谭 文，易 觉，孙成伟，朱劲锋



首例盾构在灰岩地区近距离下穿高铁路基段技术

谭 文1，易 觉2，孙成伟1，朱劲锋2

（1. 广州地铁集团有限公司，广州 510228；2. 广东华隧建设集团股份有限公司，广州 510228）

灰岩地层因其软硬不均、上软下硬、高强度，导致盾构在掘进过程中难度极大。以广州地铁9号线3标盾构下穿武广高铁路基段施工为例，创新性地引入MJS水平加固施工技术，长距离进行水平旋喷桩加固（60 m），成桩效果良好，沉降控制好，配合盾构整体式刀具及切口水压控制，通过掘进管理，保证盾构机在下穿不停运高铁路基段顺利掘进，确保施工安全。

泥水盾构；高铁路基段；MJS水平加固；整体式刀具

1 工程概况

1.1 地铁9号线工程概况

岩溶是指地表水或地下水对可溶性岩石进行侵蚀、溶蚀而产生的一系列地质现象的总称[1]，广州市花都区位于广东省中南部、珠江三角洲北缘，9号线线路大部分位于灰岩地区，灰岩中揭露有溶洞发育、溶蚀裂隙、土洞等，见洞率约为50%（见图1）。本线为国内首条大面积穿越岩溶区的地铁线路。

图1 车站开挖后灰岩地层溶洞及溶蚀沟槽

地铁线路沿线存在砂层较厚，地下水丰富，砂层与基岩面直接接触，地质强度差异较大，为典型的上软下硬地层。工程施工时，易发生突发性的水土流失而造成地面沉降。

灰岩强度较高，最大抗压强度可达150 MPa，对盾构掘进存在较大的风险，尤其是对盾构机刀具是个严峻的考验。上软下硬地层岩层刀具磨损严重，但是上部土体又极不稳定[1-4]。

1.2 近距离下穿高铁工程概况

盾构下穿武广高铁位于广州市轨道交通9号线3标段内，选用2台泥水平衡盾构机进行掘进。其中，盾构线路下穿广州北站铁路路基段，下穿总长度约为110 m，包括武广高铁4条股道、京广铁路6条股道及站台（见图2）。

1）武广高铁：于2009年底开通运营，是设计时速为350 km/h的高速铁路，轨道采用CRTS-I型双块式无砟轨道。

图2 地铁隧道下穿铁路示意图和现场实景图

2）京广铁路：设计时速为160 km/h的国家Ⅰ级干线铁路，轨道采用碎石道床、普通砼轨枕。

2 设计方案

设计方案经历多次专家审查及报部批复后，最终确定采用水平旋喷超前预加固+浅埋泥水盾构+自动化实时监测下的信息化施工+应急预案的总体技术方案。盾构下穿铁路的总体流程为：

1）先施作铁路东、西两侧的临时竖井1、竖井2（见图3）；

2）在竖井内施工水平MJS桩加固（见图4、图5）；

图3 MJS水平桩加固平面布置示意

图4 2#竖井（京广段）MJS水平桩加固横剖面

图5 1#竖井（武广高铁段）MJS水平桩加固横剖面

3）盾构下穿铁路路基段。

3 施工方案

3.1 MJS水平加固施工

广州北站MJS水平加固工程设计桩径2 m，搭接300 mm，桩长58.5 m、59.5 m，主要施工参数为注浆压力≤40 MPa。每立方米桩体水泥浆、膨润土、絮凝剂含量分别为1.6 m3（0.85 t水泥），5.7 kg，0.47 kg。

3.1.1 MJS工法介绍

MJS工法（metro jet system）又称全方位高压喷射工法（见图6），主要特点是：通过监测喷射点附近地层压力变化，反馈控制特有的排浆管阀门泄压或保压，控制地层沉降和隆起；同时还能实现高标贯土层中大桩径、垂直施工大深度、水平施工长距离、倾斜施工高精度、管道排浆零污染。

