地鐵單護(hù)盾TBM區(qū)間上跨既有鐵路隧道施工控制技術(shù)研究

熊海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

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地鐵單護(hù)盾TBM區(qū)間上跨既有鐵路隧道施工控制技術(shù)研究

熊海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

依托重慶地鐵五號線單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路隧道的工程實例，對單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路隧道工程的風(fēng)險進(jìn)行分析，通過單護(hù)盾TBM姿態(tài)控制、隧底注漿加固、豆粒石吹填及回填注漿等施工控制技術(shù)措施順利上跨既有鐵路隧道。

地鐵單護(hù)盾TBM沉降姿態(tài)注漿

隨著城市地鐵的建設(shè)，所遇環(huán)境條件變化較多，需穿越障礙物種類繁雜，包括橋梁、隧道、房屋、河流、道路等，國內(nèi)上海、深圳、北京、天津等城市均遇到此類情況，多采用盾構(gòu)穿越。以重慶地鐵五號線大竹林至人和站區(qū)間隧道上跨既有鐵路隧道為例進(jìn)行分析，介紹上跨既有鐵路隧道的技術(shù)措施。

1　工程概況

1.1區(qū)間隧道與既有鐵路線關(guān)系

重慶軌道交通五號線人和站—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)，右線在里程YDK17+199.29～YDK16+897.68、左線在里程ZDK17+823.25～ZDK16+926.96依次上跨渝懷上行線人和場隧道、渝懷下行線新人和場隧道、滬蓉鐵路人和場隧道后到達(dá)人和站。區(qū)間隧道與既有鐵路隧道豎向凈間距4.250～11.944 m，影響長度范圍19.41～40.06 m，區(qū)間隧道與既有鐵路線平面位置關(guān)系如圖1及表1所示。

圖1　區(qū)間隧道與既有鐵路線平面位置關(guān)系

表1　人和站—幸福廣場站區(qū)間上跨既有鐵路線情況匯總

1.2既有鐵路設(shè)計概況

(1)渝懷上行線

渝懷上行線人和場隧道起訖施工里程DK12+850～DK17+584，運營里程K12+765～DK17+499，洞身標(biāo)0+000～4+734，與重慶軌道交通五號線TBM隧道交叉段圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳ級復(fù)合襯砌，混凝土強度等級為C20耐腐蝕混凝土。

(2)渝懷下行線

渝懷下行線新人和場隧道設(shè)計時速120 km，起訖施工里程DK12+795～DK17+566，統(tǒng)一運營里程K12+796～DK17+567，洞身標(biāo)0+000～4+771，與重慶軌道交通五號線交叉段圍巖級別為Ⅳ級。交叉點里程原設(shè)計采用Ⅳ級曲墻復(fù)合式襯砌，混凝土強度等級采用C25耐腐蝕混凝土

(3)滬蓉鐵路隧道

滬蓉鐵路人和場隧道為時速200 km客貨共線鐵路雙線隧道，起訖里程K1662+854～K1667+304。與重慶軌道交通五號線交叉段圍巖級別為Ⅳ級，采用Ⅳ級Ⅰ型襯砌，襯砌拱部、邊墻、仰拱采用C35鋼筋混凝土，仰拱填充C20混凝土，初期支護(hù)噴C25混凝土。

2　控制路基沉降軌道變形簡要措施分析

單護(hù)盾TBM施工對鐵路的影響主要包括路基沉降和軌道變形，其中軌道變形是控制鐵路行車安全的主要因素。對于有砟軌道的路基沉降，可以通過回填道砟、補充注漿等方式予以補充，所以普通鐵路路基沉降要求不高。《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB1001—2005)[1]中7.6.2條規(guī)定，一級鐵路路基沉降量≤20 cm、沉降速率≤5 cm/年?！陡咚勹F路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)[2]中規(guī)定：對于有砟軌道，設(shè)計速度為250 km/h，一般地段工后沉降≤10 cm，沉降速率≤3 cm/年。

