0 引言

　　随着城市轨道交通与高速铁路建设的不断发展，地铁盾构隧道下穿高速铁路的案例也越来越多，关于地铁盾构隧道下穿高速铁路隧道的工程实践经验及科研成果仍极度匮乏。成都轨道交通9号线一期3A标三元站—太平寺站区间盾构隧道下穿成贵高速铁路客运专线机场路隧道工程施工条件极为复杂，无类似工程的成功经验可供借鉴。为确保工程顺利实施，保证高速铁路隧道运营安全，进行了充分论证研究及有针对性的设计优化;下穿施工前通过试验段试掘进优化掘进参数并对客运专线隧道进行预加固处理;下穿过程中通过采取“严控盾构掘进参数、严控出土量、强化注浆、远程实时监测与信息化施工”等措施，有效控制了客运专线隧道变形，保证了施工安全。

　　1 工程概况

　　1.1 工程简介

　　三元站—太平寺站区间左线距三元站始发端748.6m、右线距三元站始发端714.2m，以平面21°夹角斜下穿成贵客运专线机场路隧道(见图1)。本工程区间左、右线投入2台6980型土压平衡盾构机，先后由三元站始发、太平寺站接收。区间盾构隧道外径6.7m、内径6m，采用1.5m环宽、增设注浆孔的D型多孔管片错缝拼装。

　　1.2 下穿工程概况

　　下穿段成贵客运专线隧道采用直墙平底拱形明洞衬砌结构，基底位于中风化泥岩地层，结构施工完成后拱顶以下采用黏土回填，拱顶以上采用砂卵石土回填(见图2)。

　　下穿段成贵客运专线隧道里程K12+909-K13+006，下穿长度148.8m。下穿段盾构隧道处于700m半径平面曲线、0.5%下坡段，左、右线间距14.4～15.8m，盾构隧道埋深25.9m、客运专线隧道埋深5.38m，垂直净距10.1m。下穿段平纵断面如图3所示，穿越环号如表1所示。

　　

　　图1 工程线路平面  

　　 

　　

　　图2 成贵客运专线隧道结构横断面(单位:cm)  

　　 

　　1.3 施工条件

　　1.3.1 工程水文地质条件

　　下穿工程地质情况如图4所示，客运专线隧道基底位于中风化泥岩地层，盾构隧道位于全断面中风化泥岩地层。下穿段地下水埋深6m，由于本工程泥岩地层裂隙较发育，穿越段地层地下水极为丰富，呈微承压状态。

　　1.3.2 周边环境

　　下穿段地面现状为绿地，区间线路盾构掘进方向右侧为武侯大道三河段及太平寺军用平面曲线机场。受如下3方面因素制约，导致区间线路不可调:(1)本工程为设计运营时速100km的无人驾驶线路，区间线路平面曲线半径宜≥700m;(2)区间线路两侧车站站位不可调整;(3)区间线路需避开太平寺军用机场。

　　

　　图3 下穿成贵客运专线隧道  

　　 

　　  

　　表1 穿越位置及施工监管类型 

　　 

　　 

　　

　　表1 穿越位置及施工监管类型

　　

　　图4 下穿段地质纵断面  

　　 

　　2 工程重、难点

　　1)确保盾构连续、平稳下穿成贵客运专线隧道是重点工程实施期间，所在地区进行环保专项整治，盾构渣土、原材料及构配件运输受限;下穿段仅能在客运专线天窗期进行盾构掘进，大大延长盾构穿越时间。

　　2)控制管片上浮是重点区间左、右线以0.5%的纵坡(下坡)下穿成贵客运专线隧道，基岩裂隙水及因周边水井贯通含水地层(砂卵石层)而形成的地下水将向盾构掘进面汇集，严重影响管片背后浆液凝固。

　　3)盾构下穿成贵客运专线隧道微沉降控制是难点成贵客运专线隧道结构变形控制值要求≤2mm，轨道变形值要求≤1mm，控制标准极严格。本工程为国内首个地铁盾构隧道小净距、小夹角、长距离下穿高速铁路客运专线隧道工程实例，无成功经验可借鉴;穿越客运专线隧道期间盾构将反复停机、复推，对客运专线隧道沉降变形控制极为不利。

　　3 理论分析与设计优化

　　理论及数值模拟分析的目的在于对盾构下穿铁路的安全性、可靠性进行评估，并以此为依据进行优化设计、制定变形控制标准。

　　3.1 理论及数值模拟分析

　　3.1.1 建立计算模型

　　采用FLAC3D等软件，基于地层结构模型，建立有限差分模型进行施工全过程的仿真模拟及有限元强度折减过程模拟(见图5)。

　　

