大直徑盾構在鐵路隧道中的應用分析

鄒坤秘 楊 義

（1.中鐵二局集團有限公司城通分公司，四川 成都 610000；2.中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610082）

0 引言

隨著我國社會經濟不斷的發(fā)展，城市化進程不斷加快，鐵路運輸量與速度都有了大幅度提升。隧道工程也不可避免的越來越多，“逢山開路”普遍采用暗挖法施工，施工過程所面臨的地質等困難復雜多樣，這無形中加大的隧道施工難度，增加了施工風險，降低了隧道施工進度。而隨著盾構技術應用的逐漸成熟，大直徑盾構在鐵路隧道施工中逐漸增多，推動了鐵路工程的建設進程，減少了施工中的安全風險，提高了隧道建設質量。本文以成蒲鐵路西環(huán)線增加二線工程紫瑞隧道建設為例，從安全質量和進度等方面進行分析盾直徑盾構應用前景。

1 大直徑盾構施工技術的發(fā)展和應用情況

1.1 大直徑盾構施工技術的應用現狀

大直徑盾構應用于鐵路隧道施工中，可降低施工中的安全風險，提高隧道的建設質量。紀俊吉[1]基于上海市域鐵路隧道項目，對隧道監(jiān)理管控內容及各階段的要點難點進行分析總結；代洪波[2]對我國118 項大直徑盾構隧道項目進行統(tǒng)計匯總可知,對國內大直徑盾構隧道從勘察設計到施工技術管理等各階段的綜合技術現狀分析總結，指出目前大直徑盾構隧道面臨的主要問題；高始軍[3]介紹了廣湛高鐵大直徑海底隧道項目的工程施工重難點、工期情況和主要創(chuàng)新技術；刁目松[4]基于南寧至崇左鐵路留村隧道工程介紹了大直徑鐵路盾構隧道施工特點和風險，并提出了風險控制策略；趙繼華[5]以太原鐵路東晉隧道區(qū)間直徑12.14 m 土壓盾構機始發(fā)施工為例,分析二次始發(fā)問題并優(yōu)化盾構多次分體組裝始發(fā)方案；肖明清[6]針對佛莞城際鐵路獅子洋隧道的高水壓、土巖復合地層，穿越三處破碎帶和兩處水下斷層等問題進行研究，并給出盾構總體設計和安全設計等方面的建議；蔣超[7]基于佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程，調研類比總結類似工程,對隧道平面、埋深選擇、橫斷面比選、防水耐火、救援疏散等多方面的方案進行詳細闡述；趙勇[8]針對京張高鐵清華園隧道穿越地鐵、城市主干道和重要市政管線,安全風險高、防災救援難度大等難題,實現了盾構隧道施工可視化、動態(tài)監(jiān)控與管理和盾構隧道智能建造技術體系。翟志國[9]以望京隧道為例，提出在以黏土、粉土和粉細砂層等軟弱細顆粒為主的富水地層超深豎井大直徑泥水盾構快速接收技術；張憶[10]基于江陰靖江長江隧道超長隧道安全問題,提出了一種新的頂部集中排煙盾構隧道結構防火保護策略和快速救援技術。李宏安[11]結合北京地鐵14號線東風北橋站至京順路站區(qū)段大直徑盾構隧道施工及擴挖修建地鐵車站的工程實踐,提出了大直徑盾構區(qū)間及擴挖車站的解決方案。洪開榮[12]介紹了獅子洋盾構隧道修建的有關設計與施工的技術。肖明清[13]針對三陽路長江隧道的工程實踐,對隧道平面斷面情況、疏散救援等關鍵技術進行了分析研究。

1.2 大直徑盾構施工技術的應用案例

1.2.1 太原鐵路樞紐西南環(huán)線東晉隧道

太原鐵路樞紐西南環(huán)線起點為西山支線汾河站，終點為太中銀線北六堡站，正線全長53.64km，建成后將與原有線路對接形成太原環(huán)城鐵路。東晉隧道始發(fā)于萬柏林區(qū)玉門河南岸，沿西中環(huán)南下，終至長風西街南側，全長4850m，開挖直徑12.14m。盾構隧道設計為單洞雙線，埋深8~25m，開挖斷面大，重大風險源達到64處，地質條件錯綜復雜，施工期間地表最大沉降控制在10mm 之內，管片錯臺控制在5mm，月平均進度指標達202m，是國內首次采用土壓平衡盾構機施工，創(chuàng)造了中國鐵路盾構施工月掘進尺420m 和日掘進尺22m的新記錄。

