盾构近距离下穿既有重载货运铁路隧道施工技术

韦海荣

摘要：近年来随着城市轨道建设密度加大，新建线路既有下穿铁路和运营线因涉及运营线路和新建线路重大安全，施工难度大，要求高，越来越被业内关注。本文以南宁轨道交通4号线土压盾构下穿广西沿海货运铁路隧道为例，总结土压盾构近距离下穿既有重载货运铁路隧道的关键施工技术和主要技术措施。该工程通过针对性隧道设计、合理盾构机选型、优化掘进参数、洞内自动化监测、分段限速和限行、连续匀速通过等措施，实现了盾构安全、高效通过既有重载铁路隧道，为类似工程提供了借鉴经验和参考数据。

关键词：盾构施工;下穿施工;既有隧道;货运铁路

中图分类号： 文献标识码：A

一、工程概况

1.1 工程简介

南宁市轨道交通4号线一期工程施工总承包01标那历村站～那洪立交站区间沿那洪大道自西向东敷设，线路埋深15.58～25.32m，地势较平缓，地下水位埋深4.9m～5.7m。线路线平面间距14.00～21.40m。隧道以直线出那历村站后以直线进入那洪立交站。隧道纵断面以16.5‰和5‰单向下坡进入那洪立交站。区间隧道采用盾构法施工，盾构从那历村站始发，那洪立交站接收。区间左线设计起讫里程为ZK3+570.044～ZK4+449.074，长879.109m;右线起止里程为Y3+570.044～YK4+449.074，长879.03m。区间设置1个联络通道。两座地下车站和既有槎路铁路隧道为该区间隧道的控制性条件。新建隧道地铁里程K805+343下穿既有广西沿海货运铁路槎路隧道。距离槎路隧道仰拱底左线为2.644m，右线为2.725m，下穿段对应地铁右线交点里程K805+321，长度13.4m。

槎路隧道全长2230米，为单洞单线货运隧道，隧顶埋深约8.16米，采用“新奥法”施工。下穿段采用Ⅱ类复合衬砌及Ⅱ类复合（加强）衬砌，初期支护采用格栅钢架及型钢钢架，喷钢纤维混凝土，厚度20厘米，锚杆采用Φ25中空注浆锚杆，每根长3米，间距1米，梅花型布置;二衬钢筋混凝土厚度45厘米。隧道进口轨面标高95.52米，出口轨面标高104.07米，下穿段轨面标高103.704米，洞内纵坡为人字坡，道床厚度为0.75米，道床形式为碎石道床。槎路隧道设计列车速度为80公里/小时。

1.2 工程地质与水文地貌情况

区段内主要穿越地层属于河谷阶地区（邕江高阶地亚区Ⅰ2区），区间下伏基岩主要主要为新近系（N）泥岩、泥质粉砂岩、炭质泥岩，主要为半成岩。勘察钻孔揭露该层中夹有“氧化铁壳”，一般厚4～20cm，成分为铁质胶结的石英岩、砂岩，对盾构掘进容易造成卡顿刀盘和螺旋机。下穿区域地层分布情况从上到下依次为：砾石填土（0-4.7m），含粘性土圓砾（4.7-12.1m），泥质粉砂岩（12.1-16.5m），泥岩（16.5-19.6m），下穿段夹层土为全断面泥岩，上部有。其中⑦1-3层泥岩（N）呈半岩半土状，岩芯呈柱状，泥质结构，局部相变为粉砂质泥岩，实测标准贯入试验锤击数N=52～149击，平均值为99.1击。压缩系数0.09～0.34MPa-1，平均值为0.19MPa-1，属中等压缩性土;天然单轴抗压强度为1.942MPa，岩体基本质量等级V级;⑦2-3层泥质粉砂岩（N）：呈半岩半土状，大部分岩芯呈柱状，砂质结构，埋深13.00～19.70m，层厚5.00～10.40的位置，泥质粉砂岩泥质含量较低，遇水经扰动后，岩芯呈松散状态，实测标准贯入试验锤击数N=54～144击，平均值为88.9击。压缩系数0.07～0.22MPa-1，属中等压缩性土。天然单轴抗压强度平均值为1.35MPa，为极软岩，岩体基本质量等级V级。

