地铁盾构法区间隧道调线修复工程方案研究

郑 凯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

盾构法是地铁区间隧道施工中常用的工法之一，盾构法施工具有施工速度快、地面沉降小、施工安全，可以有效地保护周围建筑物和地下管线、减少拆迁量，施工期间不需要降水等优点，在北京、上海、广州等城市地铁建设实践中得到了证实和推广，并取得了良好的技术经济效益。然而盾构法受到施工工艺限制，也存在一些缺点，体现在以下几个方面:(1)中线控制难度较大。由于盾构法施工隧道中线受到工程地质(尤其是严重不均匀地层、砂卵石、卵砾石地层等)、盾构机姿态控制、盾构机操作技术人员技能、周边环境、后期隧道位移等多种因素影响，容易发生位置偏差。(2)盾构法隧道结构侵限后处理难度大。由于盾构法隧道衬砌采用预制管片，现场拼装的单层结构体系，一旦成环并脱出盾尾后，结构上很难再进行处理。(3)断面形式单一，不能适应多变的隧道结构形式。(4)地层适应性相对单一等。结合工程实例，针对地铁盾构法区间隧道结构中线偏差超过规范规定允许范围，需进行结构中线修复或线路调整的情况做一探讨。

2 地铁区间偏差段工程概况

本段区间主要采用盾构法施工，盾构始发井设置在R=350 m的小半径曲线上。盾构在小半径始发后以21°小交角下穿铁路，并与铁路并行一段距离，然后下穿河流，并侧穿铁路跨河桥的桩基。穿越河流后下穿φ3 000 mm盾构法施工的污水管。区间左、右线线间距12.0～15.0 m，结构净距6.0～9.0 m。如图1、图2所示。

图1 偏移段工程概况

图2 偏移段周边环境

3 工程事故表现

(1)平面:左线盾构始发后，盾构机未能按设计隧道中线掘进，在R=350 m曲线上向外侧(即向右线)发生了很大的偏移，偏移段位于里程左K3+587.5至左K3+371.20段，共计216.3 m，最大偏平面偏移量2 129 mm。如图3、图4所示。

图3 偏移段范围平面

图4 偏移量横断面示意(单位:mm)

(2)纵断面:在平面上隧道中线偏移地段同时出现水平中线的高低起伏，最高处高于原设计高程145 mm，最低处低于设计高程334 mm，见图5。

图5 实测线路纵断面偏移示意

(3)隧道中线出现偏移地段位于隧道下穿京山铁路、凉水河、污水管道以及侧穿铁路桥梁段等，周边环境建(构)物及地下管线非常复杂。

(4)在线路发生偏移段，原隧道结构间净距仅为6.0～9.0 m，发生偏移后，结构间净距仅为4.0～7.0 m，为以后的线路修复带来制约因素。

4 原因剖析

盾构法隧道中线在平面上和纵面上发生了很大的偏移，且未及时采取有效措施，存在着主观和客观上的原因。

客观上:

(1)隧道中线偏移段位于盾构始发区，盾构机操作技术人员还没有熟练掌握盾构机的各种性能指标，对盾构机掘进中的各种参数还没有清楚的认识，不利于盾构机纠偏;

(2)隧道中线偏移段位于R=350 m的小半径曲线上，给盾构机的纠偏增加了困难;

(3)隧道中线偏移段位于穿越铁路、河流、地下重大管线段，施工时要求盾构机要快速通过该地段，影响到盾构机纠偏;

(4)本段隧道所处工程地质为砂卵石地层，卵石含量高，盾构推行的阻力及扭矩都比较大，不利于盾构机纠偏。

主观上:

(1)施工时存在麻痹大意，没有完全认识到隧道中线偏移对隧道限界、线路服务功能、运营速度、超高设置等相互之间关系产生重大影响;

(2)认为设计有裕量，待隧道贯通后想利用设计裕量进行修复。

5 实测数据与限界余量对比分析及结论

5.1 隧道限界余量分析

(1)无超高地段、隧道结构中线可以相对线路中线左、右偏移200 mm，见图6。

(2)超高30～90 mm地段，隧道结构中心线只能向线路内侧在原偏移的基础上再偏移200 mm，不能向外偏移，见图7。

图6 隧道中线向左、右偏移示意(单位:mm)

图7 隧道中线向内侧偏移示意(单位:mm)

5.2 现场实测数据分析

平面上从K3+371.2至K3+587.5段216.3 m的范围内隧道中线最大向外侧偏移2 129 mm，纵断上在不同的里程上发生了334 mm的下沉和145 mm的上浮，见图5。

5.3 实测数据与限界余量对比分析及结论

偏移段位于R=350 mm的曲线半径上，原设计超高设置h=90 mm，因此只允许隧道中线向内侧偏移200 mm，经对比分析现场实测隧道中线偏移量已经远远超出了本线限界技术标准的要求，且中线平面偏移与纵断面偏移重叠，加剧限界的不足，因此隧道无法实现原设计功能，必须对线路进行调整或隧道结构中线进行修复或两者相结合，以满足技术标准的要求。

6 线路调整及隧道中心修复的原则

(1)安全性:线路修复过程中应充分考虑对周边环境、既有地铁结构等构筑物的影响，降低施工风险，避免发生次生事故;

(2)经济性:充分利用原有结构，减少废除工程量，尽量降低造价;

(3)技术合理性:重新修复的线路应满足现行规范及本条线路总体技术标准的要求，不能降低原设计线路的服务功能;

(4)因地制宜:线路重新拟合方案及后续隧道中线修复工程工法等都要根据现场情况综合研究制定。

7 线路调整及隧道中线修复应考虑的控制性因素

(1)线路应满足规范及本线最低技术要求(如线形、限界、允许通过速率、超高设置等);

