富水砂卵石地层盾构隧道穿越铁路咽喉区道岔群技术研究

戴志仁， 任 建， 李小强， 王天明

(1. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043； 2. 陕西省铁道及地下交通工程实验室， 陕西 西安 710043； 3. 成都地铁运营有限公司， 四川 成都 610041)

0 引言

近年来，成都地铁建设规模与建设强度稳居全国第一，各类技术难题也不断出现，比如侧穿高层建筑的超载折算问题[1]、开挖卸载对基坑下方既有地铁结构的影响问题[2]等，给参建各方提出了严峻的挑战。成都火车北站位于老城核心区，地铁5号线先后多次穿越运营中铁路(含成绵乐客运专线，最高速度250 km/h，普速铁路通过速度不超过60 km/h)，在蓉北商贸大道段穿越火车北站铁路咽喉区道岔群，在常规纵横抬梁(如D型梁)、吊轨等措施无条件实施的前提下，基于目前成都地区富水砂卵石地层盾构法隧道技术水平现状，类似工况下要确保复式交分道岔5 mm以内的微变形控制标准，施工难度空前。

目前，大量学者对穿越铁路工程进行了研究，也取得了相应的研究成果。王海祥[3]针对西安地铁4号线黄土隧道暗挖穿越陇海铁路道岔区，提出了D梁结合纵横梁加固措施；任建喜等[4]针对地铁盾构隧道下穿陇海铁路进行了研究；陈周斌等[5]针对砂质粉土地层矿山法隧道下穿沪杭铁路进行了研究；霍军帅等[6]基于苏州某地铁盾构隧道下穿沪宁城际铁路工程，验证了板+桩组合结构措施的有效性，以及D梁(纵横抬梁)加固措施的有效性。然而，目前的研究成果主要集中在穿越铁路的常规加固措施与盾构掘进一般参数2方面。纵观国内外穿越铁路工程案例，在富水砂卵石地层条件下集中连续穿越铁路咽喉区道岔群工程，尚属首例。在连续穿越4组复式交分道岔的同时，需要克服富水砂卵石地层施工扰动明显、地层沉降控制困难的难题，再加上复式交分道岔导致常规的纵横抬梁或扣轨措施无法实施问题，须基于富水砂卵石地层特性，提出符合复式交分道岔变形控制要求的成套技术。

为确保本文研究的盾构隧道穿越咽喉区工程顺利实施，首先，基于本工程复式交分道岔特性，提出符合铁路正常运营要求的变形控制标准(变形速率不超过1 mm/d)；其次，提出达到富水砂卵石地层预加固效果的可靠措施(高精度超长大管棚、既有过铁路人行通道加固与跟踪注浆)；然后，提出盾构掘进参数控制要点(保压掘进、盾构姿态控制及严控注浆参数、铁路运营天窗期掘进施工等)；最后，基于铁路安全运营需求，提出铁路咽喉区保护应急预案。本文提出的综合措施最终确保了安全穿越施工，其中富水砂卵石地层条件下超长大管棚关键技术的研究与突破，是确保咽喉区道岔群变形可控与铁路运营安全的关键，可对类似工况下的大管棚加固技术积累经验。

1 工程概况

1.1 工程简介

成都地铁某区间隧道主要走行于富水砂卵石地层，地下潜水位埋深约在地表下6 m(渗透系数约为20 m/d)，在距离火车北站约600 m处，沿商贸大道穿越铁路咽喉区(道岔群)，隧道拱顶埋深10.8～17.8 m(见图1)，咽喉区共涉及6股道(见图2)，4组复式交分道岔(见图3)，采用碎石道床，穿越段范围约长50 m(采用加泥式土压平衡盾构，隧道开挖轮廓直径为6.28 m，管片外径为6 m，壁厚0.3 m，1+2+3分块模式，错缝拼装)。地层物理力学参数如表1所示。

图1 区间隧道纵断面示意图

图2 铁路咽喉区情况

铁路咽喉区为地面线，采用路基型式(碎石道床)，由北向南依次为成灌线、成灌联络线、宝成线上行线、宝成线下行线、牵出线与停车线。同时，商贸大道东西两边各有一条穿越铁路的人行下穿隧道(见图3—5)。

既有过铁路下穿隧道采用顶推法实施、矩形框架结构形式(断面净空尺寸为2.5 m×6 m，壁厚0.4 m)，结构顶板与铁路竖向净距不足1 m，纵向分段(单节长度约6 m)，于20世纪80年代初建成投入使用。过铁路下穿隧道工程实施期间，既有过铁路人行通道暂停使用，待穿越工程完毕后再行鉴定。