1.2.2 廣深港高速鐵路獅子洋隧道

獅子洋隧道位于廣州—深圳—香港（廣深港）高速鐵路客運專線東涌站—虎門站區(qū)間內，隧道全長10.8km，其中盾構隧道長9.34km，隧道內徑為9.8m、外徑為10.8m，兩隧間共設23 個聯絡通道，采用2 臺直徑11.18m 泥水盾構施工。獅子洋隧道是世界首座時速350km 的鐵路水下隧道，也是我國首座特長水下隧道。獅子洋隧道盾構段下穿小虎瀝、沙仔瀝、獅子洋三個珠江入海水道，獅子洋水道為珠江航運的主航道，最大水深26m。隧道最大覆土52.3m，最小覆土厚7.8m；水下最小覆土8.7m，設計水壓達0.67MPa。獅子洋隧道大部分處于微風化砂巖、砂礫巖、砂質泥巖中，巖石的最大單軸抗壓強度達82.8MPa，石英含量最高達55.2%。地層最大滲透系數達6.4×10-4m/s。隧道的建成被譽為“世界高速鐵路隧道修建技術的里程碑”。獅子洋隧道地質斷面如圖1所示。

圖1 獅子洋隧道斷面圖

1.2.3 京張鐵路清華園隧道

清華園隧道全長6.02km，長距離穿越卵石土地層，地質條件異常復雜，采用直徑12.64m 大直徑泥水盾構施工。期間下穿特級風險源3處，一級風險源80處，是目前國內城市核心區(qū)穿越地層最復雜、重要建（構）筑物眾多的高鐵單洞雙線大直徑高風險盾構隧道，以5.4m 凈距下穿正在運營的地鐵10 號線，最小凈距3.4m側穿地鐵13號線，最小凈距0.8m上跨地鐵15號線。清華園隧道現場如圖2所示。

圖2 清華園隧道

1.2.4 京沈客專望京隧道

京沈客專望京隧道全長8000m，采用4 臺10.9m 泥水盾構施工，隧道在地下穿越首都機場高速、機場快軌、地鐵15 號線、馬泉營地鐵站、紅磚藝術中心、污水處理廠、高壓塔架、多處居民區(qū)和高大建筑等重大風險源，隧道最深處43m，距離地鐵車站維護結構僅0.6m，穿越距離長達120m，連續(xù)下穿車站密集道岔區(qū)，變形量控制要求正負1mm 以內，保證每天近700 余次地鐵列車運行安全。京沈高鐵線路將華北和東北兩大經濟區(qū)緊密相連，線路開通后北京至沈陽間的列車運行時間可壓縮至2h。望京隧道現場如圖3所示。

圖3 望京隧道

1.2.5 武漢三陽路長江隧道

武漢市軌道交通7 號線一期工程穿越長江段，區(qū)間隧道長約2590m，左線1295 環(huán)，右線1293 環(huán)，外徑15.2m，內徑13.9m，采用2 臺直徑15.76m 泥水氣平衡盾構進行施工，管片厚650mm，環(huán)寬2m，隧道最小轉彎半徑1200m，最大縱坡3.0%，為公路和地鐵兩用隧道。隧道分為三層，上層布置道路隧道的火災排煙專用風道；中間層為道路交通層，布置3 條行車道，兩側布置消防、監(jiān)控等相關設備；下層空間分為左中右3 孔，中間孔為地鐵行車孔，兩側孔分別為公鐵合用的疏散廊道、地鐵火災排煙道和道路隧道用的管線廊道。武漢三陽路長江隧道如圖4所示。

圖4 武漢三陽路長江隧道

2 工程概況

2.1 工程地質特點

紫瑞隧道位于Ⅳ、Ⅴ級圍堰地層中，其中粗圓礫石地層自穩(wěn)性差，其間賦存有大量的孔隙潛水，泥巖及砂巖地層強度差異較大。鉆探揭示夾斑點狀、團塊狀、脈狀、薄層狀石膏，小溶孔不均勻發(fā)育；地層軟硬不均、地下水豐富。地下水主要有兩種類型：一是松散土層孔隙潛水，二是基巖裂隙水；隧道洞身范圍的地下水水壓力為100～300kPa（3bar）。紫瑞隧道地質斷面如圖5所示。

圖5 紫瑞隧道地質斷面圖

2.2 線路概況

紫瑞隧道設計為單洞雙線，如圖6 所示；地理位置如圖7 所示。隧道全長1326m，外徑12.4m，內徑11.3m，最大縱坡為25.5‰，隧頂最小埋深8.6m，最大埋深21.75m。線路受周邊環(huán)境影響較大，穿越地表既有河道1 次，超小凈距（38cm）下穿運營地鐵車站2次，連續(xù)長距離側穿市政高架橋樁基礎和鐵路營業(yè)線，下穿高速公路高架橋及過街通道1 次。該工程具有施工風險大、沉降控制嚴、空間關系復雜、項目工期緊等特點。

