盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究＊

張舵，周吉濤，費(fèi)瑞振

盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究＊

張舵，周吉濤，費(fèi)瑞振

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251）

盾構(gòu)下穿施工會(huì)對(duì)上方高鐵隧道造成一定影響，如不均勻沉降、結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加等，存在威脅高鐵安全運(yùn)營(yíng)及隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂損等風(fēng)險(xiǎn)?；谥袊?guó)首例盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道工程，在深入研究盾構(gòu)施工控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施進(jìn)行了探討，提出了主要技術(shù)控制措施和盾構(gòu)施工控制措施，保障了盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道的順利實(shí)施。

盾構(gòu)；下穿；高鐵隧道；風(fēng)險(xiǎn)控制

1 工程概況

京廣高速鐵路武漢至廣州段于2009-12-26開通運(yùn)營(yíng)，設(shè)計(jì)速度350 km/h。瀏陽(yáng)河隧道內(nèi)鋪設(shè)無(wú)砟軌道，采用CRTS-I型雙塊式整體道床，扣件采用300-1型。瀏陽(yáng)河隧道寬 14.9 m，高12.78 m，采用C35防水鋼筋混凝土襯砌，拱部厚度0.8 m，仰拱厚度0.9 m。

長(zhǎng)沙市軌道交通3號(hào)線的湘龍站至星沙站區(qū)間，沿開元西路向東掘進(jìn)在右DK34+856處下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道（國(guó)鐵里程K1566+828），地鐵區(qū)間線間距20 m，相交位置位于京珠高速與開元西路交口西側(cè)、星沙湘繡城南側(cè)。地鐵區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，內(nèi)徑5.4 m，外徑6.0 m，襯砌采用0.3 m厚C50鋼筋混凝土。盾構(gòu)區(qū)間與瀏陽(yáng)河隧道的豎向間距約11.9 m，下穿地層為中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及礫巖，地下水主要為基巖裂隙水，穩(wěn)定地下水位埋深1.80～7.40 m。

湘龍站至星沙站區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)直接下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道，為中國(guó)首例，且無(wú)洞外工程保護(hù)措施，具有極大施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 主要技術(shù)控制措施

為進(jìn)一步保證盾構(gòu)下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道期間的安全，擬采取以下技術(shù)措施：①設(shè)計(jì)施工方案。通過(guò)鐵路部門的審查，并獲批準(zhǔn)后方可實(shí)施；同時(shí)選用征得鐵路部門認(rèn)可的專門監(jiān)測(cè)單位對(duì)施工整個(gè)過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控；為確保盾構(gòu)施工不影響鐵路運(yùn)行安全，與鐵路部門簽訂安全監(jiān)護(hù)協(xié)議。②優(yōu)化盾構(gòu)機(jī)刀具配置、技術(shù)參數(shù)，確保用于本區(qū)間施工的盾構(gòu)機(jī)技術(shù)性能優(yōu)異，滿足要求。③盾構(gòu)下穿瀏陽(yáng)河隧道期間，高鐵采取限速措施。④正式下穿前，在同類地質(zhì)條件下設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段，模擬盾構(gòu)下穿鐵路掘進(jìn)，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，保證正式下穿掘進(jìn)時(shí)土體深層位移和地表位移控制在鐵路隧道變形允許范圍內(nèi)。⑤利用中間風(fēng)井對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行刀具更換和設(shè)備檢查，確保盾構(gòu)機(jī)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)通過(guò)鐵路隧道。⑥在盾構(gòu)穿越施工過(guò)程中加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)控制，嚴(yán)格控制與切口土壓力有關(guān)的施工參數(shù)，保持土壓力平衡；均衡勻速、連續(xù)性施工、杜絕盾構(gòu)機(jī)停滯，盡量不糾偏直接通過(guò)；縮短拼裝時(shí)間和盾構(gòu)機(jī)停推時(shí)間；做好土體改良，增加渣土和易性；把控制地面沉降主要手段的同步注漿和二次注漿作為盾構(gòu)施工管理的重點(diǎn)，確保注漿及時(shí)、注漿量充足。⑦做好監(jiān)控量測(cè)，成立聯(lián)合工作小組，建立安全風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、及時(shí)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，保持監(jiān)測(cè)與盾構(gòu)機(jī)控制的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。⑧盾構(gòu)通過(guò)后，對(duì)兩側(cè)管片注漿形成環(huán)箍，減少盾構(gòu)施工的后期沉降。⑨下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道地段，管片配筋進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)管片增設(shè)注漿孔，每環(huán)管片設(shè)16注漿孔。在管片脫出盾尾5～8環(huán)后，通過(guò)管片上預(yù)留的注漿孔對(duì)地層進(jìn)行鋼花管加強(qiáng)注漿。⑩根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，在天窗期采用調(diào)整軌道扣件的辦法及時(shí)調(diào)整軌道高程，以滿足鐵路線路的標(biāo)準(zhǔn)。

