重庆地铁单护盾TBM隧道上跨既有铁路施工技术

马 亮，赵海雷

MA Liang, ZHAO Hai-lei

(1.中国中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001)

全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）是目前最先进的岩石隧道开挖装备，现已广泛应用于城市轨道工程、铁路隧道工程、煤矿巷道工程以及水利隧洞工程等诸多领域。与钻爆法相比，TBM能同时完成破岩、出渣、支护等作业，可实现连续掘进，掘进速度可达到常规钻爆法的3～10倍，掘进隧道成型好、对围岩扰动小、作业安全，尤其适用于深埋长隧道施工。然而复杂多变的地质条件使得TBM设备的通用性较差，针对情况各异的隧道特点，应对TBM进行适应性设计。若TBM设备的选型和采用的施工工艺与在建工程环境特征不符，将可能导致严重的施工风险，无法保证施工进度，同时造成重大经济损失。因此，采用TBM施工，合理选型是关键。目前，地铁建设迅猛，将不可避免地导致新建线路下穿或上跨既有线。例如，广州APM线盾构机穿越运营中的地铁1号线隧道，深圳地铁7号线两次下穿运营中的地铁1号线，北京地铁14号线盾构隧道下穿运营中的地铁15号线等等。虽然已有很多盾构下穿或者上跨既有运营路线的经典案例，然而单护盾TBM上跨既有铁路在国内尚属首例。本工程成功实现了对兰渝线、渝怀线以及襄渝线等的上跨施工，文中总结分析了该案例的关键技术，为今后同类工程的施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程位置

工程区间位于重庆市北部新区，根据区间地质、线路条件及工程筹划，本工程段采用两台单护盾TBM从大竹林出入段始发掘进，步进通过人和站、和睦路站及站前暗挖段，并在重光站后接收井吊出，完成区间掘进任务，具体位置如图1所示。

图1 单护盾TBM段工程位置示意图

1.2 区间隧道与既有铁路关系

人和站－幸福广场站单护盾TBM区间隧道沿金开大道向东行进，右线于里程YDK17+199.29－YDK16+897.68、左线于里程ZDK17+823.25－ZDK16+926.96依次上穿渝怀上行线人和场隧道、渝怀下行线新人和场隧道以及沪蓉铁路人和场隧道，而后到达人和站。工程区间隧道和既有铁路隧道的竖向净间距为4.250～11.944m，其影响长度范围为19.41～40.06m，区间隧道和既有铁路线的平面位置关系和近接空间位置关系如图2和图3所示。

图2 区间隧道与既有铁路线平面位置关系

图3 区间隧道与既有铁路线近接空间位置关系

1.3 工程地质

工程地处川东南弧形地带，华蓥山帚状褶皱束东南部的次一级构造。构造骨架形成于燕山期晚期褶皱运动。轨道走向与金鳌寺向斜近于垂直，位于其东翼，岩层倾向300°～320°，倾角10°～20°，沿线并未发现断层通过，结合区域地质资料，受应力作用相对微弱。地表出露地层为第四系全新统松散土层和侏罗系中统沙溪庙组泥岩、砂岩组成。原始构造剥蚀丘陵区地貌经人工改造为城市主干道，沿线海拔高程290～375m，相对高差85m左右。

2 上跨既有铁路风险分析及建议措施

工程通过三维地震结构模型对施工安全的影响因素进行评估，模拟风险段围岩与二衬的围岩和应力变化，来评价既有隧道的结构安全性，其三维模拟计算整体云图如图4所示。并采用二维结构荷载模型进一步检验交叉段既有隧道衬砌内力作用，验证三维模型计算结果的可靠性，得出工程在上跨兰渝线、渝怀线及襄渝线等既有隧道时对二次衬砌的内力及变形均有一定的影响，其衬砌的安全系数均存在一定程度的降低。存在的风险主要表现在：①应力异常，结构存在安全风险；②衬砌内力受荷载影响，导致衬砌存损等；③地层扰动，导致隧道局部变形等。