施工中以軌道沉降變形為實際控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)2006年鐵道部發(fā)布的《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運[2006]146)[3]，適用于1435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距和線路允許速度為200 km/h及以下的線路。規(guī)則第6.2.1條規(guī)定了線路軌道靜態(tài)幾何尺寸允許偏差范圍管理值。高速鐵路還要遵守《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，同時應(yīng)以鐵路運營單位的實際軌道平順性管理數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

如表2，通過渝懷上下行線、滬蓉鐵路風(fēng)險識別與分析結(jié)果可以看出，區(qū)間隧道上跨鐵路隧道段圍巖條件較好，覆蓋層厚度相對較厚，各風(fēng)險事件的初始風(fēng)險等級均為中度。根據(jù)風(fēng)險接受準(zhǔn)則，需在加強施工控制和管理的同時，實行過程動態(tài)監(jiān)測，施工及運營中發(fā)現(xiàn)異常情況及時采取必要的處理措施以降低風(fēng)險，將殘留風(fēng)險等級降低至可接受范圍。

風(fēng)險事件處理措施見表3。

3　單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路隧道施工方案

基于本工程上跨既有線路隧道段地質(zhì)條件較好，對渝懷鐵路上、下行和滬蓉鐵路3座隧道影響較小，上跨掘進(jìn)將充分發(fā)揮單護(hù)盾TBM施工速度快(破巖、出渣、支護(hù)和襯砌一次成洞)、超挖小、對圍巖擾動小的優(yōu)勢，立足于現(xiàn)有單護(hù)盾TBM施工工藝，遵循“均衡連續(xù)通過”的原則，重點加強掘進(jìn)參數(shù)控制(推力、扭矩、轉(zhuǎn)速等)、工序銜接及設(shè)備管理，嚴(yán)格控制掘進(jìn)姿態(tài)偏差和出渣量，盡量減少對地層的擾動和對既有鐵路隧道的影響。

表2　單護(hù)盾TBM上穿既有鐵路線初始風(fēng)險等級匯總

表3　單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路線風(fēng)險事件處理措施

單護(hù)盾TBM上跨過程中，在既有隧道內(nèi)交叉里程斷面上設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測既有隧道的變形等情況，及時監(jiān)測新建隧道對既有隧道產(chǎn)生的影響，并做好應(yīng)急預(yù)案及搶險物資準(zhǔn)備。施工過程中既有隧道監(jiān)測值達(dá)到閾值時，應(yīng)立即停止施工，及時預(yù)警，分析查明原因，采取相應(yīng)可靠的措施進(jìn)行處理。

掘進(jìn)過程中，按照低推力、低扭矩勻速連續(xù)掘進(jìn)的原則，管片安裝完畢后及時進(jìn)行背后豆礫石吹填及回填灌漿施工。根據(jù)咨詢報告建議，軌道五號線隧道與既有滬蓉鐵路之間凈距較近，在單護(hù)盾TBM施工過程中，應(yīng)對底部圍巖進(jìn)行填充注漿。

上跨鐵路段分左、右線進(jìn)行異步單護(hù)盾TBM法施工，上跨三條既有隧道施工分五步進(jìn)行，施工步驟如圖2所示。

圖2　左、右線單護(hù)盾TBM施工步驟

①右線第一步掘進(jìn)通過渝懷上行隧道20 m；②右線第二步掘進(jìn)通過渝懷下行20 m+左線第一步掘進(jìn)至渝懷下行隧道前30 m；③右線第三步掘進(jìn)通過滬蓉鐵路20 m+左線第二步掘進(jìn)至滬蓉鐵路前30 m；④右線第四步單護(hù)盾TBM進(jìn)入正常段掘進(jìn)+左線第三步掘進(jìn)通過滬蓉鐵路20 m；⑤左線第四步單護(hù)盾TBM正常段掘進(jìn)。