图3 铁路咽喉区道岔群总平面图

土层及其编号重度γ/(kN/m3)黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)侧压力系数K0压缩模量ES/MPa土层厚度/m1-1填土188102.63.02-2粉质黏土19.737.117.10.406.00.62-9-1松散卵石200300.33203.22-9-2稍密卵石210350.30284.22-9-3中密卵石220400.253712.02-9-4密实卵石230450.248>20

图4 下穿铁路咽喉区道岔群纵断面(单位： m)

Fig. 4 Longitudinal profile of turnout groups of railway turnout area (unit: m)

图5 既有过铁路人行下穿通道

Fig. 5 Existing pedestrian passageway crossing underneath railway

1.2 安全控制标准

为确保既有铁路正常运营与公众安全，尤其是客运专线(成灌线)，基于既有工程经验与相关规范要求[7]，同时考虑到富水砂卵石中工程经验相对欠缺，从严制定了盾构隧道穿越道岔区风险控制标准。

1.2.1 路基沉降标准

本工程穿越铁路道床采用路基形式(碎石道床)，基于盾构法隧道掘进施工引起的沉降范围，在参考既有工程经验[3]的基础上，得到铁路路基允许最大沉降值，如表2所示。

表2既有铁路路基允许最大沉降值

Table 2 Allowable maximum settlement values of railway subgrade

中心埋深/m允许最大沉降值/mm≤120km/h120～200km/h200～250km/h250～350km/h10～129.0107.0584.5503.03312～1410.8128.4705.4603.64014～1612.6149.8826.3704.24616～1814.41611.2937.2794.85318～2016.21812.7058.1895.46020～2218.02014.1179.0996.066

注： 表中速度为列车最高运行速度。

调研国内众多下穿既有铁路工程案例可知，一般施工中所选取的最大沉降变形速率控制值为5 mm/d。由于本工程为客运专线(最高速度250 km/h，普速铁路通过速度不超过60 km/h)，且涉及高强度、大粒径富水砂卵石地层，连续穿越范围超过50 m，经综合比选，同时结合铁路部门要求，最终确定了道床沉降变形控制标准为3 mm、相应的沉降速率控制标准为1 mm/d。

1.2.2 交分道岔沉降标准

铁路咽喉区涉及单开道岔与4组复式交分道岔(见图3)，由于成灌线与宝成线在火车北站要停站(距离穿越位置不足1 km)，考虑到成灌线为市域铁路，基于既有工程经验与规范要求[8]，制定了本工程交分道岔(轨道)变形控制标准为3 mm，变形速率控制值为1 mm/d。铁路轨道静态几何尺寸容许偏差值如表3所示。

综合考虑路基与道岔沉降变形控制标准，同时根据沉降基准值与既有工程经验，采用基准控制值的75%作为预警值、85%作为报警值。下穿铁路咽喉区道岔群沉降控制指标如表4所示。

表3 铁路轨道静态几何尺寸容许偏差值

表4下穿铁路咽喉区道岔群沉降控制指标

Table 4 Deformation control standard for tunnel crossing underneath turnout groups

控制指标路基沉降沉降值/mm沉降速率/(mm/d)轨道坡向控制值/‰轨道水平与垂直偏差/mm轨道沉降速率/(mm/d)基准值31631预警值2.30.754.52.30.75报警值2.550.855.12.550.85

2 穿越铁路道岔区重难点分析

本工程富水砂卵石地层盾构隧道穿越铁路咽喉区道岔群，为国内首次连续穿越复式交分道岔施工，铁路咽喉区穿越范围约为50 m，受制于4组复式交分道岔，常规的D型梁或纵横抬梁无条件实施。受市政下穿隧道工程影响，咽喉区北侧无加固场地，仅南侧有加固条件，同时，根据既有工程经验，富水砂卵石地层条件下预注浆效果较差，因此长距离大管棚成为可供选择的超前预加固方法之一[8-9]。

