合川东隧道泄水洞盾构施工方案研究

摘要：在小断面隧道施工过程中，通常采用爆破人工开挖等方式进行隧道掘进，该方式存在效率低，扰动大等问题。依托西渝高铁康渝段合川东隧道泄水洞工程，研究盾构施工工艺在铁路隧道中的可行性，通过对工程重难点的分析，结合盾构施工的各项要点，阐述其施工工艺，并分析了盾构施工工艺的经济性，相关成果可为类似的工程提供参考和借鉴。

关键词：泄水洞；盾构；反力架；管片

0 引言

铁路隧道施工过程中经常会遇到地质条件复杂的各种地层，存在隧道涌水、突泥等安全风险[1]。在隧道断面施工方面，如何规避施工风险，是需要首先解决的问题。

目前，关于隧道断面施工主要采用人工开挖和机械开挖两种方式[2]。在机械开挖方面，主要采用盾构掘进的方式进行施工[3-4]。该技术较为成熟，在施工过程中效率较高，且对土体扰动较小，便于各项工作的开展。

为了解决合川东隧道复杂地质环境条件下的掘进难题，本文从工程重难点及盾构施工要点等方面对铁路隧道泄水洞盾构施工技术方案进行研究。

1 工程概况

西渝高铁康渝段合川东隧道位于广安-合川东区间，起讫里程DK411+227～DK418+615，全长7388m，Ⅲ级围岩240m，Ⅳ级围岩1285m，Ⅴ级围岩5863m，Ⅳ、Ⅴ级围岩占比96.7%，其中隧道为全线Ⅱ级风险隧道之一，为本标段重点控制性工程。

本隧辅助坑道采用“进口平导带泄水洞+中部斜井+出口泄水洞”方案，其中出口泄水洞全长1800m，为解决出口段V字坡运营期间排水而设。其设置于正洞DK417+650处线路左侧，与线路大里程端平面交角45°，超出正洞出口约800m。

该泄水洞主要以泥岩、泥岩夹页岩、砂岩夹灰岩为主，地下水以基岩裂隙水为主，表层为松散孔隙水，隧道岩石强度硬岩段为10～40MPa，平均值约20MPa，与正洞交接处测点约120m岩层为灰岩，灰岩硬度50～80MPa。

2 设计概况及重难点分析

2.1 设计概况

2.1.1 区间线路设计

泄水洞采用无轨单车道运输，内径3.6m，泄水洞与正洞交叉处坑底高程276.94m低于正洞设计轨面1.93m，出口坑底高程275.34m，隧道小里程端洞口100m为20‰下坡，剩余1700m隧道为2‰上坡，采用盾构法施工。泄水洞位置如图1所示。

2.1.2  结构支护设计

盾构隧道采用钢筋混凝土管片衬砌，管片宽度为1200mm，管片外径4100mm，厚度为250mm，每环管片沿环向分为6块，即3块标准块、2块邻接块和1块封顶块。设计强度为C50，抗渗等级≥P12。管片采用通用楔形环，楔形量36mm。

管片安装采取错缝拼装方式，管片环、纵向均以弯螺栓连接，环向为14根M24螺栓螺栓，纵向为12根M24螺栓。

2.2 施工重难点及对策分析

2.2.1 始发井口防淹控制措施

泄水洞盾构始发洞门拱底里程标高275.33m，百年洪水位标高276.86m，在施工过程中可能发生井口水倒灌入隧道、盾构机被淹等险情。对此可采取以下对策：

盾构始发应避开汛期施工，密切关注气象部门预报，做好施工组织管理，尽快进洞封堵洞门。在盾构始发井坡面开挖线外侧3～5m设置截水天沟。洞口设置施工三级沉淀池1座并及时清理，降低施工废水沉淀堆积后导致积水倒溢进入隧道。

为防止洞外地表水流入井内，井口场地需向洞外呈不小于3%的下坡。在隧道内正1环使用砖砌筑防汛墙，并预备防洪沙袋，如遇洞口水位上升，应及时封堵洞口，避免水倒灌入隧道。洞口预留污水泵并定期检查保养，当洞口水位过高时，及时对洞口水进行抽排。

