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)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine,TBM）是目前最先進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、支護等作業(yè)，可實現(xiàn)連續(xù)掘進，掘進速度可達到常規(guī)鉆爆法的3～10倍，掘進隧道成型好、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，無法保證施工進度，同時造成重大經(jīng)濟損失。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盾TBM從大竹林出入段始發(fā)掘進，步進通過人和站、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)間掘進任務(wù)，具體位置如圖1所示。

圖1 單護盾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－幸福廣場站單護盾TBM區(qū)間隧道沿金開大道向東行進，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)狀進行實時調(diào)查；②在TBM推進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 單護盾TBM掘進參數(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，進行反復(fù)優(yōu)化和調(diào)整。

在TBM掘進參數(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），要盡量減少刀盤對地層引起的振動和擾動。

圖5 重慶5號線單護盾TBM

1）掘進推力的控制 每環(huán)推進之前，應(yīng)參考前面幾環(huán)推進的各項參數(shù)，分析總結(jié)單護盾TBM趨勢，進而正確的選擇主推進油缸的編組，進行合理糾偏。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）掘進速度控制 加快掘進速度，縮短圍巖收斂時間，實現(xiàn)地面沉降控制；然而掘進速度過快，可能會使皮帶機出渣能力不足，導(dǎo)致刀盤被卡。結(jié)合該工程特點，上穿鐵路線區(qū)段掘進速度擬定為20～30mm/min。

3）刀盤轉(zhuǎn)速控制 設(shè)定單護盾TBM額定轉(zhuǎn)速為5～6rad/min，在正常掘進段刀盤轉(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，在正常掘進段刀盤扭矩為900～1 300kNm，為確保上跨鐵路段順利掘進，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 單護盾TBM施工軸線的控制

單護盾TBM施工軸線的控制主要從兩個方面進行保證，即測量控制和掘進方向控制。

1）測量控制 單護盾TBM的測量控制工作主要包括平面控制測量、掘進施工測量。上跨前先用人工測量方法測定單護盾TBM始發(fā)姿態(tài)，再利用單護盾TBM自帶導(dǎo)向系統(tǒng)再次測得單護盾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)理進行檢核，以確?？刂泣c準(zhǔn)確。

2）掘進方向控制 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)操作單護盾TBM的推進油缸來控制掘進方向。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掘進平行作業(yè)，嚴(yán)守“脫離護盾一環(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)強度，控制地層變形沉降，并在積極開展二次補充注漿，進一步增強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

二次補強注漿材料采用的是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掘進參數(shù)與姿態(tài)；④嚴(yán)控豆礫石吹填和回填灌漿質(zhì)量。

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