根据既有工程经验，成都地区富水砂卵石地层条件下，尤其是本工程面临的密实卵石土地层，管棚最长不宜超过35 m(此时偏差可控制在0.6 m以内)[8]，但本工程需要打设的管棚长度超过50 m，同时面临着大粒径、高强度卵石的挑战，因此，“高精度、长距离、大直径管棚”施工工艺及其控制技术，成为了首先需要突破的重点。其次，根据铁路部门要求，只有在铁路运营天窗期，盾构才可掘进施工，而根据盾构掘进速度，至少需要连续掘进60 h，因此分段掘进与停机后盾构掘进参数的控制显得尤为重要。同时，复式交分道岔不超过3 mm的变形控制标准，需要有变形超限的应急预案，才能确保铁路运营安全。

3 穿越铁路道岔区关键技术

铁路咽喉区工程涉及的高精度超长大管棚施工、既有下穿铁路人行通道加固处理、铁路运营天窗期分段掘进、长时间停机后盾构掘进技术以及复式交分道岔微沉降控制技术等，是本工程需要研究的关键技术。

3.1 高精度超长大管棚技术

基于本工程面临的大粒径(最大粒径在500 mm以上)、高强度卵石土地层，超长大管棚的成功实施主要取决于顶进工艺、钻头强度与破岩(石)能力、钻进精度与导向装置等。

3.1.1 大管棚顶进工艺与钻头选取

要保证大管棚的顺利顶进，须考虑到高强度卵石颗粒的破碎问题，钻进工艺、冲击钻头与导向技术就显得尤为重要。

大管棚可考虑采用螺旋出土跟管顶进工艺(无需泥浆护壁)，管棚直径159 mm，管节之间采用丝扣连接，管内有螺旋出土钢管，出土钢管中间是螺旋钻杆，设备主要由螺旋钻杆、冲击钻头、导向系统(经纬仪、电脑、传感器、光源等)、空压机等组成。

采用套管护孔，中间风动潜孔锤冲击钻进，钻孔达到预定深度后，钻杆带出潜孔锤，钢套管留在孔内作为管棚管。

顶进钻头可选用高强度合金钢，通过顶进前方钻头冲击破碎前方卵石土，回转钻头将破碎的渣土排出，通过钻孔螺旋钻杆出土。大管棚打设用钻头如图6所示。大管棚布置与现场实施情况如图7所示。

(a)

(b)

(a) 双层大管棚横断面布置情况(单位： mm)

(b) 双层大管棚现场实施情况

Fig. 7 Arrangement and on-site implementation of large pipe roof

3.1.2 大管棚施工导向控制与方向调节

为确保管棚打设期间对地层的扰动可控，管棚施工精度须得到保证。因此，管棚导向采用“倾角偏差”和“坐标测量”的双重控制标准。

倾角偏差主要是通过管棚外壁传感器确定管棚垂直方向与设计角度的偏差。

坐标测量主要通过螺旋钻杆内光源坐标与管棚设计坐标的对比分析，确定管棚方向。

大管棚螺旋冲击钻进施工主要靠钻头自重和定位扩孔方式调节管棚顶进方向，如图8所示。

图8 大管棚钻进导向示意图

根据现场实测数据，大管棚施工精度可以控制在1%以内，满足设计要求。

3.1.3 大管棚注浆工艺

大管棚管壁与地层之间存在一定空隙，由于砂卵石地层粒径大小不一，地层均一性较差，造成管壁与地层间空隙分布情况不一样。因此，大管棚注浆需采用流动性好，且具有微膨胀性的水泥(砂)浆，同时管壁预留孔洞尺寸及其位置，应与所注浆液特性、地层空隙情况相匹配。

由于管棚长度大，注浆范围长，同时为防止过大的注浆压力引起地层劈裂破坏与地层隆起变形，因此注浆压力需要严格控制，具体注浆压力值(终值，实际工程可按0.3～0.5 MPa控制，满足实际工程管棚注浆需要)可参考式(1)，根据监测情况综合确定。

pmax=γh+λt。

(1)

式中：pmax为注浆压力终值；γ为地层重度；h为注浆点埋深；λt为围岩抗剪强度(直剪快剪试验对应的黏聚力与内摩擦角)。

3.2 既有人行下穿通道加固与跟踪注浆

既有过铁路人行下穿通道建设年代久远(20世纪90年代底)，采用顶管法施工，管节长6 m，覆土约800 mm。对下穿通道相邻管节接头加强处理： 通道50 m长度范围内接头全部采用型钢支撑(HW250×250，Q235)，共计8个接头，加强既有通道结构纵向刚度，如图9所示。

图9 既有过铁路人行下穿通道接头加固处理图(单位： mm)