2.2.2 始发段管片质量控制

盾构始发易发生姿态盾构机“载头”，螺栓发生形变，引起错台。对此可采取以下对策：

始发基座的位置定位要精准，要使盾构机轴线与隧道设计轴线保持一致，保证始发阶段隧道内衬不超限。

反力架安装位置要精确，在洞壁内预埋足够数量的预埋件，预埋件与反力架连接后的强度要能够承受盾构机始发时的反力，并且预埋位置能保证反力架精确定位。

反力架采用钢板焊接的箱型钢结构件，后部采用型钢与反力架斜撑连接并与地面预埋钢板连接，以达到满足掘进机始发推力所需的强度、刚度和定位精度，并具有一定的保险系数。

调整主机的姿态，使轴线和隧道轴线的误差在要求范围之内。控制好第一环负环管片拼装精度，保证第一环负环与基准环、始发基座间连接与稳固措施。管片纵向连锁，始发段前0～10环管片采用工字钢将管片纵向进行连锁拉紧，保证始发段管片质量。

2.2.3 正常掘进段管片变形控制

岩层掘进时，管片背部空隙填充不及时、不密实，造成管片变形、破损、错台和渗漏水等质量缺陷，严重时可能造成隧道结构位移、变形超限，危及结构安全。

管片背后回填为填充管片壁后空隙、控制地面沉降的重要措施。掘进过程中需保证砂浆的及时注入，同时要关注注浆压力保证及时、饱满。

遵循管片拼装趋向跟随盾体趋向、保证盾尾间隙的原则。始发前做好管片选型工作，制作管片选型模拟卡，现场张贴区间管片型号配置、选型原理图等，施工过程中及时量取盾尾间隙，选型过程技术主管把关，使管片选型形成闭环管理。

3 确定盾构机配置及技术参数

结合该标段隧道工程特点对盾构机刀盘布局、掘进机配置、推进系统及铰接结构、渣土运送系统、注浆系统和动力供电系统进行了针对性设计。所采用的CTE4150型盾构机技术参数如表1所示。

4 盾构施工方案

4.1 盾构机始发

泄水洞隧道始发段位于Ⅳ、Ⅴ级围岩内，为全断面泥岩夹砂岩页岩、泥岩夹砂岩，单轴饱和抗压强度35MPa。泄水洞盾构始发采用反力系统+负环的形式，底部放置始发托架，洞门安装柔性密封装置，反力架底部采用钻孔桩作为受力基础，地面伸出短立柱预埋钢板与反力架斜撑进行焊接。反力架斜撑一般采用工字钢或钢筒。反力系统提供反力需大于其始发推力。

4.2 盾构正常掘进

盾构机正常掘进时参考相同地质盾构掘进参数，确保泥质砂岩的贯入度在3～8之间。同时每环同步向管片壁后空隙注入3m3水泥浆量，用以控制地面沉降。此外，通过安装SLS-TAPD导向系统，对盾构在掘进中的各种姿态以及盾构的线路和位置关系进行精确测量，以便快速、实时地对盾构的掘进方向及姿态进行调整，保证盾构掘进方向的正确。

4.3 盾构到达

盾构机在泄水洞隧道大里程洞门始发，最后在隧道小里程暗挖洞门内接收，步进至洞门外，拆解转运。盾构机到达需要进行贯通测量、贯通掘进以及盾构机到达接收3个步骤。其中盾构机到达接收时施工要点如下：

4.3.1 渣土清理

盾构机接收时，会有大量渣土掉落在洞门圈内和洞门外。施工人员清渣前，必须先认真观察洞门圈内是否有松散的混擬土块或渣土等，清除危险物后再进行土渣清理。

4.3.2 最后5环管片安装

最后5环管片拼装前，刀盘前方须紧贴焊接钢板，阻挡盾体在拼装过程前移。拼装完成螺栓复紧完成后割除，控制推进速度，保证同步注装量，控制注装压力，防止浆液击穿管片的环纵缝。

