合川東隧道泄水洞盾構施工方案研究

摘要：在小斷面隧道施工過程中，通常采用爆破人工開挖等方式進行隧道掘進，該方式存在效率低，擾動大等問題。依托西渝高鐵康渝段合川東隧道泄水洞工程，研究盾構施工工藝在鐵路隧道中的可行性，通過對工程重難點的分析，結合盾構施工的各項要點，闡述其施工工藝，并分析了盾構施工工藝的經濟性，相關成果可為類似的工程提供參考和借鑒。

關鍵詞：泄水洞；盾構；反力架；管片

0 引言

鐵路隧道施工過程中經常會遇到地質條件復雜的各種地層，存在隧道涌水、突泥等安全風險[1]。在隧道斷面施工方面，如何規避施工風險，是需要首先解決的問題。

目前，關于隧道斷面施工主要采用人工開挖和機械開挖兩種方式[2]。在機械開挖方面，主要采用盾構掘進的方式進行施工[3-4]。該技術較為成熟，在施工過程中效率較高，且對土體擾動較小，便于各項工作的開展。

為了解決合川東隧道復雜地質環境條件下的掘進難題，本文從工程重難點及盾構施工要點等方面對鐵路隧道泄水洞盾構施工技術方案進行研究。

1 工程概況

西渝高鐵康渝段合川東隧道位于廣安-合川東區間，起訖里程DK411+227～DK418+615，全長7388m，Ⅲ級圍巖240m，Ⅳ級圍巖1285m，Ⅴ級圍巖5863m，Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比96.7%，其中隧道為全線Ⅱ級風險隧道之一，為本標段重點控制性工程。

本隧輔助坑道采用“進口平導帶泄水洞+中部斜井+出口泄水洞”方案，其中出口泄水洞全長1800m，為解決出口段V字坡運營期間排水而設。其設置于正洞DK417+650處線路左側，與線路大里程端平面交角45°，超出正洞出口約800m。

該泄水洞主要以泥巖、泥巖夾頁巖、砂巖夾灰巖為主，地下水以基巖裂隙水為主，表層為松散孔隙水，隧道巖石強度硬巖段為10～40MPa，平均值約20MPa，與正洞交接處測點約120m巖層為灰巖，灰巖硬度50～80MPa。

2 設計概況及重難點分析

2.1 設計概況

2.1.1 區間線路設計

泄水洞采用無軌單車道運輸，內徑3.6m，泄水洞與正洞交叉處坑底高程276.94m低于正洞設計軌面1.93m，出口坑底高程275.34m，隧道小里程端洞口100m為20‰下坡，剩余1700m隧道為2‰上坡，采用盾構法施工。泄水洞位置如圖1所示。

2.1.2  結構支護設計

盾構隧道采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片寬度為1200mm，管片外徑4100mm，厚度為250mm，每環管片沿環向分為6塊，即3塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊。設計強度為C50，抗滲等級≥P12。管片采用通用楔形環，楔形量36mm。

管片安裝采取錯縫拼裝方式，管片環、縱向均以彎螺栓連接，環向為14根M24螺栓螺栓，縱向為12根M24螺栓。

2.2 施工重難點及對策分析

2.2.1 始發井口防淹控制措施

泄水洞盾構始發洞門拱底里程標高275.33m，百年洪水位標高276.86m，在施工過程中可能發生井口水倒灌入隧道、盾構機被淹等險情。對此可采取以下對策：

盾構始發應避開汛期施工，密切關注氣象部門預報，做好施工組織管理，盡快進洞封堵洞門。在盾構始發井坡面開挖線外側3～5m設置截水天溝。洞口設置施工三級沉淀池1座并及時清理，降低施工廢水沉淀堆積后導致積水倒溢進入隧道。

為防止洞外地表水流入井內，井口場地需向洞外呈不小于3%的下坡。在隧道內正1環使用磚砌筑防汛墻，并預備防洪沙袋，如遇洞口水位上升，應及時封堵洞口，避免水倒灌入隧道。洞口預留污水泵并定期檢查保養，當洞口水位過高時，及時對洞口水進行抽排。

