盾構近距離下穿既有重載貨運鐵路隧道施工技術

韋海榮

摘要：近年來隨著城市軌道建設密度加大，新建線路既有下穿鐵路和運營線因涉及運營線路和新建線路重大安全，施工難度大，要求高，越來越被業(yè)內關注。本文以南寧軌道交通4號線土壓盾構下穿廣西沿海貨運鐵路隧道為例，總結土壓盾構近距離下穿既有重載貨運鐵路隧道的關鍵施工技術和主要技術措施。該工程通過針對性隧道設計、合理盾構機選型、優(yōu)化掘進參數(shù)、洞內自動化監(jiān)測、分段限速和限行、連續(xù)勻速通過等措施，實現(xiàn)了盾構安全、高效通過既有重載鐵路隧道，為類似工程提供了借鑒經(jīng)驗和參考數(shù)據(jù)。

關鍵詞：盾構施工;下穿施工;既有隧道;貨運鐵路

中圖分類號： 文獻標識碼：A

一、工程概況

1.1 工程簡介

南寧市軌道交通4號線一期工程施工總承包01標那歷村站～那洪立交站區(qū)間沿那洪大道自西向東敷設，線路埋深15.58～25.32m，地勢較平緩，地下水位埋深4.9m～5.7m。線路線平面間距14.00～21.40m。隧道以直線出那歷村站后以直線進入那洪立交站。隧道縱斷面以16.5‰和5‰單向下坡進入那洪立交站。區(qū)間隧道采用盾構法施工，盾構從那歷村站始發(fā)，那洪立交站接收。區(qū)間左線設計起訖里程為ZK3+570.044～ZK4+449.074，長879.109m;右線起止里程為Y3+570.044～YK4+449.074，長879.03m。區(qū)間設置1個聯(lián)絡通道。兩座地下車站和既有槎路鐵路隧道為該區(qū)間隧道的控制性條件。新建隧道地鐵里程K805+343下穿既有廣西沿海貨運鐵路槎路隧道。距離槎路隧道仰拱底左線為2.644m，右線為2.725m，下穿段對應地鐵右線交點里程K805+321，長度13.4m。

槎路隧道全長2230米，為單洞單線貨運隧道，隧頂埋深約8.16米，采用“新奧法”施工。下穿段采用Ⅱ類復合襯砌及Ⅱ類復合（加強）襯砌，初期支護采用格柵鋼架及型鋼鋼架，噴鋼纖維混凝土，厚度20厘米，錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，每根長3米，間距1米，梅花型布置;二襯鋼筋混凝土厚度45厘米。隧道進口軌面標高95.52米，出口軌面標高104.07米，下穿段軌面標高103.704米，洞內縱坡為人字坡，道床厚度為0.75米，道床形式為碎石道床。槎路隧道設計列車速度為80公里/小時。

1.2 工程地質與水文地貌情況

區(qū)段內主要穿越地層屬于河谷階地區(qū)（邕江高階地亞區(qū)Ⅰ2區(qū)），區(qū)間下伏基巖主要主要為新近系（N）泥巖、泥質粉砂巖、炭質泥巖，主要為半成巖?？辈煦@孔揭露該層中夾有“氧化鐵殼”，一般厚4～20cm，成分為鐵質膠結的石英巖、砂巖，對盾構掘進容易造成卡頓刀盤和螺旋機。下穿區(qū)域地層分布情況從上到下依次為：礫石填土（0-4.7m），含粘性土圓礫（4.7-12.1m），泥質粉砂巖（12.1-16.5m），泥巖（16.5-19.6m），下穿段夾層土為全斷面泥巖，上部有。其中⑦1-3層泥巖（N）呈半巖半土狀，巖芯呈柱狀，泥質結構，局部相變?yōu)榉凵百|泥巖，實測標準貫入試驗錘擊數(shù)N=52～149擊，平均值為99.1擊。壓縮系數(shù)0.09～0.34MPa-1，平均值為0.19MPa-1，屬中等壓縮性土;天然單軸抗壓強度為1.942MPa，巖體基本質量等級V級;⑦2-3層泥質粉砂巖（N）：呈半巖半土狀，大部分巖芯呈柱狀，砂質結構，埋深13.00～19.70m，層厚5.00～10.40的位置，泥質粉砂巖泥質含量較低，遇水經(jīng)擾動后，巖芯呈松散狀態(tài)，實測標準貫入試驗錘擊數(shù)N=54～144擊，平均值為88.9擊。壓縮系數(shù)0.07～0.22MPa-1，屬中等壓縮性土。天然單軸抗壓強度平均值為1.35MPa，為極軟巖，巖體基本質量等級V級。