Fig. 9 Joint reinforcement of existing pedestrian passageway crossing underneath railway (unit： mm)

由于过铁路人行下穿通道与上方铁路竖向净距不足1.5 m，因此在对人行通道进行加固后，有望在铁路下方形成纵向大刚度挑梁，一定程度上可起到纵梁的作用。

同时，考虑到50 m咽喉区范围内人员无法自由进出进行地层加固，因此利用人行通道预埋注浆管(PVC管)进行跟踪注浆(注浆压力建议不大于0.2 MPa，浆液采用水泥浆，初凝时间按4 h考虑，扩散半径按0.3 m考虑)，补偿盾构掘进可能引起的地层损失(根据盾构掘进参数与地层变形监测情况综合确定注浆时机与注浆参数，确保累计沉降变形不大于3 mm，单日沉降变形不超过1 mm)。

既有过铁路人行下穿通道袖阀管跟踪注浆布置如图10所示。采用MIDAS/GTS-NX进行模拟分析，设置为位移边界条件，采用修正的摩尔-库仑本构关系，满足圣维南边界条件，地层采用实体单元模拟，盾构隧道与过铁路既有人行通道结构采用梁板单元模拟，管棚采用植入式锚杆单元模拟，袖阀管注浆加固通过改变地层力学参数来实现。基于MIDAS/GTS数值计算分析的左右线隧道贯通后地层竖向位移等值线图如图11所示，由盾构掘进引起地层位移的传播途径与扩散范围可知，由西至东，既有人行通道两侧袖阀管长度分别为6.0、5.5、5.0、3.5 m。

由图11可知，通道两侧袖阀管长度基本可以覆盖住盾构掘进引起的地层位移扩散区域，最大地表沉降变形也仅有2 mm(满足沉降变形控制标准)。

3.3 铁路运行天窗期分段掘进控制

由于需要在铁路运营天窗期(00：00～04:00)分段掘进，因此停机位置的选择尤为重要。

从北向南，复式交分道岔主要集中在成灌联络线、宝成线下行线、宝成线上行线与牵出线，而相邻铁路之间的净距为4～6 m，因此将咽喉区分成4段掘进通过，咽喉区范围内每段掘进长度不超过9 m(6环，1个天窗期内完成)，具体分段情况与盾构刀盘停机位置如图12所示。

图10既有过铁路人行下穿通道袖阀管跟踪注浆布置图(单位： m)

Fig. 10 Arrangement of Soletanche tracing grouting (unit: m)

图11 左右线隧道贯通后地层竖向位移等值线图(单位： m)

Fig. 11 Vertical displacement contour after breaking-through of left and right tunnels (unit： m)

图12 铁路咽喉区范围分段掘进情况(单位： m)

Fig. 12 Sketch of sectioned boring in railway turnout area (unit: m)

3.4 长时间停机后盾构掘进参数控制

基于盾构隧道施工基本原理，一次连续掘进施工对周边环境影响的控制最为有利。为了确保铁路安全运营，本工程采用天窗期分段掘进，进而面临着咽喉区范围停机后再次恢复掘进施工难题。

基于富水砂卵石地层特性与既有工程经验[10-11]，为了确保停机后再启动期间掌子面稳定与施工扰动控制，制定了如下技术措施。

3.4.1 盾构掘削面保压控制

停机期间，每隔3 h刀盘维持转动一定时间，并根据土舱压力监测情况，及时注入高质量钠基膨润土进行渣土改良，确保掌子面有效保压(压力波动控制在10%以内)[12]。

3.4.2 严格控制盾构与管片拼装姿态

穿越铁路前，调整盾构姿态，确保盾构、盾尾后方隧道轴线与线路走向平行(水平向夹角不大于3°)[13]，同时确保盾尾处管片与盾壳之间空隙相对均衡(严格控制在60～90 mm)。

3.4.3 严格控制盾构掘进参数

土舱上部土压严格控制在0.11～0.14 MPa，盾构总推力控制在13 000～14 000 kN，刀盘转矩控制在3 500～4 500 kN·m，刀盘转速控制在1.5～1.7 r/min，掘进速度控制在50～65 mm/min。由于穿越铁路咽喉区范围仅为50 m，左右线盾构前后需相距100 m以上。确保左线掘进通过咽喉区监测数据显示地层变形稳定后，右线再掘进穿越施工。