2.2.2 始發段管片質量控制

盾構始發易發生姿態盾構機“載頭”，螺栓發生形變，引起錯臺。對此可采取以下對策：

始發基座的位置定位要精準，要使盾構機軸線與隧道設計軸線保持一致，保證始發階段隧道內襯不超限。

反力架安裝位置要精確，在洞壁內預埋足夠數量的預埋件，預埋件與反力架連接后的強度要能夠承受盾構機始發時的反力，并且預埋位置能保證反力架精確定位。

反力架采用鋼板焊接的箱型鋼結構件，后部采用型鋼與反力架斜撐連接并與地面預埋鋼板連接，以達到滿足掘進機始發推力所需的強度、剛度和定位精度，并具有一定的保險系數。

調整主機的姿態，使軸線和隧道軸線的誤差在要求范圍之內?？刂坪玫谝画h負環管片拼裝精度，保證第一環負環與基準環、始發基座間連接與穩固措施。管片縱向連鎖，始發段前0～10環管片采用工字鋼將管片縱向進行連鎖拉緊，保證始發段管片質量。

2.2.3 正常掘進段管片變形控制

巖層掘進時，管片背部空隙填充不及時、不密實，造成管片變形、破損、錯臺和滲漏水等質量缺陷，嚴重時可能造成隧道結構位移、變形超限，危及結構安全。

管片背后回填為填充管片壁后空隙、控制地面沉降的重要措施。掘進過程中需保證砂漿的及時注入，同時要關注注漿壓力保證及時、飽滿。

遵循管片拼裝趨向跟隨盾體趨向、保證盾尾間隙的原則。始發前做好管片選型工作，制作管片選型模擬卡，現場張貼區間管片型號配置、選型原理圖等，施工過程中及時量取盾尾間隙，選型過程技術主管把關，使管片選型形成閉環管理。

3 確定盾構機配置及技術參數

結合該標段隧道工程特點對盾構機刀盤布局、掘進機配置、推進系統及鉸接結構、渣土運送系統、注漿系統和動力供電系統進行了針對性設計。所采用的CTE4150型盾構機技術參數如表1所示。

4 盾構施工方案

4.1 盾構機始發

泄水洞隧道始發段位于Ⅳ、Ⅴ級圍巖內，為全斷面泥巖夾砂巖頁巖、泥巖夾砂巖，單軸飽和抗壓強度35MPa。泄水洞盾構始發采用反力系統+負環的形式，底部放置始發托架，洞門安裝柔性密封裝置，反力架底部采用鉆孔樁作為受力基礎，地面伸出短立柱預埋鋼板與反力架斜撐進行焊接。反力架斜撐一般采用工字鋼或鋼筒。反力系統提供反力需大于其始發推力。

4.2 盾構正常掘進

盾構機正常掘進時參考相同地質盾構掘進參數，確保泥質砂巖的貫入度在3～8之間。同時每環同步向管片壁后空隙注入3m3水泥漿量，用以控制地面沉降。此外，通過安裝SLS-TAPD導向系統，對盾構在掘進中的各種姿態以及盾構的線路和位置關系進行精確測量，以便快速、實時地對盾構的掘進方向及姿態進行調整，保證盾構掘進方向的正確。

4.3 盾構到達

盾構機在泄水洞隧道大里程洞門始發，最后在隧道小里程暗挖洞門內接收，步進至洞門外，拆解轉運。盾構機到達需要進行貫通測量、貫通掘進以及盾構機到達接收3個步驟。其中盾構機到達接收時施工要點如下：

4.3.1 渣土清理

盾構機接收時，會有大量渣土掉落在洞門圈內和洞門外。施工人員清渣前，必須先認真觀察洞門圈內是否有松散的混擬土塊或渣土等，清除危險物后再進行土渣清理。

4.3.2 最后5環管片安裝

最后5環管片拼裝前，刀盤前方須緊貼焊接鋼板，阻擋盾體在拼裝過程前移。拼裝完成螺栓復緊完成后割除，控制推進速度，保證同步注裝量，控制注裝壓力，防止漿液擊穿管片的環縱縫。