1.3 工程周邊環(huán)境

隧道所處那洪大道為南寧市江南區(qū)東西向主干道，交通繁忙，重車密集。道路南北側為住宅小區(qū)。該路段位于城市老城區(qū)，地下管線眾多，且密集分布著電力、燃氣、深大排水管等，難有地面應急處置條件。

二、工程重難點和風險

盾構下穿既有運營城市軌道交通隧道在國內外有成功的案例，但距離一般在3--7米范圍，在城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃階段大部分已經(jīng)考慮了預加固或預留等措施。盾構近距離（最小凈距2.64米）下穿既有運營重載鐵路隧道實屬鮮有和罕見，鮮有成功經(jīng)驗借鑒，且既有的鐵路隧道結構部分已出現(xiàn)開裂、滲漏水、施工縫變形過大等問題。南寧沿海鐵路是欽北防重要的鐵路貨運動脈，槎路隧道內設計時速80公里，高峰時期行車間隔30分鐘，每天經(jīng)過槎路隧道的列車有60多趟。如何控制鐵路軌道差異沉降，保證鐵路運營和盾構隧道施工安全，是這一區(qū)間盾構施工重難點。該工程主要難度和風險有：

1、工程條件復雜，既有鐵路隧道結構抗干擾能力差，施工控制要求高。隧道結構豎向位移、水平位移，下部軌道和上部接觸網(wǎng)桿都要求控制在1.5mm/d，累計變化量在正負5毫米內。對盾構掘進控制要求非常高。

2、盾構近距離掘進二次擾動，沉降控制難度大。那～那區(qū)間左右線兩臺土壓盾構先后兩次正下方掘進穿越，最小凈距2.64米，不足1/2洞涇。即使很好的控制了盾構掘進土壓和注漿，二次、近距離累加擾動仍是對既有隧道最大的沉降風險。

3、既有隧道內施工監(jiān)測和應急搶險空間條件非常有限。鐵路隧道內通視條件差，空間有限。鐵路列車正常通行期間不允許任何人進入進入監(jiān)測或加固施工。這對施工監(jiān)測、加固施工和應急搶險帶來了極大困難。這一點是下穿地面既有鐵路運營線沒有的。

4、鐵路結構邊距離到達端頭只有24.7米。盾構掘進通過鐵路隧道后很快破洞。盾構到達常見的洞門滲漏沉降風險危及鐵路隧道。

5、城市軌道和鐵路聯(lián)動組織協(xié)調難度大。鐵路部門對涉鐵均設置了嚴苛的條件和程序，正常施工和應急搶險協(xié)調難度都相對比較大。

三、施工技術及措施對策

針對以上工程技術重難點和風險，在工程施工前后主要采取了以下技術和措施：

3.1、方案階段優(yōu)化車站和區(qū)間設計，深入調查研究，科學策劃，細化專項設計。

1、在詳勘的基礎上針對性做好補勘，做好地下管線調查;

2、對槎路隧道完成現(xiàn)狀檢測，對現(xiàn)狀結構滲漏水完成統(tǒng)計梳理，并做安全性評估。針對疑似空洞位置完成地面對應位置注漿加固補強，改善隧道結構受力。

3、優(yōu)化、特殊管片設計、洞內和地面注漿設計。盾構掘進通過下穿段，加強盾構管片結構整體剛度，對鐵路隧道下方中心線左右兩側16m范圍內的鋼筋混凝土管片配筋進行加強，同時提高管片連接螺栓的強度等級，以提高新建隧道結構承載力，拼裝增加注漿孔型管片（除封頂快外，其余均增加至3個注漿孔，即每環(huán)設置16個注漿孔），徑向打設小導管對管片外地層進行深層注漿加固，重點是地層損失最大的夾層土區(qū)域，彌補盾構掘進產(chǎn)生的地層損失，減小地層擾動，恢復甚至提高地基承載力。

3.2、針對性盾構機選型和配置。

通過盾構機適應性審查，結合工程地質、水文地質和工程工況特點，針對性選擇滿足下穿既有鐵路隧道施工要求的土壓平衡盾構機，復合式刀盤結構，開口率35%，配備39把滾刀，6個泡沫主入口和4個膨潤土注入，除了4個同步注漿管以外。盾構臺車后配備雙液注漿泵，以滿足二次注漿和應急需要。