1.3 工程周边环境

隧道所处那洪大道为南宁市江南区东西向主干道，交通繁忙，重车密集。道路南北侧为住宅小区。该路段位于城市老城区，地下管线众多，且密集分布着电力、燃气、深大排水管等，难有地面应急处置条件。

二、工程重难点和风险

盾构下穿既有运营城市轨道交通隧道在国内外有成功的案例，但距离一般在3--7米范围，在城市轨道交通线网规划阶段大部分已经考虑了预加固或预留等措施。盾构近距离（最小净距2.64米）下穿既有运营重载铁路隧道实属鲜有和罕见，鲜有成功经验借鉴，且既有的铁路隧道结构部分已出现开裂、渗漏水、施工缝变形过大等问题。南宁沿海铁路是钦北防重要的铁路货运动脉，槎路隧道内设计时速80公里，高峰时期行车间隔30分钟，每天经过槎路隧道的列车有60多趟。如何控制铁路轨道差异沉降，保证铁路运营和盾构隧道施工安全，是这一区间盾构施工重难点。该工程主要难度和风险有：

1、工程条件复杂，既有铁路隧道结构抗干扰能力差，施工控制要求高。隧道结构竖向位移、水平位移，下部轨道和上部接触网杆都要求控制在1.5mm/d，累计变化量在正负5毫米内。对盾构掘进控制要求非常高。

2、盾构近距离掘进二次扰动，沉降控制难度大。那～那区间左右线两台土压盾构先后两次正下方掘进穿越，最小净距2.64米，不足1/2洞泾。即使很好的控制了盾构掘进土压和注浆，二次、近距离累加扰动仍是对既有隧道最大的沉降风险。

3、既有隧道内施工监测和应急抢险空间条件非常有限。铁路隧道内通视条件差，空间有限。铁路列车正常通行期间不允许任何人进入进入监测或加固施工。这对施工监测、加固施工和应急抢险带来了极大困难。这一点是下穿地面既有铁路运营线没有的。

4、铁路结构边距离到达端头只有24.7米。盾构掘进通过铁路隧道后很快破洞。盾构到达常见的洞门渗漏沉降风险危及铁路隧道。

5、城市轨道和铁路联动组织协调难度大。铁路部门对涉铁均设置了严苛的条件和程序，正常施工和应急抢险协调难度都相对比较大。

三、施工技术及措施对策

针对以上工程技术重难点和风险，在工程施工前后主要采取了以下技术和措施：

3.1、方案阶段优化车站和区间设计，深入调查研究，科学策划，细化专项设计。

1、在详勘的基础上针对性做好补勘，做好地下管线调查;

2、对槎路隧道完成现状检测，对现状结构渗漏水完成统计梳理，并做安全性评估。针对疑似空洞位置完成地面对应位置注浆加固补强，改善隧道结构受力。

3、优化、特殊管片设计、洞内和地面注浆设计。盾构掘进通过下穿段，加强盾构管片结构整体刚度，对铁路隧道下方中心线左右两侧16m范围内的钢筋混凝土管片配筋进行加强，同时提高管片连接螺栓的强度等级，以提高新建隧道结构承载力，拼装增加注浆孔型管片（除封顶快外，其余均增加至3个注浆孔，即每环设置16个注浆孔），径向打设小导管对管片外地层进行深层注浆加固，重点是地层损失最大的夹层土区域，弥补盾构掘进产生的地层损失，减小地层扰动，恢复甚至提高地基承载力。