3 盾構(gòu)施工控制措施

根據(jù)盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)國(guó)鐵隧道影響的不同，主要分為盾構(gòu)穿越前、盾構(gòu)穿越中、盾構(gòu)穿越后階段。

3.1 盾構(gòu)穿越前準(zhǔn)備工作

盾構(gòu)機(jī)穿越鐵路隧道前主要進(jìn)行以下準(zhǔn)備工作。

3.1.1 施工參數(shù)優(yōu)化

在盾構(gòu)穿越鐵路之前的施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)及時(shí)總結(jié)出盾構(gòu)所穿越土層的地質(zhì)條件，掌握這種地質(zhì)條件下土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)施工的方法，掌握盾構(gòu)推進(jìn)施工參數(shù)和同步壓漿量，并且通過(guò)實(shí)踐不斷地對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)類似地層進(jìn)行土層深層沉降變形監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)深度應(yīng)與國(guó)鐵隧道接近。在此階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最能夠準(zhǔn)確反映盾構(gòu)推進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)，組織測(cè)量人員在推進(jìn)期間24 h值班監(jiān)測(cè)，每環(huán)監(jiān)測(cè)2次，開始推進(jìn)時(shí)測(cè)1次，推進(jìn)結(jié)束時(shí)測(cè)1次。

3.1.2 機(jī)械設(shè)備檢查及維護(hù)

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入鐵路隧道前，在區(qū)間風(fēng)井內(nèi)對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備進(jìn)行一次全面、細(xì)致的檢修，根據(jù)刀具磨損情況，提前更換刀具。對(duì)存在故障隱患的部位及時(shí)排除。特別是對(duì)注漿管路進(jìn)行徹底的清洗疏通，避免輸送管在盾構(gòu)下穿鐵路時(shí)堵塞，導(dǎo)致漿液供應(yīng)中斷，從而造成盾構(gòu)機(jī)停機(jī)，同時(shí)對(duì)盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，確保下穿鐵路時(shí)不發(fā)生漏漿現(xiàn)象從而保證注漿量。

檢修前制訂詳細(xì)的設(shè)備檢修計(jì)劃，并安排經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行徹底的檢修。對(duì)于液壓油封、高壓油管、繼電器等易損件，要準(zhǔn)備備件，以備損壞時(shí)能夠及時(shí)更換，確保不因設(shè)備故障導(dǎo)致施工中斷。

3.1.3 與鐵路部門協(xié)調(diào)

在穿越施工前，與該段鐵路主管部門取得聯(lián)系，建立相應(yīng)的協(xié)作機(jī)制；在隧道變形和軌道沉降超標(biāo)時(shí)，能夠及時(shí)通知鐵路管理部門，并配合采取相應(yīng)措施。

3.2 盾構(gòu)推進(jìn)施工控制重點(diǎn)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)應(yīng)勻速、連續(xù)下穿瀏陽(yáng)河隧道，在下穿過(guò)程中采取以下控制措施。

3.2.1 加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，信息化施工

施工前所得的初始數(shù)據(jù)為3次觀測(cè)平均值，以保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。穿越過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要可以進(jìn)行24 h不間斷的跟蹤監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)反饋到盾構(gòu)班組，用以指導(dǎo)盾構(gòu)施工參數(shù)的設(shè)定，然后通過(guò)地面變形量的監(jiān)測(cè)進(jìn)行效果檢驗(yàn)，從而反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證、完善，保證施工過(guò)程中鐵路及其他構(gòu)筑物的安全。

待盾構(gòu)穿越后，變形趨于穩(wěn)定時(shí)，逐漸減少監(jiān)測(cè)次數(shù)，并恢復(fù)正常監(jiān)測(cè)，待變形穩(wěn)定后方可停止監(jiān)測(cè)。

3.2.2 嚴(yán)格控制切口土壓力等施工參數(shù)

