地铁单护盾TBM区间上跨既有铁路隧道施工控制技术研究

2016-10-21熊海涛

铁道勘察 2016年2期

关键词：砾石刀盘围岩

熊海涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)

地铁单护盾TBM区间上跨既有铁路隧道施工控制技术研究

熊海涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

依托重庆地铁五号线单护盾TBM上跨既有铁路隧道的工程实例，对单护盾TBM上跨既有铁路隧道工程的风险进行分析，通过单护盾TBM姿态控制、隧底注浆加固、豆粒石吹填及回填注浆等施工控制技术措施顺利上跨既有铁路隧道。

地铁单护盾TBM沉降姿态注浆

随着城市地铁的建设，所遇环境条件变化较多，需穿越障碍物种类繁杂，包括桥梁、隧道、房屋、河流、道路等，国内上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此类情况，多采用盾构穿越。以重庆地铁五号线大竹林至人和站区间隧道上跨既有铁路隧道为例进行分析，介绍上跨既有铁路隧道的技术措施。

1　工程概况

1.1区间隧道与既有铁路线关系

重庆轨道交通五号线人和站—幸福广场站单护盾TBM区间隧道沿金开大道向东行进，右线在里程YDK17+199.29～YDK16+897.68、左线在里程ZDK17+823.25～ZDK16+926.96依次上跨渝怀上行线人和场隧道、渝怀下行线新人和场隧道、沪蓉铁路人和场隧道后到达人和站。区间隧道与既有铁路隧道竖向净间距4.250～11.944 m，影响长度范围19.41～40.06 m，区间隧道与既有铁路线平面位置关系如图1及表1所示。

图1　区间隧道与既有铁路线平面位置关系

表1　人和站—幸福广场站区间上跨既有铁路线情况汇总

1.2既有铁路设计概况

(1)渝怀上行线

渝怀上行线人和场隧道起讫施工里程DK12+850～DK17+584，运营里程K12+765～DK17+499，洞身标0+000～4+734，与重庆轨道交通五号线TBM隧道交叉段围岩级别为Ⅳ级，采用Ⅳ级复合衬砌，混凝土强度等级为C20耐腐蚀混凝土。

(2)渝怀下行线

渝怀下行线新人和场隧道设计时速120 km，起讫施工里程DK12+795～DK17+566，统一运营里程K12+796～DK17+567，洞身标0+000～4+771，与重庆轨道交通五号线交叉段围岩级别为Ⅳ级。交叉点里程原设计采用Ⅳ级曲墙复合式衬砌，混凝土强度等级采用C25耐腐蚀混凝土

(3)沪蓉铁路隧道

沪蓉铁路人和场隧道为时速200 km客货共线铁路双线隧道，起讫里程K1662+854～K1667+304。与重庆轨道交通五号线交叉段围岩级别为Ⅳ级，采用Ⅳ级Ⅰ型衬砌，衬砌拱部、边墙、仰拱采用C35钢筋混凝土，仰拱填充C20混凝土，初期支护喷C25混凝土。

2　控制路基沉降轨道变形简要措施分析

单护盾TBM施工对铁路的影响主要包括路基沉降和轨道变形，其中轨道变形是控制铁路行车安全的主要因素。对于有砟轨道的路基沉降，可以通过回填道砟、补充注浆等方式予以补充，所以普通铁路路基沉降要求不高。《铁路路基设计规范》(TB1001—2005)[1]中7.6.2条规定，一级铁路路基沉降量≤20 cm、沉降速率≤5 cm/年。《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)[2]中规定：对于有砟轨道，设计速度为250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm，沉降速率≤3 cm/年。

施工中以轨道沉降变形为实际控制标准，根据2006年铁道部发布的《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146)[3]，适用于1435 mm标准轨距和线路允许速度为200 km/h及以下的线路。规则第6.2.1条规定了线路轨道静态几何尺寸允许偏差范围管理值。高速铁路还要遵守《高速铁路设计规范》的相关要求，同时应以铁路运营单位的实际轨道平顺性管理数据为准。

如表2，通过渝怀上下行线、沪蓉铁路风险识别与分析结果可以看出，区间隧道上跨铁路隧道段围岩条件较好，覆盖层厚度相对较厚，各风险事件的初始风险等级均为中度。根据风险接受准则，需在加强施工控制和管理的同时，实行过程动态监测，施工及运营中发现异常情况及时采取必要的处理措施以降低风险，将残留风险等级降低至可接受范围。