3.3、通過試掘進總結優(yōu)化掘進參數(shù)。

通過地質條件和埋深深度相仿的100米試驗段，統(tǒng)計分析盾構掘進參數(shù)與地面沉降關系，科學優(yōu)化盾構掘進參數(shù)，通過渣土改良及出渣控制，有效化解下穿鐵路隧道面臨的小凈距大埋深、易結泥餅、易透水、易坍塌等風險，總結左右線前后二次擾動沉降的規(guī)律，同時檢驗設備可靠性，對一線管理人員和作業(yè)人員強化演練。

3.4、實施自動化監(jiān)測技術，信息化施工，動態(tài)監(jiān)測，精準控制施工參數(shù)。

監(jiān)測控制措施在運營鐵路上布設隧道結構豎向位移、隧道結構水平位移、隧道結構拱頂豎向位移、隧道結構拱頂水平位移、軌道豎向位移、軌道幾何形位、接觸網(wǎng)桿豎向位移監(jiān)測點等自動化監(jiān)測項目，及時掌握運營鐵路槎路隧道襯砌和基床的變形變化情況。并對首次調查發(fā)現(xiàn)的裂縫布設人工監(jiān)測點，監(jiān)測裂縫及隧道應力變化情況。在下穿段地面區(qū)域也根據(jù)盾構掘進專項監(jiān)測方案布設相應地表沉降監(jiān)測點。監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時通知施工單位及時調整掘進和注漿參數(shù)，以實時的自動化監(jiān)測來指導施工。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可正常使用。盾構機安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，鐵路隧道內遠程視頻監(jiān)控，接入監(jiān)控平臺，各調度管理崗位共享。

3.5、與鐵路部門聯(lián)動，采取分段限速、限行措施。

前期將盾構施工計劃與鐵路運輸部門對接，完成鐵路限速及封鎖的施工計劃審批，通過行車調度來實現(xiàn)下穿過程中無列車通過或減少列車通過班次施工籌劃。為確保那～那區(qū)間盾構能夠安全順利下穿既有隧道，采取分段限速、限行措施。盾構正穿隧道邊線前后8環(huán)（其中左線553～560環(huán)、567～574環(huán);右線551～558環(huán)、565～572環(huán)）需線路限速45km/h，盾構正穿隧道范圍內需進行線路封鎖（左線561～566環(huán)、右線565～572環(huán)），線路內加固施工期間均為天窗期，車輛停運。

3.6、連續(xù)、勻速掘進通過，前后做封閉環(huán)注漿

根據(jù)試驗段掘進總結分析確定的掘進參數(shù)，掘進接近下穿段開始全力保證盾構“勻速、連續(xù)、均衡施工”，盡量避免停滯。下穿段時，拼裝增加注漿孔型管片（除封頂快外，其余均增加至3個注漿孔，即每環(huán)設置16個注漿孔），對管片注漿孔全環(huán)加密的范圍（左線560～575環(huán)、右線558～573環(huán)）加強洞內二次注漿，充填管片背后的空隙。每隔2環(huán)在管片11點、1點位置注雙液漿，二次補漿注漿量定為0.6m3，注入壓力2.5～3bar。

四、結語

南寧軌道交通4號線那-那區(qū)間兩臺盾構分別于2019年3月下旬和4月下旬安全、順利下穿既有鐵路隧道，鐵路隧道沉降、軌道差異沉降、接觸網(wǎng)變形、裂隙發(fā)展等各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均在控制范圍內，鐵路貨運按行調計劃恢復正常通行。該工程中幾點經(jīng)驗值得類似工程參考借鑒：

1、工程籌劃階段充分的調查研究，盾構適應性選型對下穿既有線風險至關重要;

2、通過試驗段掘進優(yōu)化施工參數(shù)，減少擾動、有效精準注漿，強化施工組織對保證下穿施工安全期關鍵作用;

3、施工過程中“勻速、連續(xù)、均衡施工”，采用自動化監(jiān)控和信息化施工是安全保證;

4、建立地鐵施工和鐵路運營聯(lián)動機制是必要的，采用限速、天窗停運應視具體情況協(xié)商確定。

參考文獻

1、陳德智? 盾構隧道近距離下穿既有運營隧道的施工技術[M]? 廣州? 鐵道建筑? 2011;

2、杜殿達? 阮應書? 盾構下穿既有線鐵路控制技術[M]中國盾構工程技術學術研討會論文集? 人民交通出版社? 2018

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