首例盾構(gòu)在灰?guī)r地區(qū)近距離下穿高鐵路基段技術(shù)

譚 文，易 覺，孫成偉，朱勁鋒

?

首例盾構(gòu)在灰?guī)r地區(qū)近距離下穿高鐵路基段技術(shù)

譚 文1，易 覺2，孫成偉1，朱勁鋒2

（1. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510228；2. 廣東華隧建設(shè)集團股份有限公司，廣州 510228）

灰?guī)r地層因其軟硬不均、上軟下硬、高強度，導(dǎo)致盾構(gòu)在掘進過程中難度極大。以廣州地鐵9號線3標(biāo)盾構(gòu)下穿武廣高鐵路基段施工為例，創(chuàng)新性地引入MJS水平加固施工技術(shù)，長距離進行水平旋噴樁加固（60 m），成樁效果良好，沉降控制好，配合盾構(gòu)整體式刀具及切口水壓控制，通過掘進管理，保證盾構(gòu)機在下穿不停運高鐵路基段順利掘進，確保施工安全。

泥水盾構(gòu)；高鐵路基段；MJS水平加固；整體式刀具

1 工程概況

1.1 地鐵9號線工程概況

巖溶是指地表水或地下水對可溶性巖石進行侵蝕、溶蝕而產(chǎn)生的一系列地質(zhì)現(xiàn)象的總稱[1]，廣州市花都區(qū)位于廣東省中南部、珠江三角洲北緣，9號線線路大部分位于灰?guī)r地區(qū)，灰?guī)r中揭露有溶洞發(fā)育、溶蝕裂隙、土洞等，見洞率約為50%（見圖1）。本線為國內(nèi)首條大面積穿越巖溶區(qū)的地鐵線路。

圖1 車站開挖后灰?guī)r地層溶洞及溶蝕溝槽

地鐵線路沿線存在砂層較厚，地下水豐富，砂層與基巖面直接接觸，地質(zhì)強度差異較大，為典型的上軟下硬地層。工程施工時，易發(fā)生突發(fā)性的水土流失而造成地面沉降。

灰?guī)r強度較高，最大抗壓強度可達150 MPa，對盾構(gòu)掘進存在較大的風(fēng)險，尤其是對盾構(gòu)機刀具是個嚴(yán)峻的考驗。上軟下硬地層巖層刀具磨損嚴(yán)重，但是上部土體又極不穩(wěn)定[1-4]。

1.2 近距離下穿高鐵工程概況

盾構(gòu)下穿武廣高鐵位于廣州市軌道交通9號線3標(biāo)段內(nèi)，選用2臺泥水平衡盾構(gòu)機進行掘進。其中，盾構(gòu)線路下穿廣州北站鐵路路基段，下穿總長度約為110 m，包括武廣高鐵4條股道、京廣鐵路6條股道及站臺（見圖2）。

1）武廣高鐵：于2009年底開通運營，是設(shè)計時速為350 km/h的高速鐵路，軌道采用CRTS-I型雙塊式無砟軌道。

圖2 地鐵隧道下穿鐵路示意圖和現(xiàn)場實景圖

2）京廣鐵路：設(shè)計時速為160 km/h的國家Ⅰ級干線鐵路，軌道采用碎石道床、普通砼軌枕。

2 設(shè)計方案

設(shè)計方案經(jīng)歷多次專家審查及報部批復(fù)后，最終確定采用水平旋噴超前預(yù)加固+淺埋泥水盾構(gòu)+自動化實時監(jiān)測下的信息化施工+應(yīng)急預(yù)案的總體技術(shù)方案。盾構(gòu)下穿鐵路的總體流程為：

1）先施作鐵路東、西兩側(cè)的臨時豎井1、豎井2（見圖3）；

2）在豎井內(nèi)施工水平MJS樁加固（見圖4、圖5）；

圖3 MJS水平樁加固平面布置示意

圖4 2#豎井（京廣段）MJS水平樁加固橫剖面

圖5 1#豎井（武廣高鐵段）MJS水平樁加固橫剖面

3）盾構(gòu)下穿鐵路路基段。

3 施工方案

3.1 MJS水平加固施工

廣州北站MJS水平加固工程設(shè)計樁徑2 m，搭接300 mm，樁長58.5 m、59.5 m，主要施工參數(shù)為注漿壓力≤40 MPa。每立方米樁體水泥漿、膨潤土、絮凝劑含量分別為1.6 m3（0.85 t水泥），5.7 kg，0.47 kg。

