重慶地鐵單護(hù)盾TBM隧道上跨既有鐵路施工技術(shù)

馬 亮，趙海雷

MA Liang, ZHAO Hai-lei

(1.中國中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine,TBM）是目前最先進(jìn)的巖石隧道開挖裝備，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城市軌道工程、鐵路隧道工程、煤礦巷道工程以及水利隧洞工程等諸多領(lǐng)域。與鉆爆法相比，TBM能同時完成破巖、出渣、支護(hù)等作業(yè)，可實現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)速度可達(dá)到常規(guī)鉆爆法的3～10倍，掘進(jìn)隧道成型好、對圍巖擾動小、作業(yè)安全，尤其適用于深埋長隧道施工。然而復(fù)雜多變的地質(zhì)條件使得TBM設(shè)備的通用性較差，針對情況各異的隧道特點，應(yīng)對TBM進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計。若TBM設(shè)備的選型和采用的施工工藝與在建工程環(huán)境特征不符，將可能導(dǎo)致嚴(yán)重的施工風(fēng)險，無法保證施工進(jìn)度，同時造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用TBM施工，合理選型是關(guān)鍵。目前，地鐵建設(shè)迅猛，將不可避免地導(dǎo)致新建線路下穿或上跨既有線。例如，廣州APM線盾構(gòu)機(jī)穿越運營中的地鐵1號線隧道，深圳地鐵7號線兩次下穿運營中的地鐵1號線，北京地鐵14號線盾構(gòu)隧道下穿運營中的地鐵15號線等等。雖然已有很多盾構(gòu)下穿或者上跨既有運營路線的經(jīng)典案例，然而單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路在國內(nèi)尚屬首例。本工程成功實現(xiàn)了對蘭渝線、渝懷線以及襄渝線等的上跨施工，文中總結(jié)分析了該案例的關(guān)鍵技術(shù)，為今后同類工程的施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程位置

工程區(qū)間位于重慶市北部新區(qū)，根據(jù)區(qū)間地質(zhì)、線路條件及工程籌劃，本工程段采用兩臺單護(hù)盾TBM從大竹林出入段始發(fā)掘進(jìn)，步進(jìn)通過人和站、和睦路站及站前暗挖段，并在重光站后接收井吊出，完成區(qū)間掘進(jìn)任務(wù)，具體位置如圖1所示。

圖1 單護(hù)盾TBM段工程位置示意圖

1.2 區(qū)間隧道與既有鐵路關(guān)系

人和站－幸福廣場站單護(hù)盾TBM區(qū)間隧道沿金開大道向東行進(jìn)，右線于里程YDK17+199.29－YDK16+897.68、左線于里程ZDK17+823.25－ZDK16+926.96依次上穿渝懷上行線人和場隧道、渝懷下行線新人和場隧道以及滬蓉鐵路人和場隧道，而后到達(dá)人和站。工程區(qū)間隧道和既有鐵路隧道的豎向凈間距為4.250～11.944m，其影響長度范圍為19.41～40.06m，區(qū)間隧道和既有鐵路線的平面位置關(guān)系和近接空間位置關(guān)系如圖2和圖3所示。

圖2 區(qū)間隧道與既有鐵路線平面位置關(guān)系

圖3 區(qū)間隧道與既有鐵路線近接空間位置關(guān)系

1.3 工程地質(zhì)

工程地處川東南弧形地帶，華鎣山帚狀褶皺束東南部的次一級構(gòu)造。構(gòu)造骨架形成于燕山期晚期褶皺運動。軌道走向與金鰲寺向斜近于垂直，位于其東翼，巖層傾向300°～320°，傾角10°～20°，沿線并未發(fā)現(xiàn)斷層通過，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，受應(yīng)力作用相對微弱。地表出露地層為第四系全新統(tǒng)松散土層和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖、砂巖組成。原始構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)地貌經(jīng)人工改造為城市主干道，沿線海拔高程290～375m，相對高差85m左右。

2 上跨既有鐵路風(fēng)險分析及建議措施

工程通過三維地震結(jié)構(gòu)模型對施工安全的影響因素進(jìn)行評估，模擬風(fēng)險段圍巖與二襯的圍巖和應(yīng)力變化，來評價既有隧道的結(jié)構(gòu)安全性，其三維模擬計算整體云圖如圖4所示。并采用二維結(jié)構(gòu)荷載模型進(jìn)一步檢驗交叉段既有隧道襯砌內(nèi)力作用，驗證三維模型計算結(jié)果的可靠性，得出工程在上跨蘭渝線、渝懷線及襄渝線等既有隧道時對二次襯砌的內(nèi)力及變形均有一定的影響，其襯砌的安全系數(shù)均存在一定程度的降低。存在的風(fēng)險主要表現(xiàn)在：①應(yīng)力異常，結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險；②襯砌內(nèi)力受荷載影響，導(dǎo)致襯砌存損等；③地層擾動，導(dǎo)致隧道局部變形等。