广州北站MJS水平加固工程中，成孔时每钻进一段距离就使用测斜仪进行精度测量，采用独特纠偏钻头和合适方法后钻杆偏斜明显减小（见图7、图8）。成孔精度控制的提高，不仅达到1%的精度减小了偏斜，还保证了钻杆曲线平缓，减小了钻进阻力，最终实现了60.3 m大深度高精度一次成孔。

确定MJS水平加固桩Φ2 000@1 700的桩体质量，在施工结束后28 d进行，采用钻芯法进行检测，鉴于水平抽芯施工难度大，拟采用垂直抽芯检测。桩体强度至少3.5 MPa，最高达到20 MPa以上，满足设计要求。

在不同地层中，根据抽芯情况，结合日本的施工经验可得知，具有不同的成桩半径见表1。

图6 MJS主机+高压泵施工示意

图7 水平成孔精度测量仪

（测量多孔管弯曲<倾斜角度的测定器）

Fig. 7 Horizontal precision hole measuring instrument

图8 纠偏钻头及测斜仪

表1 成桩直径

Tab.1 Pile diameters

根据完成的MJS桩统计，在正常施工的MJS加固桩施工过程中，51%的地面沉降主要是由于水泥收缩本身所带来的，它所引起的地面沉降是毫米级的，沉降相对是缓慢的、可控的，地面无任何隆起。在正常施工情况下，MJS水平桩施工期间单桩沉降控制在–1.59~0.28 mm。

3.1.2 MJS施工后反映出下一步盾构施工的问题

从MJS的施工可知，在铁路下方地质发生变化，从原来的软土地层变化为有灰岩侵入隧道的上软下硬地层，在靠近广州北站的花城路站、1#竖井、2#竖井，在基坑开挖后，均存在岩面高度的超预期现象。

根据统计，一般灰岩地区岩面高度相比勘察资料高2~4 m不等。岩面高度的超预期，主要是由于区内岩土体类型较多，岩性岩相变化大，岩面起伏较大，岩土体力学强度差异大，导致勘探杆沿着斜岩面、岩层间夹杂软硬土层（裂隙、溶洞）间钻进，得出与实际开挖揭示有差异的岩面高度。因此，盾构下穿广州北站与原方案（全断面软土地层）相比较，具有更大的风险性。

3.2 盾构机近距离下穿武广铁路路基段

地面（铁路）沉降的控制能力，对于在岩溶地区掘进（京广铁路下方未预处理）、上软下硬地层的掘进、环流堵塞引起的波动、武广客专下方旋喷桩群及地下不明物体，都给盾构掘进时的地面沉降控制带来了较大困难。

3.2.1 刀具选配

灰岩地区地质较为复杂，岩层强度大、破碎、软硬不均、上软下硬等，要求盾构机配置刀具具有较好的破岩能力和抗冲击能力，滚刀的刀具类型、刀圈硬度的选择尤为重要。从9号线盾构掘进施工中看，破碎、高强度灰岩层或上软下硬地层中，普通标准刀圈或宽刃重型刀圈都比较容易发生刀圈断裂的问题。相比而言，大合金整体式滚刀的破岩能力和耐冲击性都更为优良（见图9、图10）[5-9]。

3.2.2 MJS施工揭示地质与盾构下穿实际地质对比

左线下穿铁路段的实际地质和MJS加固施工钻孔数据较为接近，更新的地质剖面图对下穿有较大的指导作用。同时，右线下穿铁路段掘进至533环泥浆黏度开始上升，同时出渣发现有灰岩，掘进至536环出渣灰岩增多，环流较为堵塞，右线下方地质复杂多变，可以看出根据MJS钻孔数据描绘的地质剖面具有较大的参考意义，也进一步验证了此类地质构造系中灰岩岩面伴随粉细颗粒沉积的特征（见图11）。

