重慶地鐵單護盾TBM隧道上跨既有鐵路施工技術

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.盾構及掘進技術國家重點實驗室，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，現已廣泛應用于城市軌道工程、鐵路隧道工程、煤礦巷道工程以及水利隧洞工程等諸多領域。與鉆爆法相比，TBM能同時完成破巖、出渣、支護等作業，可實現連續掘進，掘進速度可達到常規鉆爆法的3～10倍，掘進隧道成型好、對圍巖擾動小、作業安全，尤其適用于深埋長隧道施工。然而復雜多變的地質條件使得TBM設備的通用性較差，針對情況各異的隧道特點，應對TBM進行適應性設計。若TBM設備的選型和采用的施工工藝與在建工程環境特征不符，將可能導致嚴重的施工風險，無法保證施工進度，同時造成重大經濟損失。因此，采用TBM施工，合理選型是關鍵。目前，地鐵建設迅猛，將不可避免地導致新建線路下穿或上跨既有線。例如，廣州APM線盾構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號線盾構隧道下穿運營中的地鐵15號線等等。雖然已有很多盾構下穿或者上跨既有運營路線的經典案例，然而單護盾TBM上跨既有鐵路在國內尚屬首例。本工程成功實現了對蘭渝線、渝懷線以及襄渝線等的上跨施工，文中總結分析了該案例的關鍵技術，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

工程區間位于重慶市北部新區，根據區間地質、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，完成區間掘進任務，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 區間隧道與既有鐵路關系

人和站－幸福廣場站單護盾TBM區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，區間隧道和既有鐵路線的平面位置關系和近接空間位置關系如圖2和圖3所示。

圖2 區間隧道與既有鐵路線平面位置關系

圖3 區間隧道與既有鐵路線近接空間位置關系

1.3 工程地質

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造。構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°，沿線并未發現斷層通過，結合區域地質資料，受應力作用相對微弱。地表出露地層為第四系全新統松散土層和侏羅系中統沙溪廟組泥巖、砂巖組成。原始構造剝蝕丘陵區地貌經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 上跨既有鐵路風險分析及建議措施

工程通過三維地震結構模型對施工安全的影響因素進行評估，模擬風險段圍巖與二襯的圍巖和應力變化，來評價既有隧道的結構安全性，其三維模擬計算整體云圖如圖4所示。并采用二維結構荷載模型進一步檢驗交叉段既有隧道襯砌內力作用，驗證三維模型計算結果的可靠性，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力及變形均有一定的影響，其襯砌的安全系數均存在一定程度的降低。存在的風險主要表現在：①應力異常，結構存在安全風險；②襯砌內力受荷載影響，導致襯砌存損等；③地層擾動，導致隧道局部變形等。

圖4 三維模擬計算整體云圖

為確保施工安全，根據風險段施工特點，以及對既有隧道結構的影響，提出以下措施：①應針對性編制專項施工方案，交相關鐵路施工、運營管理部門審批后方可實施，并對既有隧道現狀進行實時調查；②在TBM推進既有隧道交叉里程點前后50m時，應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域，并及時采取措施；③過程中應嚴制TBM掘進參數、姿態，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，完善相關監測工作，做到24h不間斷監測，并持續至掘進通過后3個月，根據監測數據情況，調整為常規監測。

3 施工過程控制

3.1 單護盾TBM掘進參數的控制

以減少擾動襯砌結構為原則，嚴格TBM掘進參數與姿態，有效提高施工組織與管理質量，圖5為本工程所使用的單護盾TBM。形成各綜合信息的聯動反映，充分考慮地質條件的變化、姿態的變化，以及監控量測情況等，進行反復優化和調整。

在TBM掘進參數的選擇上以“四低一連續”為原則（即低貫入度、低轉速、低扭矩、低推力和連續掘進），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 每環推進之前，應參考前面幾環推進的各項參數，分析總結單護盾TBM趨勢，進而正確的選擇主推進油缸的編組，進行合理糾偏。根據地質情況，施工上穿鐵路段推力應該控制在額定推力的20%～30%以內，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，導致刀盤被卡。結合該工程特點，上穿鐵路線區段掘進速度擬定為20～30mm/min。

3）刀盤轉速控制 設定單護盾TBM額定轉速為5～6rad/min，在正常掘進段刀盤轉速為4.0～4.5rad/min，為確保上跨鐵路段的施工安全和穩定，應控制刀盤轉速為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始發姿態，再利用單護盾TBM自帶導向系統再次測得單護盾TBM姿態，確保兩者結果一致。并通過管片復測檢查導向系統的穩定性及成型隧道的管片拼裝質量。施工測量實施三級復核制度，并配合監理進行檢核，以確保控制點準確。

2）掘進方向控制 采用“PPS自動導向系統+人工測量輔助系統”對TBM姿態的監測。實時了解TBM水平和垂直位置與隧道設計軸線的偏差與趨勢。通過調整鉸接油缸行程差，結合分區操作單護盾TBM的推進油缸來控制掘進方向。在TBM上跨鐵路線之前，將TBM姿態調整至最佳，減少TBM糾偏對地層擾動。并在掘進中應控制TBM趨勢為抬頭狀態，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，導致巖體破壞、建筑空隙、地層損失等，導致沉降、坍塌等風險存在。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，嚴守“脫離護盾一環就必須回填一環”的原則。

為保證豆礫石吹填質量，謹防受力不均，應采用從下到上、兩側對稱的施工工藝。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固，存在空隙，應及時完成水泥漿充填，使得漿體與豆礫石有效結合與凝固，以提高管環強度，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，形成穩定的防水層，從而實現加強隧道襯砌的目的。具體操作流程為：鑿通吊裝孔→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，使漿液具有較好的擴散能力，又不至于對周邊巖體和注漿體產生較大影響。

4 沉降監測及控制分析

3條上跨鐵路隧道以及周圍地面的沉降監測是工程的重點。積極開展施工前、施工中、施工后對鐵路沿線、洞內襯砌變形、周圍建（筑）筑物的系統調查及監測工作，實現監測網絡，提高監測成果的準確性和高效性，為施工作業提供真實可信的數據參考。

監測信息的分析成果及時反饋，為優化施工參數提供參考和依據，并不斷地驗證掘進參數設計的正確性，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 結論與建議

基于綜合工程地質情況、區間隧道與既有鐵路線空間位置的分析，形成上跨技術方案。并在實施過程中嚴控掘進參數、姿態及各施工工藝技術的執行質量。最終實現區間TBM的安全貫通。結合該項目的施工經驗，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做好風險評估與對策，形成施工方案；②做好監控量測與分析，及時反饋；③控制好TBM掘進參數與姿態；④嚴控豆礫石吹填和回填灌漿質量。

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