图4 三维模拟计算整体云图

为确保施工安全，根据风险段施工特点，以及对既有隧道结构的影响，提出以下措施：①应针对性编制专项施工方案，交相关铁路施工、运营管理部门审批后方可实施，并对既有隧道现状进行实时调查；②在TBM推进既有隧道交叉里程点前后50m时，应完成对新建隧道的隧底的物探工作，了解是否存在空洞或不密实区域，并及时采取措施；③过程中应严制TBM掘进参数、姿态，以减小TBM扰动影响范围；④及时对既有铁路线下穿段采取必要的加固措施；⑤并在TBM掘进至交叉段落100m时，完善相关监测工作，做到24h不间断监测，并持续至掘进通过后3个月，根据监测数据情况，调整为常规监测。

3 施工过程控制

3.1 单护盾TBM掘进参数的控制

以减少扰动衬砌结构为原则，严格TBM掘进参数与姿态，有效提高施工组织与管理质量，图5为本工程所使用的单护盾TBM。形成各综合信息的联动反映，充分考虑地质条件的变化、姿态的变化，以及监控量测情况等，进行反复优化和调整。

在TBM掘进参数的选择上以“四低一连续”为原则（即低贯入度、低转速、低扭矩、低推力和连续掘进），要尽量减少刀盘对地层引起的振动和扰动。

图5 重庆5号线单护盾TBM

1）掘进推力的控制 每环推进之前，应参考前面几环推进的各项参数，分析总结单护盾TBM趋势，进而正确的选择主推进油缸的编组，进行合理纠偏。根据地质情况，施工上穿铁路段推力应该控制在额定推力的20%～30%以内，即780～1 200t。

2）掘进速度控制 加快掘进速度，缩短围岩收敛时间，实现地面沉降控制；然而掘进速度过快，可能会使皮带机出渣能力不足，导致刀盘被卡。结合该工程特点，上穿铁路线区段掘进速度拟定为20～30mm/min。

3）刀盘转速控制 设定单护盾TBM额定转速为5～6rad/min，在正常掘进段刀盘转速为4.0～4.5rad/min，为确保上跨铁路段的施工安全和稳定，应控制刀盘转速为3～3.5rad/min。

4）刀盘扭矩控制 刀盘额定扭矩4 000kNm，在正常掘进段刀盘扭矩为900～1 300kNm，为确保上跨铁路段顺利掘进，保证已有路线安全运营，上跨铁路段总扭矩宜控制在700～1 100kNm。

3.2 单护盾TBM施工轴线的控制

单护盾TBM施工轴线的控制主要从两个方面进行保证，即测量控制和掘进方向控制。

1）测量控制 单护盾TBM的测量控制工作主要包括平面控制测量、掘进施工测量。上跨前先用人工测量方法测定单护盾TBM始发姿态，再利用单护盾TBM自带导向系统再次测得单护盾TBM姿态，确保两者结果一致。并通过管片复测检查导向系统的稳定性及成型隧道的管片拼装质量。施工测量实施三级复核制度，并配合监理进行检核，以确保控制点准确。

2）掘进方向控制 采用“PPS自动导向系统+人工测量辅助系统”对TBM姿态的监测。实时了解TBM水平和垂直位置与隧道设计轴线的偏差与趋势。通过调整铰接油缸行程差，结合分区操作单护盾TBM的推进油缸来控制掘进方向。在TBM上跨铁路线之前，将TBM姿态调整至最佳，减少TBM纠偏对地层扰动。并在掘进中应控制TBM趋势为抬头状态，避免“栽头”。

3.3 豆砾石吹填的控制

TBM施工使得围岩受扰或受剪，导致岩体破坏、建筑空隙、地层损失等，导致沉降、坍塌等风险存在。采用同步豆砾石吹填和回填灌浆的方法，使管片与岩体形成整体，控制地层沉降。因此，在TBM施工时，要保证及时且充足的豆砾石吹填和回填灌浆。且保证豆砾石回填与TBM掘进平行作业，严守“脱离护盾一环就必须回填一环”的原则。