　　图5 平面计算模型  

　　 

　　3.1.2 主要分析方法

　　数值模拟分析过程主要考察盾构施工过程对既有铁路的影响，数值分析计算参数以详勘、补勘围岩物理力学参数为基础，同时采用换算土柱法并考虑列车动力影响，将列车荷载作用换算为均布荷载。

　　本次模拟分析中，以地质补勘结果并结合工程经验，选用4组地质参数，考虑列车荷载，按主动托换原则，采用0～150%不同应力补偿条件进行系统计算分析，以此分析盾构施工与客运专线变形之间的影响关系，特征点设置如图6所示。

　　

　　图6 特征点布置   

　　 

　　以“最合理地质参数(中风化泥岩弹性模量1GPa、强风化泥岩弹性模量0.5GPa)”一组数值分析为例，以下是重点关注的盾构施工对客运专线变形造成的影响分析数据。

　　1)客运专线隧道结构变形分析(见图7,8)

　　

　　图7 模型竖向位移云图(应力补偿率90%)  

　　 

　　2)客运专线隧道轨道变形分析(见图9,10)

　　

　　图8 客运专线隧道特征点位移与应力补偿率关系 

　　 

　　

　　图9 客运专线隧道轨道水平位移与应力补偿率关系  

　　 

　　

　　图1 0 客运专线隧道左、右线两轨道竖向位移与应力补偿率关系 

　　 

　　3.1.3 分析结论

　　1)不同的应力补偿率对高速铁路客运专线隧道及轨道的变形影响巨大，盾构施工过程中及时将应力补偿率控制在70%～130%，客运专线隧道结构及轨道变形均可控制在±1mm。

　　2)为保证客运专线隧道运营安全，盾构施工过程中必须做好充分保压，保证同步注浆和二次注浆的压力与注浆量，要求同步注浆压力达到0.5MPa、二次注浆压力达到1.0MPa，且注浆材料须采用低收缩率、快硬浆液，以达到早注浆、早升压、及时主动托换地层压力的目的。

　　3.2 设计优化措施

　　3.2.1 平纵断面优化

　　1)下穿平面盾构隧道线路与铁路线之间的夹角尽量呈垂直关系，以达到减小盾构下穿及影响范围长度的目的;在线路平面线形方面，避免采用小半径曲线。

　　2)下穿断面尽量增大盾构隧道与铁路线的垂直间距;盾构线路纵坡尽量缓和，减小盾构施工姿态控制难度，达到减小盾构施工扰动的目的。

　　3)下穿地质条件优化盾构区间线路平纵断面设计，确保盾构隧道周边地层、盾构隧道与铁路之间的地层无软弱、不良地质。

　　3.2.2 设计保护措施

　　1)预加固处理下穿前对2处施工缝渗漏点灌注EAA改性环氧材料(亲水性)进行堵漏处理，对客运专线隧道两侧回填土地层采取地面袖阀管注浆加固措施。

　　2)洞内注浆加固下穿既有铁路段盾构隧道，拼装增设注浆孔的多孔管片，盾构通过后根据施工及监测情况对管片周边地层进行洞内补充注浆。

　　3.3 变形控制标准

　　根据铁路线路相关技术规程，结合理论及数值模拟分析结论，制定如下客运专线隧道变形控制标准:(1)结构沉降2mm;(2)水平位移2mm;(3)衬砌应力，拉应力增加值0.3MPa，压应力增加值1.0MPa;(4)轨道几何状态为1mm。

　　4 客运专线隧道预加固处理

　　4.1 渗漏水治理

　　施工前对客运专线隧道进行了评估，结构本身安全，但须对2处环向施工缝渗水及裂缝进行整治。渗漏水治理采用“埋设注浆针管，分级、多点同步灌浆”注浆工艺。

　　4.2 地面预加固

　　为减小对客运专线隧道周边地层的扰动，下穿客运专线前，对客运专线隧道两侧回填土采取地面袖阀管注浆加固措施。加固区平面117m×15.5m，加固深度为地表至原明挖基坑放坡开挖界面。考虑到地层的富水性，注浆材料选用双液浆，凝结时间<2min，扩散半径1～2m，注浆压力控制<0.3MPa，并根据监测情况动态调整(见图11)。

　　5 试验段试掘进

　　区间左、右线下穿客运专线隧道前100m，选取与下穿段工程水文地质条件、埋深等施工条件基本一致的区段(50m)建立试验段，结合前期掘进与类似工程经验，对土压力、渣土改良、掘进参数等进行试验验证，以确定最优掘进参数。