3.1.1 MJS工法介紹

MJS工法（metro jet system）又稱全方位高壓噴射工法（見圖6），主要特點是：通過監(jiān)測噴射點附近地層壓力變化，反饋控制特有的排漿管閥門泄壓或保壓，控制地層沉降和隆起；同時還能實現(xiàn)高標(biāo)貫土層中大樁徑、垂直施工大深度、水平施工長距離、傾斜施工高精度、管道排漿零污染。

廣州北站MJS水平加固工程中，成孔時每鉆進一段距離就使用測斜儀進行精度測量，采用獨特糾偏鉆頭和合適方法后鉆桿偏斜明顯減?。ㄒ妶D7、圖8）。成孔精度控制的提高，不僅達到1%的精度減小了偏斜，還保證了鉆桿曲線平緩，減小了鉆進阻力，最終實現(xiàn)了60.3 m大深度高精度一次成孔。

確定MJS水平加固樁Φ2 000@1 700的樁體質(zhì)量，在施工結(jié)束后28 d進行，采用鉆芯法進行檢測，鑒于水平抽芯施工難度大，擬采用垂直抽芯檢測。樁體強度至少3.5 MPa，最高達到20 MPa以上，滿足設(shè)計要求。

在不同地層中，根據(jù)抽芯情況，結(jié)合日本的施工經(jīng)驗可得知，具有不同的成樁半徑見表1。

圖6 MJS主機+高壓泵施工示意

圖7 水平成孔精度測量儀

（測量多孔管彎曲<傾斜角度的測定器）

Fig. 7 Horizontal precision hole measuring instrument

圖8 糾偏鉆頭及測斜儀

表1 成樁直徑

Tab.1 Pile diameters

根據(jù)完成的MJS樁統(tǒng)計，在正常施工的MJS加固樁施工過程中，51%的地面沉降主要是由于水泥收縮本身所帶來的，它所引起的地面沉降是毫米級的，沉降相對是緩慢的、可控的，地面無任何隆起。在正常施工情況下，MJS水平樁施工期間單樁沉降控制在–1.59~0.28 mm。

3.1.2 MJS施工后反映出下一步盾構(gòu)施工的問題

從MJS的施工可知，在鐵路下方地質(zhì)發(fā)生變化，從原來的軟土地層變化為有灰?guī)r侵入隧道的上軟下硬地層，在靠近廣州北站的花城路站、1#豎井、2#豎井，在基坑開挖后，均存在巖面高度的超預(yù)期現(xiàn)象。

根據(jù)統(tǒng)計，一般灰?guī)r地區(qū)巖面高度相比勘察資料高2~4 m不等。巖面高度的超預(yù)期，主要是由于區(qū)內(nèi)巖土體類型較多，巖性巖相變化大，巖面起伏較大，巖土體力學(xué)強度差異大，導(dǎo)致勘探桿沿著斜巖面、巖層間夾雜軟硬土層（裂隙、溶洞）間鉆進，得出與實際開挖揭示有差異的巖面高度。因此，盾構(gòu)下穿廣州北站與原方案（全斷面軟土地層）相比較，具有更大的風(fēng)險性。

3.2 盾構(gòu)機近距離下穿武廣鐵路路基段

地面（鐵路）沉降的控制能力，對于在巖溶地區(qū)掘進（京廣鐵路下方未預(yù)處理）、上軟下硬地層的掘進、環(huán)流堵塞引起的波動、武廣客專下方旋噴樁群及地下不明物體，都給盾構(gòu)掘進時的地面沉降控制帶來了較大困難。

3.2.1 刀具選配

灰?guī)r地區(qū)地質(zhì)較為復(fù)雜，巖層強度大、破碎、軟硬不均、上軟下硬等，要求盾構(gòu)機配置刀具具有較好的破巖能力和抗沖擊能力，滾刀的刀具類型、刀圈硬度的選擇尤為重要。從9號線盾構(gòu)掘進施工中看，破碎、高強度灰?guī)r層或上軟下硬地層中，普通標(biāo)準(zhǔn)刀圈或?qū)捜兄匦偷度Χ急容^容易發(fā)生刀圈斷裂的問題。相比而言，大合金整體式滾刀的破巖能力和耐沖擊性都更為優(yōu)良（見圖9、圖10）[5-9]。