为保证豆砾石吹填质量，谨防受力不均，应采用从下到上、两侧对称的施工工艺。不同部位的回填效果分别如图6所示。

图6 不同部位豆砾石的回填效果图

3.4 回填灌浆控制

因豆砾石不能有效稳固，存在空隙，应及时完成水泥浆充填，使得浆体与豆砾石有效结合与凝固，以提高管环强度，控制地层变形沉降，并在积极开展二次补充注浆，进一步增强背衬注浆层的防水性与密实度，形成稳定的防水层，从而实现加强隧道衬砌的目的。具体操作流程为：凿通吊装孔→拧紧注浆塞→连接注浆管路→连接注浆泵→注浆（图7）。

图7 回填灌浆作业原理图

二次补强注浆材料采用的是C-S双液浆，注浆压力控制在高于注浆位置水土压力0.2～0.5bar，使浆液具有较好的扩散能力，又不至于对周边岩体和注浆体产生较大影响。

4 沉降监测及控制分析

3条上跨铁路隧道以及周围地面的沉降监测是工程的重点。积极开展施工前、施工中、施工后对铁路沿线、洞内衬砌变形、周围建（筑）筑物的系统调查及监测工作，实现监测网络，提高监测成果的准确性和高效性，为施工作业提供真实可信的数据参考。

监测信息的分析成果及时反馈，为优化施工参数提供参考和依据，并不断地验证掘进参数设计的正确性，使施工方案与实际工程情况更加相符，确保TBM上跨铁路线安全、顺利完成。

5 结论与建议

基于综合工程地质情况、区间隧道与既有铁路线空间位置的分析，形成上跨技术方案。并在实施过程中严控掘进参数、姿态及各施工工艺技术的执行质量。最终实现区间TBM的安全贯通。结合该项目的施工经验，建议在今后类似的单护盾TBM施工过程中做好以下几个方面的工作：①做好风险评估与对策，形成施工方案；②做好监控量测与分析，及时反馈；③控制好TBM掘进参数与姿态；④严控豆砾石吹填和回填灌浆质量。

[1]荆留杰，张 娜，杨 晨.TBM及其施工技术在中国的发展与趋势[J].隧道建设，2016，36(3)：331-337.

[2]刘冀山，肖晓春，杨洪杰，等.超长隧洞TBM施工关键技术研究[J].现代隧道技术，2005，42(4)：37-43.

[3]《中国公路学报》编辑部.中国隧道工程学术研究综述2015[J].中国公路学报，2015，28(5)：1-65.

[4]张镜剑，傅冰骏.隧道掘进机在我国应用的进展[J].岩石力学与工程学报，2007，26(2)：226-238.

[5]赵海雷，陈 馈，周建军，等.引松供水四标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究[J].隧道建设，2017，37(3)：354-362.

[6]龙 斌.新街台格庙矿区长距离大坡度斜井TBM设备选型探讨[J].铁道建筑技术，2012，(10)：25-27.

[7]屈冬婷，姬国强，郭力友，等.∅5m全面段岩石掘进机主驱动装置的研制[J].矿山机械，2015，43(4)：143-144.

[8]李卫兵，刘 斌.影响TBM选型的地质因素分析[J].水力发电，2009，(8)：25-27.

[9]陈 馈.高黎贡山隧道设计及施工技术初探[J].建筑机械化，2009，(2)：48-52.

[10]陈德智.盾构隧道近距离下穿既有运营隧道的施工技术[J].铁道建筑，2011，(2)：67-69.

[11]齐保栋，翟 可.深圳地铁盾构首次超近距离下穿既有运营地铁矿山法隧道施工技术[J].青海水力发电，2016，(4)：46-51.

[12]王锡军.地铁盾构隧道近距离下穿运营盾构隧道变形控制技术研究[D].北京：北京工业大学，2014.

[13]吴同昌.盾构侧穿并上跨既有地铁线路施工控制研究[J].施工技术，2017，46(8)：46-48.