　　通过良好的同步注浆、二次注浆及止水环注浆控制，有效填充密实管片壁后间隙，达到及时主动托换地层、控制管片上浮的效果。同步注浆、二次注浆效果可通过管片吊装孔及增设的注浆孔开孔检查确认。

　　

　　图1 1 加固区  

　　 

　　6 下穿成贵客运专线盾构施工控制

　　6.1 掘进参数拟定与控制

　　1)土压下穿客运专线段采取土压平衡-欠压模式(150～200kPa)掘进，避免土压过小造成地层沉降过大，避免土压过大造成推力扭矩过大导致刀盘结泥饼。

　　2)盾构姿态考虑地层的富水性，采用线下掘进模式，盾构垂直姿态-50～-60mm(前点)和-60～-70mm(后点)。施工过程中须加强测量换站、盾构及管片姿态测量，做到及时、缓纠慢纠盾构姿态(纠偏量≤3mm/环)。

　　3)出土量出土量控制采用质量、方量双控指标，经理论计算，中风化泥岩地层每环(1.5m)出土量须严格控制在75m³/150t以内。

　　4)注浆为避免频繁停机导致盾体包裹、受困，通过中盾径向注浆孔向盾体与地层间隙注膨润土;同时，保证同步注浆量(7.5m³)与注浆压力，避免出土超方(禁止超挖)，达到及时托换地层、避免地层收敛变形过大的目的。

　　主要掘进参数为:推进速度40～60mm/min，总推力12 000～16 000kN，刀盘转速1.4～1.7r/min，刀盘扭矩2 000～4 000kN·m，土压力150～200kPa，同步注浆量7～9m³，出土量73～75m³。

　　6.2 注浆控制

　　6.2.1 同步注浆

　　选用硫铝酸盐水泥砂浆作为同步注浆材料。通过浆液配合比试配，浆液性能应满足如下要求:(1)凝胶时间3～5h;(2)强度1d强度≥0.3MPa,28d强度≥1MPa;(3)结石率≥98%;(4)稳定性和易性良好，不分层离析。

　　经计算，每环同步注浆量须≥7m³，并根据地下水情况、盾构出渣情况进行动态调整。控制注浆压力≥500kPa，注浆速度须与掘进速度相匹配。

　　6.2.2 二次注浆及止水环注浆

　　二次/多次补浆选用水泥净浆，水灰比0.6～1。止水环施作选用水泥、水玻璃双液浆，水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)。

　　管片脱出盾尾3环后，立即进行二次注浆，每环二次注浆量0.3～0.7m³，注浆压力≥1MPa。每间隔3～5环施作1道止水环，起到封堵后方汇水通道、保证注浆效果的作用。

　　通过良好的同步注浆、二次注浆及止水环注浆控制，有效填充密实管片壁后间隙，达到及时主动托换地层、控制管片上浮的效果。同步注浆、二次注浆效果可通过管片吊装孔及增设的注浆孔开孔检查确认。

　　6.2.3 洞内注浆

　　盾构通过客运专线后，通过管片增设的多孔及时进行洞内径向注浆，注浆范围为管片上部径向1m范围，管片下部根据监测情况进行注浆。洞内注浆采用硫铝酸盐水泥单液浆，水灰比为1，注浆压力≥1MPa。

　　6.3 渣土改良

　　裂隙发育、富水泥岩地层盾构施工易出现出渣喷涌、结泥饼等情况。为确保渣土具有良好的和易性、流动性，选用优质泡沫进行渣土改良;为防止喷涌，可在泡沫原液中加入一定的聚合物进行渣土改良。在盾构掘进控制方面，控制螺旋转速与土仓压力匹配，加强渣温管理，动态调整渣土改良剂配合比及注入量。

　　6.4 施工组织与监管措施

　　为避免客运专线隧道运营荷载、盾构施工荷载对土体造成双重扰动叠加，区间左、右线下穿客运专线隧道采取分段施工、左右依次穿越的措施，影响段采取C类监管、全日连续掘进模式，下穿段采取B类监管、天窗点掘进模式。

　　通过优化工序安排、关键工序投入充足资源，制定并严格落实停机、复推措施，非天窗期做好施工准备、天窗期全速掘进;提前梳理并解决影响盾构掘进的因素，达到提高盾构施工效率、缩短下穿时间的目的。

　　6.5 停机与复推措施

　　为防止停机期间刀盘抱死、盾体受困，采取如下措施:(1)停机前采用膨化好的膨润土将土仓内全部填满，停机土压比掘进土压高30～40kPa;(2)天窗点最后一环掘进完成，利用同步注浆系统注入约3m³膨润土，避免盾壳被向盾体前部窜的同步浆液固结，防止同步浆液回流导致注浆管及盾尾刷被固结;(3)停机后通过中盾径向注浆孔注入膨润土，起到主动托换地层、防止盾体受困的作用;(4)停机期间每5h转动1次刀盘并适量注入油脂。

