大斷面矩形盾構下穿既有線施工研究

黃強華

摘要：近幾年，全國城市交通工程建設越來越多。當城市地面建筑不可破壞，地下管線復雜時，采用盾構隧道是常用解決方案，但傳統圓形隧道斷面尺寸小、空間利用率低、線間距大，不能有效保證未來城市交通需求，相比之下，矩形盾構隧道的優勢就很明顯。通過對管片預制和拼接精度控制，控制掘進參數應對矩形盾構隧道下穿既有鐵路的不利因素，控制沉降變形，保證施工安全質量，是本文研究的重點。

關鍵詞：大斷面;矩形盾構;穿既有線;糾偏控制

一、前言：

隨著城市建設發展的進程，盾構隧道建設將會越來越多，隧道斷面尺寸也將會越來越大，針對大斷面矩形盾構隧道下穿既有線施工的特點，對其進行研究，并針對其特點做出對應的措施，確保工程質量及安全，填補大斷面矩形盾構下穿既有鐵路的空白，為今后類似工程提供了重要的借鑒作用。

二、工法特點及適用范圍

1、工法特點

（1）本工法有效優化大斷面矩形盾構的施工工藝，確保下穿既有鐵路線施工的安全要求，保證盾構工程頂進精度及結構的安全性。

（2）本工法解決了大體積矩形盾構預制管片接縫處理難題，指導大斷面管片拼接頂進施工。

（3）本工法有效保證了矩形盾構掘進各項參數，保證盾構刀盤切削花崗巖地層正常，保證了矩形盾構長距離，短覆土下穿鐵路的安全要求。

2.適用范圍

本工法適用于下穿既有鐵路線或建（構）筑物條件下的矩形盾構隧道工程，尤其是下穿距離長，覆土埋深淺，開挖面位于中風化硬巖地層的工點。

三、施工工藝及關鍵技術

1、管節預制精度、強度控制工藝

矩形盾構管節采用C50P10鋼筋混凝土現場預制而成，斷面尺寸為12.6×7.65m，管節寬度1.5m，寬度800mm，單片管節重116.4t，頂推最大長度260m，累計誤差影響大，需控制管節三環拼裝環向縫間隙誤差±1mm。

采取的關鍵技術：

（1）采用激光高精度機床加工的鋼模板預制隧道管節，模板模塊化分段，采用螺桿快拆加固體系，自制工裝對預留預埋位置精度控制。

（2）對預制完成的混凝土管節進行蒸汽養護，以確保管節預制精度和管節預制速度。

2、頂管盾構機軸線糾偏工藝。

頂管隧道推進距離長，結構斷面大，推進過程中矩形斷面內渣土流動性差難以保證土倉壓力均勻，易造成頂管機發生軸線偏轉。

采取的關鍵技術：

（1）進過程中采用激光束及監測器監測軸線變化，隨時監控、隨時糾偏。

（2）嚴格控制螺旋機出土量，通過調整油頂頂力、鉸接調節油缸伸長量等措施進行姿態糾偏，保證頂管推進姿態良好。

（3）采取頂管盾構機刀盤正反轉、調節轉速，來控制土倉左右壓力實現水平輔助調向。

（4）當頂推機發生中線偏轉、糾偏能力不足時，可借助于機頭和管節上預留的觸變泥漿孔及糾偏泥漿注入系統，在需要的位置向地層注入糾偏泥漿，調整頂推周圍的地層壓力，依靠地層壓力的偏差和地層的微量壓縮性進行糾偏。

（5）糾偏應從小角度緩慢過渡到大角度，糾偏過程應加強對地面沉降位移的監測。

3、下穿既有鐵路線沉降變形控制工藝。

本工程盾構在既有運營鐵路和新建高鐵的路基下穿過，確保既有鐵路的沉降控制在允許范圍，是本工程的重難點。

采取的關鍵技術：

（1）頂管機刀盤與殼體間開挖無間隙，殼體與管片預留10mm空隙，壓入泥漿形成泥漿套，起到潤滑減阻支撐地層等作用，遵循“隨頂隨壓，逐孔壓漿，漿量均勻，漿壓適宜”的原則，確保地層穩定。采用電子閥門精準控制泥漿量。

（2）頂推過程中主要控制頂力、頂進速度、出土量，在頂管穿越鐵路線之前的100米試驗段施工中，及時總結出頂管所穿越土層的地質條件，掌握頂管推進施工參數和同步壓漿量，并且通過實踐不斷對其進行優化，以求達到頂管以最合理的施工參數穿越杭深線。盾構機前端設置土壓傳感器，及時反饋調整，采用螺旋機出土流量計控制、土斗方量、吊車渣土稱重計體積質量多重控制出土量。