圖6 紫瑞隧道現場圖

圖7 紫瑞隧道地理位置圖

3 大直徑盾構的選型分析

盾構機的選型通常會綜合考慮周邊環(huán)境、安全管理以及施工工期等幾個方面的因素。

（1）工程地質因素。該工程不具備礦山法施工的條件，而盾構法可適應軟土、硬巖、軟硬不均復合地層，以及高水壓或斷裂帶等各類地層施工。

（2）周邊環(huán)境因素。線路位于城區(qū)，其周邊地表及地下存在大量既有構筑物，空間關系限制，地表不具備施工條件，礦山法不能實施時，采用大直徑盾構施工，可解決空間限制和地表運行對周邊居民影響問題，并能提供城市地下空間開發(fā)利用率，有利于城市地下空間規(guī)劃和利用。

（3）盾構機的選型。根據工程特點，該工程采用了全國最大直徑12.84m 土壓/泥水雙模盾構機施工，盾構管片厚度550mm，幅寬1.5m，管片全環(huán)采用6+2+1 襯砌形式，盾構機外觀如圖8所示。

4 隧道工程大直徑盾構機施工要點

4.1 施工過程的沉降變形控制

隧道穿越地表既有河道1 次、超小凈距（38cm）下穿運營地鐵車站2 次、連續(xù)長距離側穿市政高架橋樁基礎和鐵路營業(yè)線、下穿高速公路高架橋及過街通道1 次，沉降變形控制要求高。采用盾構法通過設備配合技術措施，達到水土壓力平衡，并通過及時的同步注漿和二次注漿填充建筑間隙。施工期間穿越的建構筑物沉降變形均控制在5mm 以內，既有地鐵運營線沉降變形控制在2mm 以內，有效解決超凈距施工難題。

4.2 施工過程中的防滲處理

根據設計要求隧道為一級防水，不允許出現滲漏水和濕漬，采用拼裝式襯砌，通過對盾構機姿態(tài)控制，實施管片上浮措施，并采用定位榫限制管片位移發(fā)生錯臺；采用同步漿液填充施工間隙的同時，形成隔水層，并在管片側邊設置兩道凹槽，其內安設止水條，通過擠密達到止水效果，杜絕隧道出現滲漏水。

盾構法施工通過人機結合，紫瑞隧道襯砌環(huán)橢圓度、襯砌圓環(huán)平面位置、隧道圓環(huán)高程、相鄰管片徑向及環(huán)向錯臺均控制在5mm，無滲漏水。紫瑞隧道現場熱力圖如圖4所示。

4.3 掘進模式的適應性設計

一般的礦山法隧道施工因其工作面小，不能使用大型設備，施工進度慢，建設周期長，機械化程度低，耗用勞力多，難以適應工程建設工期的需求。

在不同的地質條件下，采用不同掘進模式的盾構機，進行專項適應性設計，將土木技術與設備技術相結合，根據不同模式其掘進速度可達到50～100mm/min?？蓽p短隧道施工周期，有利于項目盡早運營使用。

紫瑞隧道單班掘進效率突破7 環(huán)/班（10.5m/班）；單日掘進效率突破11 環(huán)/天（16.5m/d）；單周掘進效率突破50環(huán)/周（75m/周）；單月最高掘進效率達203環(huán)/月（304.5m/月）。單日指標和單月指標雙雙創(chuàng)造國內大直徑泥水/土壓雙模盾構復合地層掘進新記錄。

5 結束語

通過以上鐵路工程大直徑盾構施工案例分析可知，相對于明挖暗埋隧道和礦山法隧道，大直徑盾構施工具有如下優(yōu)點：

（1）目前大力提倡城市經濟圈建設，而連通城市間的經濟紐帶是高速鐵路，但受建設周邊環(huán)境的影響，城區(qū)范圍和丘陵地帶多采用隧道，采用盾構法施工雖成本增加，但可減少對建構筑物和居民的影響，保證施工安全；提高施工效率,加快經濟圈建設。

（2）在淺埋、高水壓、大埋深、斷裂帶等復雜地質條件下，選用盾構法施工，通過土木技術與設備技術相結合，對設備進行專項設計，再通過施工過程技術管控，技術攻關，保證建設和使用階段的安全。

（3）隨著地下空間不斷的開發(fā)利用，采用大直徑盾構施工，可將綜合管理、公路、地鐵或鐵路等合建，最大化利用地下空間，減少建設投資。