　　7 监测与信息化施工

　　7.1 客运专线隧道监测

　　盾构下穿客运专线隧道前，在受盾构施工影响范围段的客运专线隧道内布置远程监测点、调试好远程监测系统，对客运专线结构沉降、水平位移、衬砌应力实施远程实时监测。对于轨道变形监测，以铁路局工务段人工监测为主。

　　1)监测频率“结构沉降”“水平位移”监测12次/d，“衬砌应力”下穿前测试3次、下穿时2次/d、后1个月1～2次/周、之后1次/月。

　　2)监测周期下穿完毕后，持续监测6个月。

　　3)监测方法“结构沉降”采用静力水准仪监测，“水平位移”采用自动全站仪监测，“衬砌应力”采用表面应变计监测。

　　7.2 盾构施工监测

　　盾构施工监测为常规监测项目，主要针对地面预加固施工及盾构施工影响范围内的地面沉降、分层沉降、盾构隧道结构净空收敛、拱顶沉降监测，本文在此不做详述。

　　7.3 信息化施工

　　施工前，会同铁路运营管理部门等单位建立协调联动机制及信息传输渠道，确保信息沟通顺畅。施工过程中，及时分析监测数据、及时反馈，并根据监测数据动态调整施工参数，采取针对性的技术措施、应急措施。

　　8 实施效果分析

　　8.1 施工组织

　　通过施工组织优化，三元站—太平寺站区间天窗期下穿客运专线隧道掘进效率大幅度提高，平均单环掘进拼装时间压缩至1h。2018年11月24日区间左线开始下穿客运专线隧道，2018年12月14日右线下穿客运专线完成，区间左、右线共计历经22个天窗点、较铁路部门批复的穿越时间期限(11月24日至12月18日，共计26个天窗点)提前4d完成下穿客运专线隧道施工任务。

　　8.2 工程质量

　　下穿完成后，采用地质雷达洞内扫描管片周边地层，未发现空洞情况，管片背后注浆密实，达到预期注浆效果。在成型隧道质量方面，管片姿态≤50mm、管片错台≤5mm，未出现管片破损、渗漏水等质量问题。

　　8.3 客运专线变形控制

　　下穿客运专线隧道全过程未发生各类预警。受篇幅限制，下面仅列出客运专线隧道结构沉降变形监测数据。

　　1)下穿过程变形监测下穿过程客运专线隧道结构最大沉降-0.34mm(左线先行穿越，右线穿越累计沉降)，具体沉降变形情况如图12所示。

　　2)滞后沉降监测客运专线隧道结构滞后沉降0.1～0.2mm，最大累计沉降-0.41mm，具体沉降变形情况如图13所示。

　　分析以上监测成果，得出以下结论。

　　1)泥岩等自稳条件较好地层条件下盾构下穿客运专线隧道等重特大危险源，沉降变形主要发生在穿越施工过程中，下穿完成后的滞后沉降仅占累计沉降量的10%～30%。控制重特大危险源建(构)筑物变形，须采取技术措施重点控制下穿过程变形。

　　

　　图1 2 左、右线典型断面下穿过程沉降变形曲线  

　　 

　　

　　图1 3 左、右线典型断面滞后沉降变形曲线 

　　 

　　2)客运专线隧道结构实际变形情况与理论分析结果相符，证实了基于地层结构模型的理论及数值模拟分析方法的正确性。

　　9 结语

　　1)由于现阶段国内外尚无有关盾构隧道下穿高速铁路隧道的技术规程及标准规范，为确保盾构施工及高速铁路安全，在工程实施时，须针对具体的工程施工条件进行有针对性的可行性论证研究。

　　2)为保证高速铁路运营万无一失，工程设计阶段须尽量优化平纵断面设计，确保下穿区段无不良地质，尽量拉大与高速铁路的间距、减小下穿距离，并对铁路采取加固、隔离等保护措施。

　　3)本工程案例的成功实施关键在于充分的前期准备。本工程前期准备阶段进行了详细调查、评估、论证，及时、充分征求铁路运营管理部门意见，以此为基础进行了科学合理的设计优化、严谨的施工方案论证。

　　4)以“应力补偿、主动托换地层”的变形控制理论为依据，该工程实施时采取的“严控盾构掘进参数、严控出土量、强化注浆、远程实时监测与信息化施工”等措施，有效控制了客运专线隧道变形。