千斤顶行程控制在300～1 800 mm(满足1环管片拼装要求)。

严格控制每环出土量，采用渣土质量与体积的双控标准，每环出土量不大于58 m3(理论出渣量为54.4 m3/环，松散系数在1.18左右)。

3.4.4 严格控制注浆工艺

盾构掘进期间的同步注浆，不但关系到盾构掘进期间的地层稳定，更关系到掘进通过后地层的滞后沉降问题，因此首先采用大体积质量浆液(见表5，浆液体积质量为1 800 kg/m3)，浆液初凝时间控制在4 h左右，同时每环注浆量不小于7.2 m3(相应充填率为1.5)。盾尾空隙浆液注入率按2.0考虑，同时在盾尾后方2环与10环位置，及时进行补压浆，确保盾尾空隙范围得到有效充填。

表5 浆液质量配合比

3.5 复式交分道岔变形控制技术

为有效控制盾构掘进期间复式交分道岔沉降变形，在采取一系列主动控制措施的基础上，还需要采取相应的被动预案，以确保铁路安全。

针对盾构掘进可能引起的地层损失与地层沉降问题，一方面，采取既有下穿铁路人行通道内袖阀管跟踪注浆(根据监测情况)，及时弥补盾构掘进引起的地层损失；另一方面，盾构掘进期间为铁路运营天窗期，因此派人24 h现场助勤，根据监测情况，必要时对有砟轨道进行抬升处理，确保单日累计沉降变形控制在1 mm以内，进而实现整体变形控制目标。

4 盾构掘进监测数据分析

盾构隧道于2018年8月中旬顺利穿越铁路咽喉区道岔群，穿越期间监测断面与监测数据如图13—15所示(8月6日，右线盾构开始穿越咽喉区，8月12日完成穿越施工，左线盾构已于7月完成穿越施工)。

图13 铁路咽喉区道岔群监测断面布置图

图14 J1断面监测曲线

由图14可知： J1断面最大沉降值出现在左线隧道上方，地表最大沉降值为-1.2 mm，同时右线盾构掘进时，左线上方沉降变形由-0.7 mm逐步增大到-1.2 mm，随后又逐步恢复到-0.7 mm(既有过铁路下穿通道跟踪注浆)，而右线隧道地层沉降值不超过-0.5 mm，左线隧道地层变形明显大于右线隧道。表明在左线隧道先行通过的情况下，右线隧道掘进扰动会进一步加剧左线隧道地层变形，虽然砂卵石地层颗粒骨架效应明显，但与软土地层类似，由于先掘进盾构对地层的扰动和地层刚度的下降，后掘进盾构施工对已施工隧道及其上方地层的影响是存在的[14-15]。

图15 J4断面监测曲线

进一步观察发现，左线隧道处地层变形在超过单日变形控制标准(-1 mm)后，通过既有过铁路下穿通道内注浆后(J4-5位置)，不但沉降趋势减弱，甚至出现了一定的反向隆起位移，这主要是由于下穿通道与地表距离较近(见图4)，同时浆液体积质量与注浆压力较大造成的。由此可见，在注浆压力得到有效控制的前提下，合适的袖阀管跟踪注浆工艺可以在一定程度上弥补盾构掘进扰动引起的地层沉降变形。

由图15可知： J4断面最大沉降值也出现在先行掘进通过的左线隧道处，最大沉降值约为-1.0 mm，左线隧道采取跟踪注浆后(J4-5位置)，沉降趋势也得到了较好的控制，而在左右线中间部位，未进行跟踪注浆，相应沉降变形较为明显。

5 结论与建议

1)高强度砂卵石地层中，管棚长度超过50 m时，在大管棚顶进工艺、钻头刚度与导向技术得到改善的情况下，可将施工精度控制在1%以内，提升了大管棚施工工艺。

2)既有铁路下方人行通道纵向加固后，可在一定程度上起到纵向大刚度挑梁的效果；同时，在人行通道内设置袖阀管跟踪注浆，可有效补偿盾构掘进引起的地层损失与施工扰动位移。

3)在土舱压力与掘削面保压效果得到有效控制的情况下，盾构二次启动与分段掘进的影响基本可控。

4)与软土地层类似，虽然砂卵石地层颗粒骨架效应明显，但先后掘进盾构施工之间的影响是普遍存在的。

5)盾构掘进参数控制与微扰动施工是解决盾构穿越重大风险源的根本，后续研究可从富水砂卵石地层开挖面稳定机制、渣土改良以及土舱压力控制等方面进一步寻求突破。