3.2、针对性盾构机选型和配置。

通过盾构机适应性审查，结合工程地质、水文地质和工程工况特点，针对性选择满足下穿既有铁路隧道施工要求的土压平衡盾构机，复合式刀盘结构，开口率35%，配备39把滚刀，6个泡沫主入口和4个膨润土注入，除了4个同步注浆管以外。盾构台车后配备双液注浆泵，以满足二次注浆和应急需要。

3.3、通过试掘进总结优化掘进参数。

通过地质条件和埋深深度相仿的100米试验段，统计分析盾构掘进参数与地面沉降关系，科学优化盾构掘进参数，通过渣土改良及出渣控制，有效化解下穿铁路隧道面临的小净距大埋深、易结泥饼、易透水、易坍塌等风险，总结左右线前后二次扰动沉降的规律，同时检验设备可靠性，对一线管理人员和作业人员强化演练。

3.4、实施自动化监测技术，信息化施工，动态监测，精准控制施工参数。

监测控制措施在运营铁路上布设隧道结构竖向位移、隧道结构水平位移、隧道结构拱顶竖向位移、隧道结构拱顶水平位移、轨道竖向位移、轨道几何形位、接触网杆竖向位移监测点等自动化监测项目，及时掌握运营铁路槎路隧道衬砌和基床的变形变化情况。并对首次调查发现的裂缝布设人工监测点，监测裂缝及隧道应力变化情况。在下穿段地面区域也根据盾构掘进专项监测方案布设相应地表沉降监测点。监测数据出现异常时通知施工单位及時调整掘进和注浆参数，以实时的自动化监测来指导施工。视频监控系统可正常使用。盾构机安装安全监控系统，铁路隧道内远程视频监控，接入监控平台，各调度管理岗位共享。

3.5、与铁路部门联动，采取分段限速、限行措施。

前期将盾构施工计划与铁路运输部门对接，完成铁路限速及封锁的施工计划审批，通过行车调度来实现下穿过程中无列车通过或减少列车通过班次施工筹划。为确保那～那区间盾构能够安全顺利下穿既有隧道，采取分段限速、限行措施。盾构正穿隧道边线前后8环（其中左线553～560环、567～574环;右线551～558环、565～572环）需线路限速45km/h，盾构正穿隧道范围内需进行线路封锁（左线561～566环、右线565～572环），线路内加固施工期间均为天窗期，车辆停运。

3.6、连续、匀速掘进通过，前后做封闭环注浆

根据试验段掘进总结分析确定的掘进参数，掘进接近下穿段开始全力保证盾构“匀速、连续、均衡施工”，尽量避免停滞。下穿段时，拼装增加注浆孔型管片（除封顶快外，其余均增加至3个注浆孔，即每环设置16个注浆孔），对管片注浆孔全环加密的范围（左线560～575环、右线558～573环）加强洞内二次注浆，充填管片背后的空隙。每隔2环在管片11点、1点位置注双液浆，二次补浆注浆量定为0.6m3，注入压力2.5～3bar。

四、结语

南宁轨道交通4号线那-那区间两台盾构分别于2019年3月下旬和4月下旬安全、顺利下穿既有铁路隧道，铁路隧道沉降、轨道差异沉降、接触网变形、裂隙发展等各项监测数据均在控制范围内，铁路货运按行调计划恢复正常通行。该工程中几点经验值得类似工程参考借鉴：

1、工程筹划阶段充分的调查研究，盾构适应性选型对下穿既有线风险至关重要;

2、通过试验段掘进优化施工参数，减少扰动、有效精准注浆，强化施工组织对保证下穿施工安全期关键作用;

3、施工过程中“匀速、连续、均衡施工”，采用自动化监控和信息化施工是安全保证;

4、建立地铁施工和铁路运营联动机制是必要的，采用限速、天窗停运应视具体情况协商确定。

参考文献

1、陈德智  盾构隧道近距离下穿既有运营隧道的施工技术[M]  广州  铁道建筑  2011;

2、杜殿達  阮应书  盾构下穿既有线铁路控制技术[M]中国盾构工程技术学术研讨会论文集  人民交通出版社  2018

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