大直径盾构在铁路隧道中的应用分析

邹坤秘 杨 义

（1.中铁二局集团有限公司城通分公司，四川 成都 610000；2.中国铁路成都局集团有限公司，四川 成都 610082）

0 引言

随着我国社会经济不断的发展，城市化进程不断加快，铁路运输量与速度都有了大幅度提升。隧道工程也不可避免的越来越多，“逢山开路”普遍采用暗挖法施工，施工过程所面临的地质等困难复杂多样，这无形中加大的隧道施工难度，增加了施工风险，降低了隧道施工进度。而随着盾构技术应用的逐渐成熟，大直径盾构在铁路隧道施工中逐渐增多，推动了铁路工程的建设进程，减少了施工中的安全风险，提高了隧道建设质量。本文以成蒲铁路西环线增加二线工程紫瑞隧道建设为例，从安全质量和进度等方面进行分析盾直径盾构应用前景。

1 大直径盾构施工技术的发展和应用情况

1.1 大直径盾构施工技术的应用现状

大直径盾构应用于铁路隧道施工中，可降低施工中的安全风险，提高隧道的建设质量。纪俊吉[1]基于上海市域铁路隧道项目，对隧道监理管控内容及各阶段的要点难点进行分析总结；代洪波[2]对我国118 项大直径盾构隧道项目进行统计汇总可知,对国内大直径盾构隧道从勘察设计到施工技术管理等各阶段的综合技术现状分析总结，指出目前大直径盾构隧道面临的主要问题；高始军[3]介绍了广湛高铁大直径海底隧道项目的工程施工重难点、工期情况和主要创新技术；刁目松[4]基于南宁至崇左铁路留村隧道工程介绍了大直径铁路盾构隧道施工特点和风险，并提出了风险控制策略；赵继华[5]以太原铁路东晋隧道区间直径12.14 m 土压盾构机始发施工为例,分析二次始发问题并优化盾构多次分体组装始发方案；肖明清[6]针对佛莞城际铁路狮子洋隧道的高水压、土岩复合地层，穿越三处破碎带和两处水下断层等问题进行研究，并给出盾构总体设计和安全设计等方面的建议；蒋超[7]基于佛莞城际铁路狮子洋隧道工程，调研类比总结类似工程,对隧道平面、埋深选择、横断面比选、防水耐火、救援疏散等多方面的方案进行详细阐述；赵勇[8]针对京张高铁清华园隧道穿越地铁、城市主干道和重要市政管线,安全风险高、防灾救援难度大等难题,实现了盾构隧道施工可视化、动态监控与管理和盾构隧道智能建造技术体系。翟志国[9]以望京隧道为例，提出在以黏土、粉土和粉细砂层等软弱细颗粒为主的富水地层超深竖井大直径泥水盾构快速接收技术；张忆[10]基于江阴靖江长江隧道超长隧道安全问题,提出了一种新的顶部集中排烟盾构隧道结构防火保护策略和快速救援技术。李宏安[11]结合北京地铁14号线东风北桥站至京顺路站区段大直径盾构隧道施工及扩挖修建地铁车站的工程实践,提出了大直径盾构区间及扩挖车站的解决方案。洪开荣[12]介绍了狮子洋盾构隧道修建的有关设计与施工的技术。肖明清[13]针对三阳路长江隧道的工程实践,对隧道平面断面情况、疏散救援等关键技术进行了分析研究。

1.2 大直径盾构施工技术的应用案例

1.2.1 太原铁路枢纽西南环线东晋隧道

太原铁路枢纽西南环线起点为西山支线汾河站，终点为太中银线北六堡站，正线全长53.64km，建成后将与原有线路对接形成太原环城铁路。东晋隧道始发于万柏林区玉门河南岸，沿西中环南下，终至长风西街南侧，全长4850m，开挖直径12.14m。盾构隧道设计为单洞双线，埋深8~25m，开挖断面大，重大风险源达到64处，地质条件错综复杂，施工期间地表最大沉降控制在10mm 之内，管片错台控制在5mm，月平均进度指标达202m，是国内首次采用土压平衡盾构机施工，创造了中国铁路盾构施工月掘进尺420m 和日掘进尺22m的新记录。

