘進技術以及復式交分道岔微沉降控制技術等，是本工程需要研究的關鍵技術。

3.1 高精度超長大管棚技術

基于本工程面臨的大粒徑(最大粒徑在500 mm以上)、高強度卵石土地層，超長大管棚的成功實施主要取決于頂進工藝、鉆頭強度與破巖(石)能力、鉆進精度與導向裝置等。

3.1.1 大管棚頂進工藝與鉆頭選取

要保證大管棚的順利頂進，須考慮到高強度卵石顆粒的破碎問題，鉆進工藝、沖擊鉆頭與導向技術就顯得尤為重要。

大管棚可考慮采用螺旋出土跟管頂進工藝(無需泥漿護壁)，管棚直徑159 mm，管節之間采用絲扣連接，管內有螺旋出土鋼管，出土鋼管中間是螺旋鉆桿，設備主要由螺旋鉆桿、沖擊鉆頭、導向系統(經緯儀、電腦、傳感器、光源等)、空壓機等組成。

采用套管護孔，中間風動潛孔錘沖擊鉆進，鉆孔達到預定深度后，鉆桿帶出潛孔錘，鋼套管留在孔內作為管棚管。

頂進鉆頭可選用高強度合金鋼，通過頂進前方鉆頭沖擊破碎前方卵石土，回轉鉆頭將破碎的渣土排出，通過鉆孔螺旋鉆桿出土。大管棚打設用鉆頭如圖6所示。大管棚布置與現場實施情況如圖7所示。

(a)

(b)

(a) 雙層大管棚橫斷面布置情況(單位： mm)

(b) 雙層大管棚現場實施情況

Fig. 7 Arrangement and on-site implementation of large pipe roof

3.1.2 大管棚施工導向控制與方向調節

為確保管棚打設期間對地層的擾動可控，管棚施工精度須得到保證。因此，管棚導向采用“傾角偏差”和“坐標測量”的雙重控制標準。

傾角偏差主要是通過管棚外壁傳感器確定管棚垂直方向與設計角度的偏差。

坐標測量主要通過螺旋鉆桿內光源坐標與管棚設計坐標的對比分析，確定管棚方向。

大管棚螺旋沖擊鉆進施工主要靠鉆頭自重和定位擴孔方式調節管棚頂進方向，如圖8所示。

圖8 大管棚鉆進導向示意圖

根據現場實測數據，大管棚施工精度可以控制在1%以內，滿足設計要求。

3.1.3 大管棚注漿工藝

大管棚管壁與地層之間存在一定空隙，由于砂卵石地層粒徑大小不一，地層均一性較差，造成管壁與地層間空隙分布情況不一樣。因此，大管棚注漿需采用流動性好，且具有微膨脹性的水泥(砂)漿，同時管壁預留孔洞尺寸及其位置，應與所注漿液特性、地層空隙情況相匹配。

由于管棚長度大，注漿范圍長，同時為防止過大的注漿壓力引起地層劈裂破壞與地層隆起變形，因此注漿壓力需要嚴格控制，具體注漿壓力值(終值，實際工程可按0.3～0.5 MPa控制，滿足實際工程管棚注漿需要)可參考式(1)，根據監測情況綜合確定。

pmax=γh+λt。

(1)

式中：pmax為注漿壓力終值；γ為地層重度；h為注漿點埋深；λt為圍巖抗剪強度(直剪快剪試驗對應的黏聚力與內摩擦角)。

3.2 既有人行下穿通道加固與跟蹤注漿

既有過鐵路人行下穿通道建設年代久遠(20世紀90年代底)，采用頂管法施工，管節長6 m，覆土約800 mm。對下穿通道相鄰管節接頭加強處理： 通道50 m長度范圍內接頭全部采用型鋼支撐(HW250×250，Q235)，共計8個接頭，加強既有通道結構縱向剛度，如圖9所示。

圖9 既有過鐵路人行下穿通道接頭加固處理圖(單位： mm)

Fig. 9 Joint reinforcement of existing pedestrian passageway crossing underneath railway (unit： mm)