4　具體施工控制技術(shù)

4.1單護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定

單護(hù)盾TBM上跨既有鐵路隧道過程中，掘進(jìn)參數(shù)的選擇遵循“四低一連續(xù)”(即：低轉(zhuǎn)速、低貫入度、低推力、低扭矩、連續(xù)掘進(jìn))的原則，盡量減少刀盤對地層的振動和擾動[8]。

(1)掘進(jìn)推力

單護(hù)盾TBM依靠主推進(jìn)油缸推力向前推進(jìn)，推力的大小與單護(hù)盾TBM掘進(jìn)所遇到的阻力有關(guān)，正確使用主推進(jìn)油缸是單護(hù)盾TBM能否沿設(shè)計軸線(高程)方向準(zhǔn)確前進(jìn)的關(guān)鍵。因此，在每環(huán)推進(jìn)前，應(yīng)根據(jù)前面幾環(huán)推進(jìn)的相關(guān)參數(shù)，分析單護(hù)盾TBM趨勢，正確選擇主推進(jìn)油缸的編組，合理地進(jìn)行糾偏。本單護(hù)盾TBM設(shè)計額定推力為3 900 t，正常段推力為900～1 700 t。根據(jù)前期類似地層施工經(jīng)驗，上跨鐵路段推力應(yīng)控制在額定推力的20～30%以內(nèi)，即780～1 200 t。

(2)掘進(jìn)速度

掘進(jìn)速度是單護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工中一個重要的管理值，決定了單位時間進(jìn)入刀盤的渣土量、單位時間管片脫出盾尾的長度和開挖面到結(jié)構(gòu)完成面的過渡時間。掘進(jìn)速度加快，可有效提高施工效率，減少圍巖收斂時間，從而控制地面沉降；而掘進(jìn)速度過快，又容易造成皮帶機出渣能力不夠，造成刀盤被卡[11]。

已掘進(jìn)段正常速度為40～60 mm/min，根據(jù)已掘進(jìn)段施工經(jīng)驗和地質(zhì)情況，上跨鐵路期間掘進(jìn)速度擬定為20～30 mm/min左右。

(3)刀盤轉(zhuǎn)速

刀盤額定轉(zhuǎn)速為5～6 rad/min，正常掘進(jìn)段刀盤轉(zhuǎn)速為4.0～4.5 rad/min，上穿鐵路段刀盤轉(zhuǎn)速控制在3～3.5 rad/min。

(4)刀盤扭矩

刀盤額定扭矩為4 000 kN·m，正常掘進(jìn)段刀盤扭矩為900～1 300 kN·m，上穿鐵路段總扭矩控制在700～1 100 kN·m。

4.2管片底部固結(jié)灌漿

單護(hù)盾TBM隧道與既有滬蓉鐵路之間凈距較近，圍巖有節(jié)理裂隙及遇水后的軟化，在單護(hù)盾TBM的施工過程中，應(yīng)對底部圍巖進(jìn)行填充注漿。

(1)填充注漿方案

管片底部注漿填充范圍主要為隧道拱底90°范圍，鉆孔深度1 m，線路方向鉆孔注漿間距3 m，隧底注漿填充如圖3所示。

為了滿足注漿需要，單護(hù)盾TBM通過既有鐵路過程中，全部拼裝增設(shè)預(yù)埋注漿孔管片，每環(huán)16個注漿孔，通過注漿孔向隧道外圍地層打設(shè)注漿管注漿[7]。

圖3　隧底注漿(單位：mm)

(2)注漿參數(shù)

注漿材料：地層注漿加固以水泥漿液為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔，水泥漿采用水灰比0.4∶1～0.6∶1的水泥單液漿，水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；水泥漿∶水玻璃=1∶(0.5～1.0)。終注標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力達(dá)到1.5 MPa，并持續(xù)注漿10 min以上，進(jìn)漿量小于5 L/min；注漿參數(shù)調(diào)整選擇3～5個注漿孔位進(jìn)行。