3.2.2 MJS施工揭示地質(zhì)與盾構(gòu)下穿實際地質(zhì)對比

左線下穿鐵路段的實際地質(zhì)和MJS加固施工鉆孔數(shù)據(jù)較為接近，更新的地質(zhì)剖面圖對下穿有較大的指導(dǎo)作用。同時，右線下穿鐵路段掘進至533環(huán)泥漿黏度開始上升，同時出渣發(fā)現(xiàn)有灰?guī)r，掘進至536環(huán)出渣灰?guī)r增多，環(huán)流較為堵塞，右線下方地質(zhì)復(fù)雜多變，可以看出根據(jù)MJS鉆孔數(shù)據(jù)描繪的地質(zhì)剖面具有較大的參考意義，也進一步驗證了此類地質(zhì)構(gòu)造系中灰?guī)r巖面伴隨粉細顆粒沉積的特征（見圖11）。

3.2.3 盾構(gòu)下穿鐵路掘進管理

1）循環(huán)模式。左線掘進施工，主要以逆循環(huán)掘進，局部區(qū)段共7環(huán)采用了正循環(huán)掘進。右線掘進施工，逆循環(huán)掘進雖然在一定程度上確保了切口水壓穩(wěn)定，但如果土倉有異物，不易帶出，可能對刀盤、刀具及其他設(shè)備造成損害；環(huán)流循環(huán)模式采用“正逆循環(huán)相結(jié)合”的方式，先采用正循環(huán)，在切口壓力、扭矩波動或環(huán)流堵塞時才采用逆循環(huán)掘進；當(dāng)隧道斷面巖面提高，可能產(chǎn)生大塊塊石堵塞排泥口，環(huán)流堵塞時，根據(jù)盾構(gòu)參數(shù)變化情況宜優(yōu)先啟用逆循環(huán)掘進。

圖10 大合金整體式滾刀

2）推力和扭矩。推力初定控制在1 000 t以下（不超過1 200 t），扭矩控制定在1 200 kN·m以下，實際推進推力為700~1 200 t，扭矩為400~1 200 kN·m（最高為598環(huán)掘進扭矩約1 700 kN·m）。

3）掘進速度和刀盤轉(zhuǎn)速。主要控制為10~ 15 mm/min，最大速度為17 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速1.2 r/min，特別是上軟下硬地層，貫入度不得超過10 mm/r。

圖11 結(jié)合MJS加固鉆孔出渣情況顯示實際工程地質(zhì)情況Fig.

4）泥漿黏度。左線，實際掘進時由于部分地層造漿能力強，入口一般在40~50 s，含砂率在2%~5%。右線，泥漿黏度控制在30 s以上，含砂率控制在5%以下，在環(huán)流順暢的情況下，控制泥漿黏度在35 s左右，攜渣能力比較有保障。

5）注漿量。鐵路下方全部采用增加注漿孔管片，按照刀盤外圈38、39號采用18寸整體式滾刀，管片和切削面的間隙約為5 m3，所以初定同步注漿量控制為8 m3，同步注漿的填充率就可以達到160%，二次注漿主要對上部管片注漿，以壓力0.7~0.75 MPa控制，主要對管片上方進行二次注漿[10]。

6）切口水壓。切口水壓以平衡為原則，切口水壓在高黏度泥漿護壁情況下，采用刀盤中心至地面埋深的經(jīng)驗水土壓力+25 kPa（僅考慮地下水壓+50 kPa），并及時根據(jù)站場內(nèi)的建構(gòu)筑物變化而調(diào)整切口水壓，可以保持開挖面穩(wěn)定。

7）姿態(tài)控制。對于上軟下硬地層采用大推力、高扭矩、低轉(zhuǎn)速、緩速度的掘進參數(shù)，減少對上部地層的擾動。盾構(gòu)機姿態(tài)在設(shè)計軸線的基礎(chǔ)上預(yù)先設(shè)定一個20～30 mm的下偏量，平衡盾構(gòu)機在掘進過程中的上漂現(xiàn)象[11-12]。

3.2.4 盾構(gòu)下穿鐵路數(shù)據(jù)統(tǒng)計

右線盾構(gòu)下穿情況與左線基本類似，以下主要為左線盾構(gòu)下穿的具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計：

1）推力及扭矩統(tǒng)計。從掘進推力及扭矩統(tǒng)計曲線圖可以看出，下穿鐵路段掘進推力最大12 115 kN，最小為6 902 kN，平均推力為8 669 kN，刀盤扭矩最大為598環(huán)1 746 kN·m，最小為588環(huán)360 kN·m，平均為764 kN·m?？傮w來說，掘進推力及扭矩都不大，掘進過程也較為平順，掘進參數(shù)比較平穩(wěn)。