（3）土體為全風化，和易性差，在刀盤注入改良劑的同時，需注入黏土泥材料制成的泥漿，泥漿的注入量在開挖體積的15-30%之間，使得土體具有較好的塑性 、流動性和止水性 。

（4）邊坡堆載。既有鐵路線均存在變坡，土壓力差較大，頂進到該位置易產生邊坡上口沉降，邊坡下口隆起。遂在邊坡下口堆沙袋反壓，減少路堤結構土壓差，控制沉降及隆起。

（5）頂管推進過程中，設置自動化監測系統，對地表沉降變形情況進行監測，監測數據實時反饋，以便指導施工。主要監測項包括地表沉降、管片結構豎向位移、管片結構水平位移、管片結構凈空收斂、接觸網沉降量測、接觸網傾斜量測、軌道靜態幾何形位等內容。

4、長距離、淺覆土地段下穿工藝。

矩形頂管斷面截面大，最大頂力約為118800kN，平均覆土厚度小于5m，與寬度比值小于0.4，屬于超淺覆土頂進，容易形成管頂背土，會造成覆土層變形過大。

采取的關鍵技術：

（1）在每條隧道設置一道中繼間作為頂進應急措施，嚴格控制觸變泥漿配比，形成泥漿套確保潤滑減阻。

（2）設置多路注漿系統，制定分段分類型注漿方案，避免背土形成，確保在超淺覆土中能成功頂進施工。

（3）嚴格控制頂進參數，確保開挖面土壓力設定符合要求，根據頂進中實時地面變形動態調整，輔以合適的注漿工藝，能確保地面、鐵路的變形控制在設計范圍內。

5、硬巖地層盾構掘進工藝。

矩形頂管不同于圓形頂管，無法形成全斷面切削（一般切削率為90%以上），有切削盲區。對于巖石地層，盲區將對頂管頂進造成很大的困難，部分地段存在孤石、中風化的花崗巖，單軸抗壓強度超過65MPa。

采取的關鍵技術：

（1）設備的設置需要根據地層情況、覆土厚度、變形要求、頂進長度有針對性的設計。設計階段，與廠家共同確定刀盤形式、數量、扭矩;鉸接油缸的數量、鉸接類型、密封類型;遠程控制內容、土壓力計、傳感器數量及位置等。通過在切削盲區增設滾筒刀以應對全斷面的地層頂進，同時設置削切滿足100MPA硬巖的專用刀具。

（2）東側始發井端約30m中風化花崗巖，在福廈高鐵路基處打孔靜力裂解處理。西側接收井采用大管棚支護暗挖施工（約11m長），破除巖石形成通道，再進行頂管施工或者提前水平靜力爆破。

（3）加大螺機口徑，目前能解決50cm尺寸。開工前盡量加密地勘，同時盾頭上超前地質雷達確認前方卵石，有條件下進行地面處理。刀盤上可設置滾刀、撕裂刀，應對可能遇到的大孤石，增設超前注漿孔，頂管盾構機設置多個人孔，在必要時可開倉處理孤石。

四、應用實例

莆田火車站南北廣場東西兩側地下通道涉鐵預埋工程位于福建省莆田市秀嶼區莆田火車站東西側，呈南北走向，采用盾構頂管法施工。東、西側通道均采用雙孔分離式矩形頂管盾構形式，自北向南沿線依次下穿既有杭深線（10股道）和在建福廈高鐵。隧道大部位于全/半風化花崗巖地層，全長944m，最小覆土厚度約4.0m。單孔矩形盾構工程斷面尺寸為11.0m（凈寬）×6.05m（凈高），單片管節長1.5m，厚度0.8m，采用C50P10砼，每環管片整體現澆預制，地下水位在地面以下約4.5m。

面對以上難題，項目部通過嚴格控制管片預制和拼裝精度，做好盾構刀盤設計，通過調整盾構掘進參數，圓滿完成了工期節點及下穿鐵路線結構安全質量的要求。

五、結束語

綜上分析，我們對大斷面矩形盾構下穿既有線施工技術有了基本的了解，目前矩形盾構工程越來越多，或多或少都會遇到下穿既有線的難題，只要掌握好上述技術要點，嚴格按工藝流程施工，就能有效保證下穿安全，實現經濟社會效益最大化。

六、參考文獻

[1]賈連輝.超大斷面矩形盾構頂管設計關鍵技術[J].隧道建設，2014，34（11）：1098-1106.

[2]龔穎，孔德凡.大截面矩形頂管下穿河道施工技術[J].施工技術，2018，47（S4）：1331-1334.