(2)周边环境复杂，主要体现在几个方面:

①线路偏移段位于小半径(R=350 m)曲线上;

②区间结构净距近，修复施工时应考虑对右线隧道的影响;

③区间与铁路斜交，下穿铁路段范围大，且与铁路平行很长一段距离;

④下穿45m宽的河流段，对隧道中线修复工法的选择有大影响。

(2)工期紧。根据全线工筹安排，留给区间修复的时间非常短，约4个月时间。

(3)周边场地紧张，交通运输受限制。

8 线路方案比选

8.1 线路拟合方案

根据既有结构偏移量情况，结合线路、旅行速度、限界、轨道超高设置等各专业的分析，同时考虑全线工筹及周边复杂环境的控制因素等影响，有3种方案可供比选。

方案A:拟合隧道新的线形，不拆除原有结构，仅对出现的破损、错台等结构缺陷进行修复;

方案B:修改局部线路设计，尽量减短拆除已建成结构的长度;

方案C:按原设计线位进行工程修复，须拆除超限隧道结构，尽量利用设计还存在的部分余量。

8.2 各线路修复方案细则

8.2.1 方案A

(1)在结构偏移地段调整为3段小半径复合曲线，一段R=1 200 m的曲线，夹直线长度16.3 m，见图8;

图8 调线修复方案A示意

(2)曲线半径为R=1 200右偏曲线，可以设置40～60 mm超高，加上欠超高，该曲线不限速;

(3)复曲线地段可以设置60 mm超高，加上欠超高60 mm，允许通过速度50 km/h;

(4)局部地段需调整三轨、通信信号电缆及消防水管的布置;

(5)原6.86‰，长810 m的坡段拆成4个坡段，最小的坡段长度只有120 m，仅达到规范最低要求;

(6)调整后结构中心最大下沉量194 mm，上浮209 mm

8.2.2 方案B

(1)拆除原隧道长度约123 m，拆除点尽量避开北端铁路。

(2)在原直线段上增加右偏曲线，曲线半径2 200 m，设20 m缓和曲线，该曲线允许通过速度大于80 km/h，不限速，见图9;

图9 调线修复方案B示意

(3)重新拟合北端线路曲线半径，调整为R=355 m，缓和曲线长度30 m;

(4)需要局部调整隧道内管线布置:AP天线位置需要调整，三轨需要换边或设断口等;

(5)调整线路纵断面;增设线路纵坡段，由原来的单一坡调整为4段坡，分别为6.99‰坡长450 m，3.01‰坡长120 m，10.3‰坡长120 m，6.81‰坡长120 m;最小坡段长度仅满足现行规范的最低要求，且坡段较碎，不利于运营;

(6)设备限界距隧道内轮廓大于100 mm(符合现行规范困难条件的要求)，但不满足现行规范一般情况下大于200 mm的规定。

8.2.3 方案C

维持原设计的线路设计标准，尽量利用原设计中还存在的部分裕量，直接破除偏移量超过1.2 m段的隧道，重新施做结构，见图10。

图10 调线修复方案C示意

8.3 各线路修复方案的优缺点(表1)

表1 各方案优缺点

8.4 各方案比选结果

(1)从未来长期运营角度出发，恢复原设计方案，对出现工程缺陷的部位进行彻底修复，即方案C是最佳方案。但受到现场客观环境的限制，很难现场实施，且工期难易保证全线工筹的要求，不推荐采用。

(2)拟合线路方案(即方案A)服务水平较低，且存在与现行技术标准部分不吻合之处，不建议采用。

(3)方案B拆除部位基本避开了铁路及其市政配套工程的主要工作面，总体方案可行，技术标准虽有所降低，但符合现行技术规范，且工程实施方案具有一定的可操作性，推荐采用。

9 结论

(1)由于受到工程地质、周边环境、现场盾构机操作技术人员的熟练程度等复杂的主、客观因素影响，盾构隧道在施工过程中，不可避免的发生隧道中线的“左右蛇形、高低起伏”现象，对此，施工方应有充分的认识。

(2)施工技术人员应能对线路(隧道中线)与限界、旅行速度、轨道超高设置等相互之间的关系以及线路偏差对全线服务功能的影响有充分的认识。

(3)盾构掘进中应严格控制隧道中线平面位置和高程，做到小纠偏、勤纠偏、早纠偏，将施工误差控制在规范容许范围内。

(4)盾构始发位置选择时，应充分考虑盾构在小半径上始发的难度，尽量避免盾构在小半径曲线上始发。

(5)一旦发生隧道中线超过规范允许的误差控制范围，应及早提出，以方便根据现场实测情况，重新拟合、调整线路，以免后续发生重大方案变动和经济损失。

(6)针对隧道中线发生大范围的偏移，且无法通过重新拟合新的线路满足规范、总体技术标准及线路的服务功能时，应对偏移段进行修复。在修复过程中应充分利用原设计裕量，并充分考虑周边环境、工期、造价、风险等因素对修复工程的影响，使修复工程安全可靠、风险可控、经济适用、技术先进、并保证工期。

[1]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中华人民共和国建设部.GB50157—2003 地铁设计规范[S].北京:中国计划出版社，2003.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50446—2008 盾构法隧道施工及验收规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[3]北京市市政工程设计研究总院.北京地铁四号线工程施工设计区间结构专业技术要求(试行稿)、文件组成[Z].北京:北京市市政工程设计研究总院，2005.

[4]梁涛.浅析盾构机姿态控制[J].天津市政工程，2010(1).

[5]邵翔宇.盾构主要施工参数的控制与管理[J].市政技术，2004，22(4).

[6]董宇.浅析盾构机过小半径曲线段的操作与纠偏[J].科技资讯，2009(14).