2）掘進速度統(tǒng)計。從掘進速度統(tǒng)計得出最大速度為17 mm/min，最小掘進速度為7 mm/min，平均速度為10 mm/min。

3）切口水壓統(tǒng)計。下穿鐵路段掘進的建議切口水壓為刀盤中心至地面埋深的經(jīng)驗水土壓力+25 kPa（僅考慮地下水壓+50 kPa），從建議切口水壓和實際掘進的切口水壓來看，在實際的掘進施工中，除了在進入1號豎井回填區(qū)期間降低切口水壓外，其他的掘進施工嚴(yán)格按照原設(shè)定的切口水壓掘進，在整個下穿掘進施工過程未出現(xiàn)冒漿或線路隆起等現(xiàn)象、沉降控制情況良好（見圖12）。

圖12 切口水壓統(tǒng)計

4）注漿量統(tǒng)計。下穿鐵路段掘進的注漿量統(tǒng)計來看，按照刀盤配置18寸邊緣滾刀后切削直徑為6 350 mm計算，開挖面和管片間隙為5.2 m3，本次下穿掘進施工采用同步注漿8 m3，二次注漿采用0.7～0.75 MPa壓力控制（起初設(shè)定為0.5～0.6 MPa，后考慮控制盾尾通過后的后續(xù)沉降、調(diào)高二次注漿壓力），整個下穿掘進施工平均每環(huán)同步注漿8 m3，二次注漿3 m3，總注漿11 m3，填充率達到210%。

從下穿鐵路段的掘進泥漿黏度統(tǒng)計來看，原設(shè)定在砂層中設(shè)定泥漿黏度入口為30 s或以上，但由于下穿鐵路段總體地層造漿能力強，所以入口泥漿黏度較難控制，調(diào)漿壓力大。整個下穿掘進段的平均入口黏度為50 s，平均出口黏度為60 s，含砂率在2%~5%之間，平均泥漿黏度上升10 s，掘進過程中需要大量調(diào)配隧道和廢漿池廢水，基本上能滿足掘進施工要求。

5）掘進時間統(tǒng)計。正常的掘進時間（掘進、組裝管片、接管）時間占比為81.2%以上，機械故障（包括地面和隧道機械故障）時間占比約為9.4%，其余因素占比約9.4%（注漿、等漿，堵管、沖墊、開采石箱，泥漿池滿，調(diào)漿，開倉）。

6）監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計。左線下穿鐵路段施工過程中，根據(jù)第三方監(jiān)測提供的站場內(nèi)沉降數(shù)據(jù)，京廣鐵路范圍最大沉降點位于京廣鐵路2號站臺，沉降值為–6.47 mm，平均沉降–1.56 mm。武廣高鐵范圍最大沉降點位于武廣高鐵3號股道上方，沉降值為–5.64 mm，平均沉降–1.64 mm。

監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)論：在盾構(gòu)下穿鐵路期間沉降比較可控，最大沉降量–6.47 mm；沉降主要發(fā)生在線路上方范圍內(nèi)，在距隧道邊線2~3 m外，沉降基本上都在2 mm以內(nèi)。沉降槽的寬度比較窄；單次沉降最大通常發(fā)生在盾尾脫離和盾尾過后階段，控制沉降從管片二次補漿著手；各橫斷面的最大沉降值，普遍在3~5 mm之間，線路上方的沉降有一定的規(guī)律性。

4 盾構(gòu)下穿鐵路的總結(jié)與反思

綜合盾構(gòu)下穿鐵路段掘進施工情況，得出以下結(jié)論：

1）盾構(gòu)機在此條件下，掘進過程中所引起的地面塌陷往往是突發(fā)性的，這種突發(fā)性的塌陷，對鐵路安全性來說，也是致命的，MJS的加固使得盾構(gòu)在鐵路施工過程中的沉降變得相對緩慢、可控。

2）MJS鉆孔數(shù)據(jù)有效地反映了盾構(gòu)下穿鐵路地質(zhì)真實情況，為盾構(gòu)近距離下穿高鐵路基段提供準(zhǔn)確的地質(zhì)數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)施工起到較大的作用。