由于過鐵路人行下穿通道與上方鐵路豎向凈距不足1.5 m，因此在對人行通道進行加固后，有望在鐵路下方形成縱向大剛度挑梁，一定程度上可起到縱梁的作用。

同時，考慮到50 m咽喉區范圍內人員無法自由進出進行地層加固，因此利用人行通道預埋注漿管(PVC管)進行跟蹤注漿(注漿壓力建議不大于0.2 MPa，漿液采用水泥漿，初凝時間按4 h考慮，擴散半徑按0.3 m考慮)，補償盾構掘進可能引起的地層損失(根據盾構掘進參數與地層變形監測情況綜合確定注漿時機與注漿參數，確保累計沉降變形不大于3 mm，單日沉降變形不超過1 mm)。

既有過鐵路人行下穿通道袖閥管跟蹤注漿布置如圖10所示。采用MIDAS/GTS-NX進行模擬分析，設置為位移邊界條件，采用修正的摩爾-庫侖本構關系，滿足圣維南邊界條件，地層采用實體單元模擬，盾構隧道與過鐵路既有人行通道結構采用梁板單元模擬，管棚采用植入式錨桿單元模擬，袖閥管注漿加固通過改變地層力學參數來實現。基于MIDAS/GTS數值計算分析的左右線隧道貫通后地層豎向位移等值線圖如圖11所示，由盾構掘進引起地層位移的傳播途徑與擴散范圍可知，由西至東，既有人行通道兩側袖閥管長度分別為6.0、5.5、5.0、3.5 m。

由圖11可知，通道兩側袖閥管長度基本可以覆蓋住盾構掘進引起的地層位移擴散區域，最大地表沉降變形也僅有2 mm(滿足沉降變形控制標準)。

3.3 鐵路運行天窗期分段掘進控制

由于需要在鐵路運營天窗期(00：00～04:00)分段掘進，因此停機位置的選擇尤為重要。

從北向南，復式交分道岔主要集中在成灌聯絡線、寶成線下行線、寶成線上行線與牽出線，而相鄰鐵路之間的凈距為4～6 m，因此將咽喉區分成4段掘進通過，咽喉區范圍內每段掘進長度不超過9 m(6環，1個天窗期內完成)，具體分段情況與盾構刀盤停機位置如圖12所示。

圖10既有過鐵路人行下穿通道袖閥管跟蹤注漿布置圖(單位： m)

Fig. 10 Arrangement of Soletanche tracing grouting (unit: m)

圖11 左右線隧道貫通后地層豎向位移等值線圖(單位： m)

Fig. 11 Vertical displacement contour after breaking-through of left and right tunnels (unit： m)

圖12 鐵路咽喉區范圍分段掘進情況(單位： m)

Fig. 12 Sketch of sectioned boring in railway turnout area (unit: m)

3.4 長時間停機后盾構掘進參數控制

基于盾構隧道施工基本原理，一次連續掘進施工對周邊環境影響的控制最為有利。為了確保鐵路安全運營，本工程采用天窗期分段掘進，進而面臨著咽喉區范圍停機后再次恢復掘進施工難題。

基于富水砂卵石地層特性與既有工程經驗[10-11]，為了確保停機后再啟動期間掌子面穩定與施工擾動控制，制定了如下技術措施。

3.4.1 盾構掘削面保壓控制

停機期間，每隔3 h刀盤維持轉動一定時間，并根據土艙壓力監測情況，及時注入高質量鈉基膨潤土進行渣土改良，確保掌子面有效保壓(壓力波動控制在10%以內)[12]。

3.4.2 嚴格控制盾構與管片拼裝姿態

穿越鐵路前，調整盾構姿態，確保盾構、盾尾后方隧道軸線與線路走向平行(水平向夾角不大于3°)[13]，同時確保盾尾處管片與盾殼之間空隙相對均衡(嚴格控制在60～90 mm)。

3.4.3 嚴格控制盾構掘進參數

土艙上部土壓嚴格控制在0.11～0.14 MPa，盾構總推力控制在13 000～14 000 kN，刀盤轉矩控制在3 500～4 500 kN·m，刀盤轉速控制在1.5～1.7 r/min，掘進速度控制在50～65 mm/min。由于穿越鐵路咽喉區范圍僅為50 m，左右線盾構前后需相距100 m以上。確保左線掘進通過咽喉區監測數據顯示地層變形穩定后，右線再掘進穿越施工。