3.2.3 盾构下穿铁路掘进管理

1）循环模式。左线掘进施工，主要以逆循环掘进，局部区段共7环采用了正循环掘进。右线掘进施工，逆循环掘进虽然在一定程度上确保了切口水压稳定，但如果土仓有异物，不易带出，可能对刀盘、刀具及其他设备造成损害；环流循环模式采用“正逆循环相结合”的方式，先采用正循环，在切口压力、扭矩波动或环流堵塞时才采用逆循环掘进；当隧道断面岩面提高，可能产生大块块石堵塞排泥口，环流堵塞时，根据盾构参数变化情况宜优先启用逆循环掘进。

图10 大合金整体式滚刀

2）推力和扭矩。推力初定控制在1 000 t以下（不超过1 200 t），扭矩控制定在1 200 kN·m以下，实际推进推力为700~1 200 t，扭矩为400~1 200 kN·m（最高为598环掘进扭矩约1 700 kN·m）。

3）掘进速度和刀盘转速。主要控制为10~ 15 mm/min，最大速度为17 mm/min，刀盘转速1.2 r/min，特别是上软下硬地层，贯入度不得超过10 mm/r。

图11 结合MJS加固钻孔出渣情况显示实际工程地质情况Fig.

4）泥浆黏度。左线，实际掘进时由于部分地层造浆能力强，入口一般在40~50 s，含砂率在2%~5%。右线，泥浆黏度控制在30 s以上，含砂率控制在5%以下，在环流顺畅的情况下，控制泥浆黏度在35 s左右，携渣能力比较有保障。

5）注浆量。铁路下方全部采用增加注浆孔管片，按照刀盘外圈38、39号采用18寸整体式滚刀，管片和切削面的间隙约为5 m³，所以初定同步注浆量控制为8 m³，同步注浆的填充率就可以达到160%，二次注浆主要对上部管片注浆，以压力0.7~0.75 MPa控制，主要对管片上方进行二次注浆[10]。

6）切口水压。切口水压以平衡为原则，切口水压在高黏度泥浆护壁情况下，采用刀盘中心至地面埋深的经验水土压力+25 kPa（仅考虑地下水压+50 kPa），并及时根据站场内的建构筑物变化而调整切口水压，可以保持开挖面稳定。

7）姿态控制。对于上软下硬地层采用大推力、高扭矩、低转速、缓速度的掘进参数，减少对上部地层的扰动。盾构机姿态在设计轴线的基础上预先设定一个20～30 mm的下偏量，平衡盾构机在掘进过程中的上漂现象[11-12]。

3.2.4 盾构下穿铁路数据统计

右线盾构下穿情况与左线基本类似，以下主要为左线盾构下穿的具体数据统计：

1）推力及扭矩统计。从掘进推力及扭矩统计曲线图可以看出，下穿铁路段掘进推力最大12 115 kN，最小为6 902 kN，平均推力为8 669 kN，刀盘扭矩最大为598环1 746 kN·m，最小为588环360 kN·m，平均为764 kN·m。总体来说，掘进推力及扭矩都不大，掘进过程也较为平顺，掘进参数比较平稳。

2）掘进速度统计。从掘进速度统计得出最大速度为17 mm/min，最小掘进速度为7 mm/min，平均速度为10 mm/min。

3）切口水压统计。下穿铁路段掘进的建议切口水压为刀盘中心至地面埋深的经验水土压力+25 kPa（仅考虑地下水压+50 kPa），从建议切口水压和实际掘进的切口水压来看，在实际的掘进施工中，除了在进入1号竖井回填区期间降低切口水压外，其他的掘进施工严格按照原设定的切口水压掘进，在整个下穿掘进施工过程未出现冒浆或线路隆起等现象、沉降控制情况良好（见图12）。

图12 切口水压统计

4）注浆量统计。下穿铁路段掘进的注浆量统计来看，按照刀盘配置18寸边缘滚刀后切削直径为6 350 mm计算，开挖面和管片间隙为5.2 m3，本次下穿掘进施工采用同步注浆8 m3，二次注浆采用0.7～0.75 MPa压力控制（起初设定为0.5～0.6 MPa，后考虑控制盾尾通过后的后续沉降、调高二次注浆压力），整个下穿掘进施工平均每环同步注浆8 m3，二次注浆3 m3，总注浆11 m3，填充率达到210%。