4.3.3 止水环施工

盾尾完全脱开洞门之前，在倒数第3、第4环做二次注浆，与加固体连成整体，形成一道止水环，彻底将隧道后部可能垮塌的土体堵住。浆液选用双液浆，浆液初凝时间控制在10s，快速凝固，减少浆液漏出。

4.3.4 折页板拉紧

盾构刀盘推出洞门前，将倒链适当放松，防止盾构机通过时钢丝绳过度张紧崩断。盾売接触帘布橡胶板后，拉紧倒链，使帘布橡胶板紧压在盾売上。待盾尾推出洞门，管片外弧面接触帘布橡胶板后，再次拉紧倒链，使帘布橡胶板紧压在管片外弧面上，防止洞门范围内土体流出。

4.3.5 盾构上接收托架

盾构推出洞门前，需认真检查导轨、接收架等的加固情况以及盾构刀盘底部与接收架高差等情况。确认无误后可将盾构推上接收架。盾构推进过程中必须密切关注接收架以及接收架加固与支撑的情况，一旦出现变形等异常情况，应及时停止推进并进行处理。

完成最后一环管片拼装后，盾构机借助单块管片继续向前推进至完全上接收架。为便于人员及材料运输从洞门通过，要求将盾尾推离洞门至少0.8m，方便螺旋机吊出。

4.3.6 主机与后配套系统分离

在盾构主机完全推上接收托架之后，以特制的门架式支撑架，将连接桥前端支撑在拖车行走钢轨上。支撑稳妥后将连接桥与盾构主机分离，并将各种管线同时与主机拆开。完成管线分离后，盾构完成到达，可进行盾构机吊装转场的准备工作。

5 经济效益分析

本文提出采用高铁隧道盾构施工工法对泄水洞进行开挖。其优点如下：

5.1 经济适用性强

现有盾构机为施工单位自有设备，大大节省设备购置费，且距离工点50km处有十四局自有管片厂，可作为盾构管片生产场，运距短、运费可控。对小断面隧道施工，盾构法对比钻爆法可节约成本812万，为项目重点降效点。

5.2 对土体扰动小

泄水洞最大埋深62m，主要以软土和泥岩、页岩为主，部分地段下穿河床、房屋和公路，涉及2处浅埋段，最小埋深7.1m。盾构机作业仅对1倍洞径范围土体有扰动，下穿结构物尤其是浅埋地段下穿施工安全性高。

5.3 作业工效高

按照施组工期，本泄水洞施工平均月进尺约40m，总工期43.6个月，盾构法施工在40MPa以内单日可完成10m进尺，月进尺约300m，总工期不超过9个月，缩短工期34.6个月。

5.4 成洞质量高

拟采用Φ4250土压平衡盾构机，为现有设备，盾构机机械化作业后采用成品管片支护洞身，管片为工厂化生产，有利于能保证泄水洞施工质量。

5.5 有利于减少房屋拆迁数量

泄水洞下穿10栋房屋，房屋总面积3877m2。采用盾构方案，盾构机可平稳穿越房屋建筑群，有效减少了房屋拆迁任务。

6 结束语

本文依托西渝高铁康渝段合川东隧道泄水洞工程，研究盾构施工工艺在铁路隧道中的可行性，通过对工程重难点的分析，结合盾构施工的各项要点，阐述其施工工艺，并分析了盾构施工工艺的经济性，相关成果可为类似的工程提供参考和借鉴。

参考文献

[1] 宾胜林.某隧道涌水原因分析及泄水洞方案设计[J].福建交通科技，2023（5）：75-78.

[2] 孙振海，韦建昌，韩玉，等.隧道施工事故统计分析[J].西部交通科技，2020（7）：91-93.

[3] 朱建辉.复杂地质条件下地铁隧道盾构施工技术方案研究[J].市政技术，2021，39（5）：52-55.

[4] 冯巧.团九二期输水隧洞近距离下穿北京西郊线技术方案研究[J].水利水电技术（中英文），2023，54（S1）：86-93.