千斤頂行程控制在300～1 800 mm(滿足1環管片拼裝要求)。

嚴格控制每環出土量，采用渣土質量與體積的雙控標準，每環出土量不大于58 m3(理論出渣量為54.4 m3/環，松散系數在1.18左右)。

3.4.4 嚴格控制注漿工藝

盾構掘進期間的同步注漿，不但關系到盾構掘進期間的地層穩定，更關系到掘進通過后地層的滯后沉降問題，因此首先采用大體積質量漿液(見表5，漿液體積質量為1 800 kg/m3)，漿液初凝時間控制在4 h左右，同時每環注漿量不小于7.2 m3(相應充填率為1.5)。盾尾空隙漿液注入率按2.0考慮，同時在盾尾后方2環與10環位置，及時進行補壓漿，確保盾尾空隙范圍得到有效充填。

表5 漿液質量配合比

3.5 復式交分道岔變形控制技術

為有效控制盾構掘進期間復式交分道岔沉降變形，在采取一系列主動控制措施的基礎上，還需要采取相應的被動預案，以確保鐵路安全。

針對盾構掘進可能引起的地層損失與地層沉降問題，一方面，采取既有下穿鐵路人行通道內袖閥管跟蹤注漿(根據監測情況)，及時彌補盾構掘進引起的地層損失；另一方面，盾構掘進期間為鐵路運營天窗期，因此派人24 h現場助勤，根據監測情況，必要時對有砟軌道進行抬升處理，確保單日累計沉降變形控制在1 mm以內，進而實現整體變形控制目標。

4 盾構掘進監測數據分析

盾構隧道于2018年8月中旬順利穿越鐵路咽喉區道岔群，穿越期間監測斷面與監測數據如圖13—15所示(8月6日，右線盾構開始穿越咽喉區，8月12日完成穿越施工，左線盾構已于7月完成穿越施工)。

圖13 鐵路咽喉區道岔群監測斷面布置圖

圖14 J1斷面監測曲線

由圖14可知： J1斷面最大沉降值出現在左線隧道上方，地表最大沉降值為-1.2 mm，同時右線盾構掘進時，左線上方沉降變形由-0.7 mm逐步增大到-1.2 mm，隨后又逐步恢復到-0.7 mm(既有過鐵路下穿通道跟蹤注漿)，而右線隧道地層沉降值不超過-0.5 mm，左線隧道地層變形明顯大于右線隧道。表明在左線隧道先行通過的情況下，右線隧道掘進擾動會進一步加劇左線隧道地層變形，雖然砂卵石地層顆粒骨架效應明顯，但與軟土地層類似，由于先掘進盾構對地層的擾動和地層剛度的下降，后掘進盾構施工對已施工隧道及其上方地層的影響是存在的[14-15]。

圖15 J4斷面監測曲線

進一步觀察發現，左線隧道處地層變形在超過單日變形控制標準(-1 mm)后，通過既有過鐵路下穿通道內注漿后(J4-5位置)，不但沉降趨勢減弱，甚至出現了一定的反向隆起位移，這主要是由于下穿通道與地表距離較近(見圖4)，同時漿液體積質量與注漿壓力較大造成的。由此可見，在注漿壓力得到有效控制的前提下，合適的袖閥管跟蹤注漿工藝可以在一定程度上彌補盾構掘進擾動引起的地層沉降變形。

由圖15可知： J4斷面最大沉降值也出現在先行掘進通過的左線隧道處，最大沉降值約為-1.0 mm，左線隧道采取跟蹤注漿后(J4-5位置)，沉降趨勢也得到了較好的控制，而在左右線中間部位，未進行跟蹤注漿，相應沉降變形較為明顯。

5 結論與建議

1)高強度砂卵石地層中，管棚長度超過50 m時，在大管棚頂進工藝、鉆頭剛度與導向技術得到改善的情況下，可將施工精度控制在1%以內，提升了大管棚施工工藝。

2)既有鐵路下方人行通道縱向加固后，可在一定程度上起到縱向大剛度挑梁的效果；同時，在人行通道內設置袖閥管跟蹤注漿，可有效補償盾構掘進引起的地層損失與施工擾動位移。

3)在土艙壓力與掘削面保壓效果得到有效控制的情況下，盾構二次啟動與分段掘進的影響基本可控。

4)與軟土地層類似，雖然砂卵石地層顆粒骨架效應明顯，但先后掘進盾構施工之間的影響是普遍存在的。

5)盾構掘進參數控制與微擾動施工是解決盾構穿越重大風險源的根本，后續研究可從富水砂卵石地層開挖面穩定機制、渣土改良以及土艙壓力控制等方面進一步尋求突破。