风险事件处理措施见表3。

3　单护盾TBM上跨既有铁路隧道施工方案

基于本工程上跨既有线路隧道段地质条件较好，对渝怀铁路上、下行和沪蓉铁路3座隧道影响较小，上跨掘进将充分发挥单护盾TBM施工速度快(破岩、出渣、支护和衬砌一次成洞)、超挖小、对围岩扰动小的优势，立足于现有单护盾TBM施工工艺，遵循“均衡连续通过”的原则，重点加强掘进参数控制(推力、扭矩、转速等)、工序衔接及设备管理，严格控制掘进姿态偏差和出渣量，尽量减少对地层的扰动和对既有铁路隧道的影响。

表2　单护盾TBM上穿既有铁路线初始风险等级汇总

表3　单护盾TBM上跨既有铁路线风险事件处理措施

单护盾TBM上跨过程中，在既有隧道内交叉里程断面上设置监测点，监测既有隧道的变形等情况，及时监测新建隧道对既有隧道产生的影响，并做好应急预案及抢险物资准备。施工过程中既有隧道监测值达到阈值时，应立即停止施工，及时预警，分析查明原因，采取相应可靠的措施进行处理。

掘进过程中，按照低推力、低扭矩匀速连续掘进的原则，管片安装完毕后及时进行背后豆砾石吹填及回填灌浆施工。根据咨询报告建议，轨道五号线隧道与既有沪蓉铁路之间净距较近，在单护盾TBM施工过程中，应对底部围岩进行填充注浆。

上跨铁路段分左、右线进行异步单护盾TBM法施工，上跨三条既有隧道施工分五步进行，施工步骤如图2所示。

图2　左、右线单护盾TBM施工步骤

①右线第一步掘进通过渝怀上行隧道20 m；②右线第二步掘进通过渝怀下行20 m+左线第一步掘进至渝怀下行隧道前30 m；③右线第三步掘进通过沪蓉铁路20 m+左线第二步掘进至沪蓉铁路前30 m；④右线第四步单护盾TBM进入正常段掘进+左线第三步掘进通过沪蓉铁路20 m；⑤左线第四步单护盾TBM正常段掘进。

4　具体施工控制技术

4.1单护盾TBM掘进参数设定

单护盾TBM上跨既有铁路隧道过程中，掘进参数的选择遵循“四低一连续”(即：低转速、低贯入度、低推力、低扭矩、连续掘进)的原则，尽量减少刀盘对地层的振动和扰动[8]。

(1)掘进推力

单护盾TBM依靠主推进油缸推力向前推进，推力的大小与单护盾TBM掘进所遇到的阻力有关，正确使用主推进油缸是单护盾TBM能否沿设计轴线(高程)方向准确前进的关键。因此，在每环推进前，应根据前面几环推进的相关参数，分析单护盾TBM趋势，正确选择主推进油缸的编组，合理地进行纠偏。本单护盾TBM设计额定推力为3 900 t，正常段推力为900～1 700 t。根据前期类似地层施工经验，上跨铁路段推力应控制在额定推力的20～30%以内，即780～1 200 t。

(2)掘进速度

掘进速度是单护盾TBM掘进施工中一个重要的管理值，决定了单位时间进入刀盘的渣土量、单位时间管片脱出盾尾的长度和开挖面到结构完成面的过渡时间。掘进速度加快，可有效提高施工效率，减少围岩收敛时间，从而控制地面沉降；而掘进速度过快，又容易造成皮带机出渣能力不够，造成刀盘被卡[11]。

已掘进段正常速度为40～60 mm/min，根据已掘进段施工经验和地质情况，上跨铁路期间掘进速度拟定为20～30 mm/min左右。

(3)刀盘转速

刀盘额定转速为5～6 rad/min，正常掘进段刀盘转速为4.0～4.5 rad/min，上穿铁路段刀盘转速控制在3～3.5 rad/min。

(4)刀盘扭矩

刀盘额定扭矩为4 000 kN·m，正常掘进段刀盘扭矩为900～1 300 kN·m，上穿铁路段总扭矩控制在700～1 100 kN·m。

4.2管片底部固结灌浆

单护盾TBM隧道与既有沪蓉铁路之间净距较近，围岩有节理裂隙及遇水后的软化，在单护盾TBM的施工过程中，应对底部围岩进行填充注浆。

(1)填充注浆方案

管片底部注浆填充范围主要为隧道拱底90°范围，钻孔深度1 m，线路方向钻孔注浆间距3 m，隧底注浆填充如图3所示。

为了满足注浆需要，单护盾TBM通过既有铁路过程中，全部拼装增设预埋注浆孔管片，每环16个注浆孔，通过注浆孔向隧道外围地层打设注浆管注浆[7]。

图3　隧底注浆(单位：mm)