在盾構(gòu)穿越過(guò)程中必須嚴(yán)格控制切口平衡土壓力，具體施工設(shè)定值根據(jù)盾構(gòu)埋深、所在位置的土層狀況以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷的調(diào)整。必須嚴(yán)格控制與切口壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如推進(jìn)速度、扭矩、總推力、出土量等，盡量減少平衡壓力的波動(dòng)。出土量控制在95%左右，施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。

參考長(zhǎng)沙類似地層數(shù)據(jù)，取0=0.2，g取22.5 kN/m3，深度取26～32 m，計(jì)算出土壓理論值0.12～0.15 MPa；控制盾構(gòu)機(jī)扭矩在1 000～2 000 kN·m，做好土體改良劑的注入，控制出土量，防止盾構(gòu)機(jī)扭矩的過(guò)大波動(dòng)。

3.2.3 推進(jìn)速度及糾偏

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，推進(jìn)速度不宜過(guò)快（難以保證同步漿液的注入量和盾尾密封油脂的飽滿壓入）也不宜過(guò)慢（增加對(duì)盾構(gòu)周邊土體的擾動(dòng)，增大沉降）。推進(jìn)速度宜控制在20～30 mm/min。在此推進(jìn)速度下保證盾構(gòu)均衡勻速推進(jìn)、連續(xù)性施工，杜絕盾構(gòu)停滯，以減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，減少地表沉降。

在穿越鐵路隧道施工時(shí)必須預(yù)先控制好盾構(gòu)的姿態(tài)，控制和掌握盾構(gòu)單次糾偏的幅度，使糾偏盡量均勻且穩(wěn)定，以減少糾偏對(duì)周圍土體造成的影響。在該地段盡量不進(jìn)行糾偏，直接通過(guò)。

3.2.4 管片拼裝

在管片拼裝過(guò)程中，安排最熟練的拼裝工進(jìn)行拼裝，縮短拼裝的時(shí)間、盾構(gòu)停推的時(shí)間，減少土體沉降。

拼裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)前方土壓力下降，可以采用螺旋機(jī)反轉(zhuǎn)的手段，即將螺旋機(jī)機(jī)內(nèi)的土體反填到盾構(gòu)機(jī)前方，起到維持土壓力的作用。拼裝結(jié)束之后，應(yīng)當(dāng)盡可能快地恢復(fù)推進(jìn)，減少土體沉降。

3.2.5 改良土體

如果盾構(gòu)掘進(jìn)力矩過(guò)大，出土困難，可利用位于刀盤上的加泥孔，向前方土體加膨潤(rùn)土或泡沫劑等改良土體，改善渣土的流塑性和減少排土扭矩。土體流塑性增加之后的作用：使盾構(gòu)機(jī)前方土壓計(jì)反映的土壓數(shù)值更加準(zhǔn)確；確保螺旋機(jī)出土順暢，減少盾構(gòu)對(duì)前方土體的擠壓；及時(shí)填充刀盤旋轉(zhuǎn)之后形成的建筑空當(dāng)，對(duì)控制盾構(gòu)機(jī)前方土體壓力及地面沉降有利。根據(jù)長(zhǎng)沙類似工程經(jīng)驗(yàn)，改良劑一般采用泡沫劑，每環(huán)管片用量30～40 L。

3.2.6 同步注漿

根據(jù)長(zhǎng)沙類似地層工程經(jīng)驗(yàn)，同步注漿采用水泥砂漿，水泥用量120～150 kg/m3。注漿量取環(huán)間空隙理論體積的1.3～2.0倍，每環(huán)管片（1.5 m）注漿量5～8 m3。注漿壓力0.2～0.5 MPa，一般控制在0.3～0.4 MPa。固結(jié)體強(qiáng)度1 d不小于0.2 MPa，28 d不小于2.5 MPa。漿液結(jié)石率>95%，即固結(jié)收縮率<5%，可采用補(bǔ)償收縮砂漿。漿液穩(wěn)定性：傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

3.2.7 二次注漿

在管片脫出盾尾5～8環(huán)后，對(duì)管片的建筑空隙進(jìn)行二次注漿。根據(jù)長(zhǎng)沙類似工程經(jīng)驗(yàn)，二次注漿一般采用水泥漿，若地下水豐富、水壓力較大，也可采用水泥水玻璃雙液漿。二次注漿時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行分析并調(diào)整注漿參數(shù)及注漿量，注漿壓力控制在0.4～0.8 MPa之間。每環(huán)注漿量約0.5～1 m3。二次注漿范圍在鐵路隧道前后各30環(huán)。如果隧道變形和沉降變化量大的，可以根據(jù)實(shí)際情況在隧道內(nèi)進(jìn)行跟蹤注漿。