1.2.2 广深港高速铁路狮子洋隧道

狮子洋隧道位于广州—深圳—香港（广深港）高速铁路客运专线东涌站—虎门站区间内，隧道全长10.8km，其中盾构隧道长9.34km，隧道内径为9.8m、外径为10.8m，两隧间共设23 个联络通道，采用2 台直径11.18m 泥水盾构施工。狮子洋隧道是世界首座时速350km 的铁路水下隧道，也是我国首座特长水下隧道。狮子洋隧道盾构段下穿小虎沥、沙仔沥、狮子洋三个珠江入海水道，狮子洋水道为珠江航运的主航道，最大水深26m。隧道最大覆土52.3m，最小覆土厚7.8m；水下最小覆土8.7m，设计水压达0.67MPa。狮子洋隧道大部分处于微风化砂岩、砂砾岩、砂质泥岩中，岩石的最大单轴抗压强度达82.8MPa，石英含量最高达55.2%。地层最大渗透系数达6.4×10-4m/s。隧道的建成被誉为“世界高速铁路隧道修建技术的里程碑”。狮子洋隧道地质断面如图1所示。

图1 狮子洋隧道断面图

1.2.3 京张铁路清华园隧道

清华园隧道全长6.02km，长距离穿越卵石土地层，地质条件异常复杂，采用直径12.64m 大直径泥水盾构施工。期间下穿特级风险源3处，一级风险源80处，是目前国内城市核心区穿越地层最复杂、重要建（构）筑物众多的高铁单洞双线大直径高风险盾构隧道，以5.4m 净距下穿正在运营的地铁10 号线，最小净距3.4m侧穿地铁13号线，最小净距0.8m上跨地铁15号线。清华园隧道现场如图2所示。

图2 清华园隧道

1.2.4 京沈客专望京隧道

京沈客专望京隧道全长8000m，采用4 台10.9m 泥水盾构施工，隧道在地下穿越首都机场高速、机场快轨、地铁15 号线、马泉营地铁站、红砖艺术中心、污水处理厂、高压塔架、多处居民区和高大建筑等重大风险源，隧道最深处43m，距离地铁车站维护结构仅0.6m，穿越距离长达120m，连续下穿车站密集道岔区，变形量控制要求正负1mm 以内，保证每天近700 余次地铁列车运行安全。京沈高铁线路将华北和东北两大经济区紧密相连，线路开通后北京至沈阳间的列车运行时间可压缩至2h。望京隧道现场如图3所示。

图3 望京隧道

1.2.5 武汉三阳路长江隧道

武汉市轨道交通7 号线一期工程穿越长江段，区间隧道长约2590m，左线1295 环，右线1293 环，外径15.2m，内径13.9m，采用2 台直径15.76m 泥水气平衡盾构进行施工，管片厚650mm，环宽2m，隧道最小转弯半径1200m，最大纵坡3.0%，为公路和地铁两用隧道。隧道分为三层，上层布置道路隧道的火灾排烟专用风道；中间层为道路交通层，布置3 条行车道，两侧布置消防、监控等相关设备；下层空间分为左中右3 孔，中间孔为地铁行车孔，两侧孔分别为公铁合用的疏散廊道、地铁火灾排烟道和道路隧道用的管线廊道。武汉三阳路长江隧道如图4所示。

图4 武汉三阳路长江隧道

2 工程概况

2.1 工程地质特点

紫瑞隧道位于Ⅳ、Ⅴ级围堰地层中，其中粗圆砾石地层自稳性差，其间赋存有大量的孔隙潜水，泥岩及砂岩地层强度差异较大。钻探揭示夹斑点状、团块状、脉状、薄层状石膏，小溶孔不均匀发育；地层软硬不均、地下水丰富。地下水主要有两种类型：一是松散土层孔隙潜水，二是基岩裂隙水；隧道洞身范围的地下水水压力为100～300kPa（3bar）。紫瑞隧道地质断面如图5所示。

图5 紫瑞隧道地质断面图

2.2 线路概况

紫瑞隧道设计为单洞双线，如图6 所示；地理位置如图7 所示。隧道全长1326m，外径12.4m，内径11.3m，最大纵坡为25.5‰，隧顶最小埋深8.6m，最大埋深21.75m。线路受周边环境影响较大，穿越地表既有河道1 次，超小净距（38cm）下穿运营地铁车站2次，连续长距离侧穿市政高架桥桩基础和铁路营业线，下穿高速公路高架桥及过街通道1 次。该工程具有施工风险大、沉降控制严、空间关系复杂、项目工期紧等特点。