4.3.3 止水環施工

盾尾完全脫開洞門之前，在倒數第3、第4環做二次注漿，與加固體連成整體，形成一道止水環，徹底將隧道后部可能垮塌的土體堵住。漿液選用雙液漿，漿液初凝時間控制在10s，快速凝固，減少漿液漏出。

4.3.4 折頁板拉緊

盾構刀盤推出洞門前，將倒鏈適當放松，防止盾構機通過時鋼絲繩過度張緊崩斷。盾売接觸簾布橡膠板后，拉緊倒鏈，使簾布橡膠板緊壓在盾売上。待盾尾推出洞門，管片外弧面接觸簾布橡膠板后，再次拉緊倒鏈，使簾布橡膠板緊壓在管片外弧面上，防止洞門范圍內土體流出。

4.3.5 盾構上接收托架

盾構推出洞門前，需認真檢查導軌、接收架等的加固情況以及盾構刀盤底部與接收架高差等情況。確認無誤后可將盾構推上接收架。盾構推進過程中必須密切關注接收架以及接收架加固與支撐的情況，一旦出現變形等異常情況，應及時停止推進并進行處理。

完成最后一環管片拼裝后，盾構機借助單塊管片繼續向前推進至完全上接收架。為便于人員及材料運輸從洞門通過，要求將盾尾推離洞門至少0.8m，方便螺旋機吊出。

4.3.6 主機與后配套系統分離

在盾構主機完全推上接收托架之后，以特制的門架式支撐架，將連接橋前端支撐在拖車行走鋼軌上。支撐穩妥后將連接橋與盾構主機分離，并將各種管線同時與主機拆開。完成管線分離后，盾構完成到達，可進行盾構機吊裝轉場的準備工作。

5 經濟效益分析

本文提出采用高鐵隧道盾構施工工法對泄水洞進行開挖。其優點如下：

5.1 經濟適用性強

現有盾構機為施工單位自有設備，大大節省設備購置費，且距離工點50km處有十四局自有管片廠，可作為盾構管片生產場，運距短、運費可控。對小斷面隧道施工，盾構法對比鉆爆法可節約成本812萬，為項目重點降效點。

5.2 對土體擾動小

泄水洞最大埋深62m，主要以軟土和泥巖、頁巖為主，部分地段下穿河床、房屋和公路，涉及2處淺埋段，最小埋深7.1m。盾構機作業僅對1倍洞徑范圍土體有擾動，下穿結構物尤其是淺埋地段下穿施工安全性高。

5.3 作業工效高

按照施組工期，本泄水洞施工平均月進尺約40m，總工期43.6個月，盾構法施工在40MPa以內單日可完成10m進尺，月進尺約300m，總工期不超過9個月，縮短工期34.6個月。

5.4 成洞質量高

擬采用Φ4250土壓平衡盾構機，為現有設備，盾構機機械化作業后采用成品管片支護洞身，管片為工廠化生產，有利于能保證泄水洞施工質量。

5.5 有利于減少房屋拆遷數量

泄水洞下穿10棟房屋，房屋總面積3877m2。采用盾構方案，盾構機可平穩穿越房屋建筑群，有效減少了房屋拆遷任務。

6 結束語

本文依托西渝高鐵康渝段合川東隧道泄水洞工程，研究盾構施工工藝在鐵路隧道中的可行性，通過對工程重難點的分析，結合盾構施工的各項要點，闡述其施工工藝，并分析了盾構施工工藝的經濟性，相關成果可為類似的工程提供參考和借鑒。

參考文獻

[1] 賓勝林.某隧道涌水原因分析及泄水洞方案設計[J].福建交通科技，2023（5）：75-78.

[2] 孫振海，韋建昌，韓玉，等.隧道施工事故統計分析[J].西部交通科技，2020（7）：91-93.

[3] 朱建輝.復雜地質條件下地鐵隧道盾構施工技術方案研究[J].市政技術，2021，39（5）：52-55.

[4] 馮巧.團九二期輸水隧洞近距離下穿北京西郊線技術方案研究[J].水利水電技術（中英文），2023，54（S1）：86-93.