3）MJS工藝是盾構(gòu)近距離下穿高鐵路基段的技術(shù)保障：盾構(gòu)在灰?guī)r地區(qū)上軟下硬地層順利掘進，得益于MJS的密封作用，配合使用整體式刀具、采用“高黏度高切口水壓”的方式掘進，本次施工切口水壓設(shè)定為整個3標(biāo)施工以來的最高設(shè)定值，施工過程未出現(xiàn)冒漿、沉降過大的情況，盾構(gòu)在鐵路不停止運行的條件下順利下穿鐵路。

在9號線3標(biāo)其他區(qū)間段的（灰?guī)r地區(qū)上軟下硬地層中）盾構(gòu)掘進時，沿線地面曾出現(xiàn)多次沉降過大的情況發(fā)生。而在類似地質(zhì)條件下，盾構(gòu)下穿鐵路的最終沉降均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

[1] 郭抗美. 工程地質(zhì)學(xué)[M]. 北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2006: 132.

GUO Kangmei. Geologicl engineering[M]. Beijing: China Building Materials Industry Press, 2006: 132.

[2] 張廷. 隧道巖溶處理面面談[J]. 探礦工程-巖土鉆掘工程, 2001(2): 64-66.

ZHANG Ting, Tunnel Karst Treatment face[J]. Exploration engineering: rock & soil drilling and tunneling , 2001 (2): 64-66.

[3] 雷明堂, 蔣小珍, 李瑜, 等. 城市巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估: 以貴州六盤水市為例[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 2000, 21 (4): 118-127.

LEI Mingtang, JIANG Xiaozhen, LI Yu, et al. Risk assessment of urban karst collapse geological hazards: a case study of Liupanshui, Guizhou[J]. The Chinese journal of geological hazard and control, 2000, 21 (4): 118-127.

[4] 黃焰, 伍永勝. 巖溶地區(qū)城市地下淺埋隧道工程技術(shù)研究[J]. 土木工程學(xué)報, 2005, 38(8): 107-113.

HUANG Yan, WU Yongsheng. Engineering Techniques for construction of shallow underground tunnels in urban karst regions[J]. China civil engineering journal, 2005, 38(8): 107-113.

[5] 土木學(xué)會.隧道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范(盾構(gòu)篇)及解說[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

Civil society of civil engineering. Tunnel Standard Speci-fication (shield) and explanation[M]. Beijing: China Archi-tecture Industry Press, 2011.

[6] 尹旅超, 朱振宏. 日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社, 1999.

YIN Lvchao, ZHU Zhenhong. New technology of the shield of the Japanese tunnel[M]. Wuhan: Central China Polyte-chnic University Press, 1999.

[7] 竺維彬, 鞠世健. 復(fù)合地層中盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京: 中國科學(xué)技術(shù)出版社, 2006.

ZHU Weibin, Ju Shijian. Shield tunnelling technology in mixed face ground conditions[M]. Beijing: China Science and Technology Press, 2006.

[8] 張良輝, 廣州復(fù)合地層中盾構(gòu)施工技術(shù)難點及應(yīng)對措施[J]. 施工技術(shù), 2005, 34(6): 21-23.

ZHANG Lianghui, Technical problem and and Counter-measures of shield construction in compound strata of Guangzhou area[J]. Construction technology, 2005, 34(6): 21-23

[9] 譚忠盛, 洪開榮, 萬姜林, 等. 軟硬不均地層復(fù)合盾構(gòu)的研究及掘進技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2006, 26(S2): 3945-3952.

TAN Zhongsheng, HONG Kairong, Wan Jianglin, et al. Study on composite shield and construction techniquein complex uneven strata[J]. Chinese journal of rock mecha-nics and engineering, 2006, 26(S2): 3945-3952

[10] 秦漢禮. 盾構(gòu)隧道鋼筋混凝土管片制作技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2006, 26 (S1): 28-31, 54.

QIN Hanli. The technology of making reinforced concrete pipes in shield tunnel[J]. Tunnel construction, 2006, 26(S1): 28-31, 54.

[11] 程驍, 潘國慶. 盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社, 1990.

CHENG Xiao, PAN Guoqing. Shield construction tech-no-logy[M]. Shanghai: Shanghai Scientific and Technical Literature Publishing Press, 1990.

[12] 盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范: GB50446—2008[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

Code for construction and acceptance of shield tunnelling method: GB50446—2008[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008

（編輯：郝京紅）

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

譚文，女，碩士，教授級高級工程師，從事軌道交通建設(shè)管理研究，tanwen@gzmtr.com