从下穿铁路段的掘进泥浆黏度统计来看，原设定在砂层中设定泥浆黏度入口为30 s或以上，但由于下穿铁路段总体地层造浆能力强，所以入口泥浆黏度较难控制，调浆压力大。整个下穿掘进段的平均入口黏度为50 s，平均出口黏度为60 s，含砂率在2%~5%之间，平均泥浆黏度上升10 s，掘进过程中需要大量调配隧道和废浆池废水，基本上能满足掘进施工要求。

5）掘进时间统计。正常的掘进时间（掘进、组装管片、接管）时间占比为81.2%以上，机械故障（包括地面和隧道机械故障）时间占比约为9.4%，其余因素占比约9.4%（注浆、等浆，堵管、冲垫、开采石箱，泥浆池满，调浆，开仓）。

6）监测数据统计。左线下穿铁路段施工过程中，根据第三方监测提供的站场内沉降数据，京广铁路范围最大沉降点位于京广铁路2号站台，沉降值为–6.47 mm，平均沉降–1.56 mm。武广高铁范围最大沉降点位于武广高铁3号股道上方，沉降值为–5.64 mm，平均沉降–1.64 mm。

监测数据分析结论：在盾构下穿铁路期间沉降比较可控，最大沉降量–6.47 mm；沉降主要发生在线路上方范围内，在距隧道边线2~3 m外，沉降基本上都在2 mm以内。沉降槽的宽度比较窄；单次沉降最大通常发生在盾尾脱离和盾尾过后阶段，控制沉降从管片二次补浆着手；各横断面的最大沉降值，普遍在3~5 mm之间，线路上方的沉降有一定的规律性。

4 盾构下穿铁路的总结与反思

综合盾构下穿铁路段掘进施工情况，得出以下结论：

1）盾构机在此条件下，掘进过程中所引起的地面塌陷往往是突发性的，这种突发性的塌陷，对铁路安全性来说，也是致命的，MJS的加固使得盾构在铁路施工过程中的沉降变得相对缓慢、可控。

2）MJS钻孔数据有效地反映了盾构下穿铁路地质真实情况，为盾构近距离下穿高铁路基段提供准确的地质数据，对盾构施工起到较大的作用。

3）MJS工艺是盾构近距离下穿高铁路基段的技术保障：盾构在灰岩地区上软下硬地层顺利掘进，得益于MJS的密封作用，配合使用整体式刀具、采用“高黏度高切口水压”的方式掘进，本次施工切口水压设定为整个3标施工以来的最高设定值，施工过程未出现冒浆、沉降过大的情况，盾构在铁路不停止运行的条件下顺利下穿铁路。

在9号线3标其他区间段的（灰岩地区上软下硬地层中）盾构掘进时，沿线地面曾出现多次沉降过大的情况发生。而在类似地质条件下，盾构下穿铁路的最终沉降均在设计要求范围内。

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（编辑：郝京红）

The First Shield Tunneling Through the Railway Base at Close Range in the Limestone Region

TAN Wen1, YI Jue2, SUN Chengwei1, ZHU Jinfeng2

(1. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510228; 2. China Tunnel Construction Group Co., Ltd., Guangdong, Guangzhou 510228)

Limestone has soft-hard mixed and high strength. These ground conditions make it difficult for driving a shield machine. A shield machine driving under the Wuhan-Guangzhou High-Speed Rail project in section 3 of the Guangzhou metro line 9 is taken as an example. MJS (metro jet system) is used for horizontal long distance (60 m) soil condition improvement to achieve good effect and minimum land subsidence. In addition, the integral cutter is adopted and tunnel face slurry pressure control is implemented. By machine driving control, the shield machine can drive through the substructure where the high-speed train can run safely and the minimum land subsidence might occur.

slurry shield; high-speed railway base; MJS horizontal reinforcement; integral cutting tools

U231

A

1672-6073(2018)02-0083-08

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.014

2017-08-17

2017-09-06

谭文，女，硕士，教授级高级工程师，从事轨道交通建设管理研究，tanwen@gzmtr.com