圖4 三維模擬計算整體云圖

為確保施工安全，根據(jù)風(fēng)險段施工特點，以及對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，提出以下措施：①應(yīng)針對性編制專項施工方案，交相關(guān)鐵路施工、運營管理部門審批后方可實施，并對既有隧道現(xiàn)狀進(jìn)行實時調(diào)查；②在TBM推進(jìn)既有隧道交叉里程點前后50m時，應(yīng)完成對新建隧道的隧底的物探工作，了解是否存在空洞或不密實區(qū)域，并及時采取措施；③過程中應(yīng)嚴(yán)制TBM掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)，以減小TBM擾動影響范圍；④及時對既有鐵路線下穿段采取必要的加固措施；⑤并在TBM掘進(jìn)至交叉段落100m時，完善相關(guān)監(jiān)測工作，做到24h不間斷監(jiān)測，并持續(xù)至掘進(jìn)通過后3個月，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，調(diào)整為常規(guī)監(jiān)測。

3 施工過程控制

3.1 單護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)的控制

以減少擾動襯砌結(jié)構(gòu)為原則，嚴(yán)格TBM掘進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)，有效提高施工組織與管理質(zhì)量，圖5為本工程所使用的單護(hù)盾TBM。形成各綜合信息的聯(lián)動反映，充分考慮地質(zhì)條件的變化、姿態(tài)的變化，以及監(jiān)控量測情況等，進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化和調(diào)整。

在TBM掘進(jìn)參數(shù)的選擇上以“四低一連續(xù)”為原則（即低貫入度、低轉(zhuǎn)速、低扭矩、低推力和連續(xù)掘進(jìn)），要盡量減少刀盤對地層引起的振動和擾動。

圖5 重慶5號線單護(hù)盾TBM

1）掘進(jìn)推力的控制 每環(huán)推進(jìn)之前，應(yīng)參考前面幾環(huán)推進(jìn)的各項參數(shù)，分析總結(jié)單護(hù)盾TBM趨勢，進(jìn)而正確的選擇主推進(jìn)油缸的編組，進(jìn)行合理糾偏。根據(jù)地質(zhì)情況，施工上穿鐵路段推力應(yīng)該控制在額定推力的20%～30%以內(nèi)，即780～1 200t。

2）掘進(jìn)速度控制 加快掘進(jìn)速度，縮短圍巖收斂時間，實現(xiàn)地面沉降控制；然而掘進(jìn)速度過快，可能會使皮帶機(jī)出渣能力不足，導(dǎo)致刀盤被卡。結(jié)合該工程特點，上穿鐵路線區(qū)段掘進(jìn)速度擬定為20～30mm/min。

3）刀盤轉(zhuǎn)速控制 設(shè)定單護(hù)盾TBM額定轉(zhuǎn)速為5～6rad/min，在正常掘進(jìn)段刀盤轉(zhuǎn)速為4.0～4.5rad/min，為確保上跨鐵路段的施工安全和穩(wěn)定，應(yīng)控制刀盤轉(zhuǎn)速為3～3.5rad/min。

4）刀盤扭矩控制 刀盤額定扭矩4 000kNm，在正常掘進(jìn)段刀盤扭矩為900～1 300kNm，為確保上跨鐵路段順利掘進(jìn)，保證已有路線安全運營，上跨鐵路段總扭矩宜控制在700～1 100kNm。

3.2 單護(hù)盾TBM施工軸線的控制

單護(hù)盾TBM施工軸線的控制主要從兩個方面進(jìn)行保證，即測量控制和掘進(jìn)方向控制。

1）測量控制 單護(hù)盾TBM的測量控制工作主要包括平面控制測量、掘進(jìn)施工測量。上跨前先用人工測量方法測定單護(hù)盾TBM始發(fā)姿態(tài)，再利用單護(hù)盾TBM自帶導(dǎo)向系統(tǒng)再次測得單護(hù)盾TBM姿態(tài)，確保兩者結(jié)果一致。并通過管片復(fù)測檢查導(dǎo)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性及成型隧道的管片拼裝質(zhì)量。施工測量實施三級復(fù)核制度，并配合監(jiān)理進(jìn)行檢核，以確保控制點準(zhǔn)確。

2）掘進(jìn)方向控制 采用“PPS自動導(dǎo)向系統(tǒng)+人工測量輔助系統(tǒng)”對TBM姿態(tài)的監(jiān)測。實時了解TBM水平和垂直位置與隧道設(shè)計軸線的偏差與趨勢。通過調(diào)整鉸接油缸行程差，結(jié)合分區(qū)操作單護(hù)盾TBM的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向。在TBM上跨鐵路線之前，將TBM姿態(tài)調(diào)整至最佳，減少TBM糾偏對地層擾動。并在掘進(jìn)中應(yīng)控制TBM趨勢為抬頭狀態(tài)，避免“栽頭”。

3.3 豆礫石吹填的控制

TBM施工使得圍巖受擾或受剪，導(dǎo)致巖體破壞、建筑空隙、地層損失等，導(dǎo)致沉降、坍塌等風(fēng)險存在。采用同步豆礫石吹填和回填灌漿的方法，使管片與巖體形成整體，控制地層沉降。因此，在TBM施工時，要保證及時且充足的豆礫石吹填和回填灌漿。且保證豆礫石回填與TBM掘進(jìn)平行作業(yè)，嚴(yán)守“脫離護(hù)盾一環(huán)就必須回填一環(huán)”的原則。