4.3豆礫石吹填與回填灌漿

單護(hù)盾TBM施工引起的建筑空隙、地層損失和單護(hù)盾TBM隧道周圍巖體受擾動或受剪切破壞是導(dǎo)致地層沉降坍塌的主要因素。在單護(hù)盾TBM施工中，通過同步豆礫石吹填與回填灌漿使管片和巖體形成穩(wěn)定的整體，可以有效抑制地層沉降。因此，在單護(hù)盾TBM上跨鐵路隧道過程中，要確保及時、充足的豆礫石吹填與回填灌漿。

(1)豆礫石吹填

豆礫石底拱回填堅持“脫離護(hù)盾一環(huán)就必須回填一環(huán)”的原則進(jìn)行。豆礫石回填工藝原理是將豆礫石運輸罐車與豆礫石噴射機上料系統(tǒng)聯(lián)接，打開放料閥使豆礫石放入皮帶機的上料口，啟動皮帶機將豆礫石輸送到豆礫石噴射機上方料斗，通過控制料斗下方的放料閥門，將豆礫石均勻輸送到豆礫石噴射機接料口，在放料的同時啟動豆礫石噴射機，這時豆礫石有序的分配到豆礫石噴射機內(nèi)各料腔，通過壓縮空氣，豆礫石經(jīng)管道壓送到噴頭至管片外側(cè)與圍巖之間的空腔中。

為確保豆礫石吹填飽滿，防止管片受力不均發(fā)生側(cè)向偏移，豆礫石吹填時采取自下而上、兩側(cè)對稱的施工工藝，如圖4、圖5所示。

圖4　底拱豆礫石回填效果

圖5　兩側(cè)拱豆礫石回填效果

(2)回填灌漿

一次注漿后，可能存在局部不均勻空腔現(xiàn)象。為提高背襯注漿層的防水性及密實度，在拖車后部進(jìn)行二次補充注漿，使注漿體充填均勻，形成穩(wěn)定的防水層，達(dá)到加強隧道襯砌的目的。

5　結(jié)論

目前該區(qū)間已順利貫通，區(qū)間橫向及高程貫通測量及管片成型環(huán)徑向偏差均在允許偏差范圍內(nèi)，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)隧道水平凈空收斂、隧道變形測量、地表(地面)沉降、地面臨近建(構(gòu))筑物監(jiān)測符合城市軌道交通監(jiān)測技術(shù)規(guī)范。綜合考慮以上措施，在隧道掘進(jìn)過程中做好監(jiān)控量測，控制好掘進(jìn)參數(shù)和注漿加固等，可以確保隧道施工過程中鐵路的正常運營和區(qū)間施工安全。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10001—2005鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[2]中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009

[3]中華人民共和國鐵道部.鐵運[2006]146號鐵路線路維修規(guī)則[S].北京：中國鐵道出版社，2006

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑出版社，2013

[5]GB 50446-—2008盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10003—2005鐵路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[7]王偉忠.盾構(gòu)下穿既有鐵路線路地基加固方案與效果分析[J].鐵道建筑，2007(12)：63-65

[8]張飛進(jìn).盾構(gòu)隧道穿越既有線施工控制措施研究[C]∥隧道、地下工程及巖石破碎學(xué)術(shù)研討會論文集.大連：大連理工大學(xué)出版社，2007：176-180

[9]張舵.地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越既有鐵路技術(shù)措施研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(2)：81-84

[10]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50715—2011地鐵工程施工安全評價標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2012

[11]仲建華.城市軌道交通工程硬巖掘進(jìn)機(TBM)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013

[12]TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

The Subway on Single Shield Tbm Interval Across Both Railway Construction Control Technology Research

XIONG Haitao

2015-02-25

熊海濤(1981—)，男，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)02-0103-04

U455.43

A