(2)注浆参数

注浆材料：地层注浆加固以水泥浆液为主，水泥-水玻璃双液浆为辅，水泥浆采用水灰比0.4∶1～0.6∶1的水泥单液浆，水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥；水泥浆∶水玻璃=1∶(0.5～1.0)。终注标准：注浆压力达到1.5 MPa，并持续注浆10 min以上，进浆量小于5 L/min；注浆参数调整选择3～5个注浆孔位进行。

4.3豆砾石吹填与回填灌浆

单护盾TBM施工引起的建筑空隙、地层损失和单护盾TBM隧道周围岩体受扰动或受剪切破坏是导致地层沉降坍塌的主要因素。在单护盾TBM施工中，通过同步豆砾石吹填与回填灌浆使管片和岩体形成稳定的整体，可以有效抑制地层沉降。因此，在单护盾TBM上跨铁路隧道过程中，要确保及时、充足的豆砾石吹填与回填灌浆。

(1)豆砾石吹填

豆砾石底拱回填坚持“脱离护盾一环就必须回填一环”的原则进行。豆砾石回填工艺原理是将豆砾石运输罐车与豆砾石喷射机上料系统联接，打开放料阀使豆砾石放入皮带机的上料口，启动皮带机将豆砾石输送到豆砾石喷射机上方料斗，通过控制料斗下方的放料阀门，将豆砾石均匀输送到豆砾石喷射机接料口，在放料的同时启动豆砾石喷射机，这时豆砾石有序的分配到豆砾石喷射机内各料腔，通过压缩空气，豆砾石经管道压送到喷头至管片外侧与围岩之间的空腔中。

为确保豆砾石吹填饱满，防止管片受力不均发生侧向偏移，豆砾石吹填时采取自下而上、两侧对称的施工工艺，如图4、图5所示。

图4　底拱豆砾石回填效果

图5　两侧拱豆砾石回填效果

(2)回填灌浆

一次注浆后，可能存在局部不均匀空腔现象。为提高背衬注浆层的防水性及密实度，在拖车后部进行二次补充注浆，使注浆体充填均匀，形成稳定的防水层，达到加强隧道衬砌的目的。

5　结论

目前该区间已顺利贯通，区间横向及高程贯通测量及管片成型环径向偏差均在允许偏差范围内，单护盾TBM掘进隧道水平净空收敛、隧道变形测量、地表(地面)沉降、地面临近建(构)筑物监测符合城市轨道交通监测技术规范。综合考虑以上措施，在隧道掘进过程中做好监控量测，控制好掘进参数和注浆加固等，可以确保隧道施工过程中铁路的正常运营和区间施工安全。

[1]中华人民共和国铁道部.TB10001—2005铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2006

[2]中华人民共和国铁道部.TB10621—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2009

[3]中华人民共和国铁道部.铁运[2006]146号铁路线路维修规则[S].北京：中国铁道出版社，2006

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑出版社，2013

[5]GB 50446-—2008盾构法隧道施工与验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2005

[6]中华人民共和国铁道部.TB10003—2005铁路隧道设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005

[7]王伟忠.盾构下穿既有铁路线路地基加固方案与效果分析[J].铁道建筑，2007(12)：63-65

[8]张飞进.盾构隧道穿越既有线施工控制措施研究[C]∥隧道、地下工程及岩石破碎学术研讨会论文集.大连：大连理工大学出版社，2007：176-180

[9]张舵.地铁盾构区间穿越既有铁路技术措施研究[J].铁道标准设计，2013(2)：81-84

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50715—2011地铁工程施工安全评价标准[S].北京：中国计划出版社，2012

[11]仲建华.城市轨道交通工程硬岩掘进机(TBM)技术[M].北京：人民交通出版社，2013

[12]TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S]