图6 紫瑞隧道现场图

图7 紫瑞隧道地理位置图

3 大直径盾构的选型分析

盾构机的选型通常会综合考虑周边环境、安全管理以及施工工期等几个方面的因素。

（1）工程地质因素。该工程不具备矿山法施工的条件，而盾构法可适应软土、硬岩、软硬不均复合地层，以及高水压或断裂带等各类地层施工。

（2）周边环境因素。线路位于城区，其周边地表及地下存在大量既有构筑物，空间关系限制，地表不具备施工条件，矿山法不能实施时，采用大直径盾构施工，可解决空间限制和地表运行对周边居民影响问题，并能提供城市地下空间开发利用率，有利于城市地下空间规划和利用。

（3）盾构机的选型。根据工程特点，该工程采用了全国最大直径12.84m 土压/泥水双模盾构机施工，盾构管片厚度550mm，幅宽1.5m，管片全环采用6+2+1 衬砌形式，盾构机外观如图8所示。

4 隧道工程大直径盾构机施工要点

4.1 施工过程的沉降变形控制

隧道穿越地表既有河道1 次、超小净距（38cm）下穿运营地铁车站2 次、连续长距离侧穿市政高架桥桩基础和铁路营业线、下穿高速公路高架桥及过街通道1 次，沉降变形控制要求高。采用盾构法通过设备配合技术措施，达到水土压力平衡，并通过及时的同步注浆和二次注浆填充建筑间隙。施工期间穿越的建构筑物沉降变形均控制在5mm 以内，既有地铁运营线沉降变形控制在2mm 以内，有效解决超净距施工难题。

4.2 施工过程中的防渗处理

根据设计要求隧道为一级防水，不允许出现渗漏水和湿渍，采用拼装式衬砌，通过对盾构机姿态控制，实施管片上浮措施，并采用定位榫限制管片位移发生错台；采用同步浆液填充施工间隙的同时，形成隔水层，并在管片侧边设置两道凹槽，其内安设止水条，通过挤密达到止水效果，杜绝隧道出现渗漏水。

盾构法施工通过人机结合，紫瑞隧道衬砌环椭圆度、衬砌圆环平面位置、隧道圆环高程、相邻管片径向及环向错台均控制在5mm，无渗漏水。紫瑞隧道现场热力图如图4所示。

4.3 掘进模式的适应性设计

一般的矿山法隧道施工因其工作面小，不能使用大型设备，施工进度慢，建设周期长，机械化程度低，耗用劳力多，难以适应工程建设工期的需求。

在不同的地质条件下，采用不同掘进模式的盾构机，进行专项适应性设计，将土木技术与设备技术相结合，根据不同模式其掘进速度可达到50～100mm/min。可减短隧道施工周期，有利于项目尽早运营使用。

紫瑞隧道单班掘进效率突破7 环/班（10.5m/班）；单日掘进效率突破11 环/天（16.5m/d）；单周掘进效率突破50环/周（75m/周）；单月最高掘进效率达203环/月（304.5m/月）。单日指标和单月指标双双创造国内大直径泥水/土压双模盾构复合地层掘进新记录。

5 结束语

通过以上铁路工程大直径盾构施工案例分析可知，相对于明挖暗埋隧道和矿山法隧道，大直径盾构施工具有如下优点：

（1）目前大力提倡城市经济圈建设，而连通城市间的经济纽带是高速铁路，但受建设周边环境的影响，城区范围和丘陵地带多采用隧道，采用盾构法施工虽成本增加，但可减少对建构筑物和居民的影响，保证施工安全；提高施工效率,加快经济圈建设。

（2）在浅埋、高水压、大埋深、断裂带等复杂地质条件下，选用盾构法施工，通过土木技术与设备技术相结合，对设备进行专项设计，再通过施工过程技术管控，技术攻关，保证建设和使用阶段的安全。

（3）随着地下空间不断的开发利用，采用大直径盾构施工，可将综合管理、公路、地铁或铁路等合建，最大化利用地下空间，减少建设投资。