為保證豆礫石吹填質(zhì)量，謹(jǐn)防受力不均，應(yīng)采用從下到上、兩側(cè)對稱的施工工藝。不同部位的回填效果分別如圖6所示。

圖6 不同部位豆礫石的回填效果圖

3.4 回填灌漿控制

因豆礫石不能有效穩(wěn)固，存在空隙，應(yīng)及時完成水泥漿充填，使得漿體與豆礫石有效結(jié)合與凝固，以提高管環(huán)強(qiáng)度，控制地層變形沉降，并在積極開展二次補(bǔ)充注漿，進(jìn)一步增強(qiáng)背襯注漿層的防水性與密實度，形成穩(wěn)定的防水層，從而實現(xiàn)加強(qiáng)隧道襯砌的目的。具體操作流程為：鑿?fù)ǖ跹b孔→擰緊注漿塞→連接注漿管路→連接注漿泵→注漿（圖7）。

圖7 回填灌漿作業(yè)原理圖

二次補(bǔ)強(qiáng)注漿材料采用的是C-S雙液漿，注漿壓力控制在高于注漿位置水土壓力0.2～0.5bar，使?jié){液具有較好的擴(kuò)散能力，又不至于對周邊巖體和注漿體產(chǎn)生較大影響。

4 沉降監(jiān)測及控制分析

3條上跨鐵路隧道以及周圍地面的沉降監(jiān)測是工程的重點。積極開展施工前、施工中、施工后對鐵路沿線、洞內(nèi)襯砌變形、周圍建（筑）筑物的系統(tǒng)調(diào)查及監(jiān)測工作，實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)測成果的準(zhǔn)確性和高效性，為施工作業(yè)提供真實可信的數(shù)據(jù)參考。

監(jiān)測信息的分析成果及時反饋，為優(yōu)化施工參數(shù)提供參考和依據(jù)，并不斷地驗證掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計的正確性，使施工方案與實際工程情況更加相符，確保TBM上跨鐵路線安全、順利完成。

5 結(jié)論與建議

基于綜合工程地質(zhì)情況、區(qū)間隧道與既有鐵路線空間位置的分析，形成上跨技術(shù)方案。并在實施過程中嚴(yán)控掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)及各施工工藝技術(shù)的執(zhí)行質(zhì)量。最終實現(xiàn)區(qū)間TBM的安全貫通。結(jié)合該項目的施工經(jīng)驗，建議在今后類似的單護(hù)盾TBM施工過程中做好以下幾個方面的工作：①做好風(fēng)險評估與對策，形成施工方案；②做好監(jiān)控量測與分析，及時反饋；③控制好TBM掘進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)；④嚴(yán)控豆礫石吹填和回填灌漿質(zhì)量。

[1]荊留杰，張 娜，楊 晨.TBM及其施工技術(shù)在中國的發(fā)展與趨勢[J].隧道建設(shè)，2016，36(3)：331-337.

[2]劉冀山，肖曉春，楊洪杰，等.超長隧洞TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42(4)：37-43.

[3]《中國公路學(xué)報》編輯部.中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述2015[J].中國公路學(xué)報，2015，28(5)：1-65.

[4]張鏡劍，傅冰駿.隧道掘進(jìn)機(jī)在我國應(yīng)用的進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(2)：226-238.

[5]趙海雷，陳 饋，周建軍，等.引松供水四標(biāo)TBM連續(xù)穿越灰?guī)r的施工技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2017，37(3)：354-362.

[6]龍 斌.新街臺格廟礦區(qū)長距離大坡度斜井TBM設(shè)備選型探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2012，(10)：25-27.

[7]屈冬婷，姬國強(qiáng)，郭力友，等.?5m全面段巖石掘進(jìn)機(jī)主驅(qū)動裝置的研制[J].礦山機(jī)械，2015，43(4)：143-144.

[8]李衛(wèi)兵，劉 斌.影響TBM選型的地質(zhì)因素分析[J].水力發(fā)電，2009，(8)：25-27.

[9]陳 饋.高黎貢山隧道設(shè)計及施工技術(shù)初探[J].建筑機(jī)械化，2009，(2)：48-52.

[10]陳德智.盾構(gòu)隧道近距離下穿既有運營隧道的施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2011，(2)：67-69.

[11]齊保棟，翟 可.深圳地鐵盾構(gòu)首次超近距離下穿既有運營地鐵礦山法隧道施工技術(shù)[J].青海水力發(fā)電，2016，(4)：46-51.

[12]王錫軍.地鐵盾構(gòu)隧道近距離下穿運營盾構(gòu)隧道變形控制技術(shù)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.

[13]吳同昌.盾構(gòu)側(cè)穿并上跨既有地鐵線路施工控制研究[J].施工技術(shù)，2017，46(8)：46-48.