3.2.8 防止土壓平衡盾構(gòu)正面平衡壓力的過(guò)量波動(dòng)

當(dāng)土體很軟，排土很快影響正面壓力的建立時(shí)，適當(dāng)關(guān)小螺旋機(jī)的閘門，保證平衡土壓力的建立；管片拼裝作業(yè)，要正確伸、縮千斤頂，嚴(yán)格控制油壓和伸出千斤頂?shù)臄?shù)量，確保拼裝時(shí)盾構(gòu)不后退；正確設(shè)定平衡土壓力值以及控制系統(tǒng)的參數(shù)；加強(qiáng)設(shè)備維修保養(yǎng)，保證設(shè)備完好率，確保千斤頂沒(méi)有內(nèi)泄漏現(xiàn)象；向切削面注入泡沫、水或膨潤(rùn)土泥漿，改善切削土體的塑流性能，提高螺旋機(jī)的排土能力，穩(wěn)定正面土壓；維修好設(shè)備，減少液壓系統(tǒng)的泄漏；對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)重新進(jìn)行設(shè)定，滿足使用要求。

3.2.9 防止盾構(gòu)機(jī)結(jié)泥餅施工措施

應(yīng)避免采取停機(jī)后人工清理泥餅方式，施工中擬采取的主要技術(shù)措施為：把刀盤上的部分刀具換成齒刀，增加刀盤的開口度；加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地質(zhì)預(yù)測(cè)和泥土管理，密切注意開挖面的地質(zhì)情況和刀盤的工作狀態(tài)；刀盤前部中心部位布置有數(shù)個(gè)泡沫注入孔，在這種地層掘進(jìn)時(shí)可以適量增加泡沫的注入量和選擇比較大的泡沫加入比例，減小碴土的黏附性，降低泥餅產(chǎn)生的概率；一旦產(chǎn)生泥餅，及時(shí)采取對(duì)策，采用防結(jié)泥沖刷系統(tǒng)進(jìn)行沖刷，必要時(shí)采用人工處理的方式清除泥餅；必要時(shí)螺旋輸送機(jī)內(nèi)也要加入泡沫，提升碴土的流動(dòng)性，利于碴土的排出。

3.3 盾構(gòu)穿越后控制措施

盾構(gòu)穿越鐵路隧道后，采取以下主要措施。

3.3.1 形成環(huán)箍

在盾尾脫離鐵路隧道之后，在兩側(cè)的位置通過(guò)管片注漿孔進(jìn)行漿液的壓注，使其在管片背后形成兩道環(huán)箍，有效地防止土體向兩側(cè)發(fā)生位移，減少盾構(gòu)施工的后期沉降，采用雙液漿。

3.3.2 鋼花管注漿

下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道地段，管片配筋進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)管片增設(shè)注漿孔，每環(huán)管片設(shè)16注漿孔。預(yù)留注漿孔范圍為：左DK34+796.476～左DK34+916.476，右DK34+ 795.912～DK34+915.912。

鋼花管深孔注漿加固采用超細(xì)水泥漿或超細(xì)水泥漿-水玻璃雙液漿，注漿時(shí)應(yīng)遵循“多點(diǎn)、低壓、多次”注漿原則，降低注漿壓力影響；注漿壓力為0.2～0.5 MPa，提前進(jìn)行注漿實(shí)驗(yàn)，但需控制鐵路隧道不得隆起，在管片出盾尾5～8環(huán)后即可進(jìn)行。注漿結(jié)束后，拆除注漿頭，用雙快水泥砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵，帶上螺堵。

4 結(jié)論

基于上述盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)高鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施，2018-12—2019-04長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線盾構(gòu)成功下穿京廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道，驗(yàn)證了本文研究得出的主要技術(shù)控制措施和盾構(gòu)施工控制措施具有科學(xué)性及適用性，可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，為后續(xù)類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

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U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.067

2095－6835（2019）24－0148－03

張舵（1983—），男，高級(jí)工程師，從事隧道及地下工程研究。

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司科技開發(fā)課題（編號(hào)：721239）

〔編輯：張思楠〕