大粒径卵石地层地铁区间隧道下穿铁路的工法选择Word文档下载推荐.docx

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根据地质勘察[1]情况，该段卵石地层中分布有漂石，漂石一般粒径20~200mm，含量15.8％～69.0％，细中砂充填约25％~35％；

局部夹漂石，一般粒径200～430mm，含量10.8％～69.4％，其中11.0～17.0m漂石含量50.2％～69.4％，最大粒径430mm。

图1：

孟家村站～前泥洼站区间与丰台编组站平面关系

根据铁路运营养护维修的相关规定（TB10082-2005），铁路两条钢轨间的横向高差≤4mm，任意10m范围内的最大沉降差≤5mm。

以此作为铁路运营安全指标。

下穿铁路施工有盾构法和矿山法两种工法，根据地质条件、水文条件和不同类型盾构的适用条件等因素综合分析，本工程施工可考虑选择土压平衡式盾构及泥水平衡式盾构。

鉴于干燥砂卵石层自稳性较差，本工程敞开式盾构慎选。

具体选择需结合盾构施工地层条件情况、土体改良措施及安全、经济性确定。

若采用盾构法，由于卵石粒径较大，且可能有大的漂石，须慎重考虑盾构机选型和盾构机刀盘形式选择，同时在施工时注意时时校正盾构机掘进方向，防止由于地层中漂石的影响导致盾构机跑偏。

另外，如果在260m的穿越期间内需处理漂石、换刀，则难度较大，但从盾构工法本身来讲，其控制沉降要好一些，正常可以将地面沉降控制在10mm以内。

对于矿山法而言，首先面临的是降水施工，在股道之间打降水井，场地条件等受限，可实施性不强，降水本身也会产生一定的沉降，矿山法施工的地面沉降值也要比盾构法大一些，但对于此地层，采用矿山法施工似乎可以降低盾构法的漂石处理、换刀等潜在风险，且工程灵活性更大一些，可以考虑在站场外设竖井开挖，工期也比较有保证。

因此，本区间穿越铁路站场的工法选择就尤为重要。

2　盾构工法选择

2.1选择理由和存在问题

对于标准的单线区间隧道，正常情况下，采用盾构法施工的沉降控制要优于矿山法施工，且盾构法不需要降水，若保持好开挖面稳定，土体扰动就比矿山法小，最终引起的沉降值也要小，工程安全性、可靠性要明显好于矿山法，且目前国内大多的下穿铁路工程越来越多的采用盾构施工。

然而对于本工程，选择盾构工法有几点难题需要解决：

砂卵石地层的盾构机选型和刀盘形式问题、可能会碰到大漂石的处理问题、如果需要换刀怎样处理，下面予以简单讨论。

2.2盾构机选型及刀盘形式

有关盾构机选型的研究[2-3]已经非常深入了，有关选型依据、程序、方法等在此就不详述了，本区段属于砂质土、地层自稳性差，首先应考虑采用密闭型的盾构施工，就泥水盾构与土压平衡盾构两者而言，如果从图2来判断，适合于泥水盾构，但本工程地下水位在隧道底板以下，地层含水量可能主要以层间滞水为主，且加杂有粉土和粘性土，也可以考虑土压平衡盾构。

若采用泥水盾构，就必须具备较大的地面空间来存放配套大型的泥浆处理和循环系统，而本工程盾构从车站一端始发，空间较小，很难满足其要求，且由于地层中存在较大粒径石块，须增加一个碎石机，在输出泥浆前，先将大石块粉碎，无形中降低了效率、增加了成本，本身此段区间距离较短，且目前北京地铁还没有应用泥水盾构施工的先例，如若应用则风险、造价等过大。

图2：

盾构选型与地层的关系

当然，选择土压平衡盾构也不是说一点问题都没有了，与泥水盾构相比，土压平衡盾构开挖面稳定的建立更难一些，特别是在砂卵石地层，想建立起土压平衡很困难，有些地段甚至无法建立，这就需要很好的土体改良技术做支持。

就本工程而言，结合北京地铁实践情况，推荐选用加泥式土压平衡盾构机。

除了盾构机型式外，刀盘形式也同样重要，是采用辐条式好还是面板式好，表1是辐式与面板式刀盘土压特性比较，可以看出，辐条式比面板式更具有优势，但辐条式也有个问题，本工程可能存在大粒径的卵石（石），由于没有面板阻挡，如果大漂石直接进入螺旋输送机内，而被卡住不能排出或者强行排出，很可能会损伤螺旋输送机。

相对来讲，面板式由于开口率低，则会阻止大粒径的卵石进入螺旋输送机，阻止程度可以通过面板的开口率大小来调整。

此外，如果发生需要人工在开挖面破碎大漂石、换刀等作业时，面板式的条件要比辐条式好很多，根据经验，对于粒径50cm以内的漂石，可以通过面板式刀盘进入螺旋输送机而顺利排出。

表1：

辐条式与面板式刀盘土压特性比较

比较项目

面板式

辐条式

　开挖面水土压平衡控制

一般存在三个压力：

　P1：

开挖面－面板之间；

P2：

面板开口进口之间；

P3：

面板与密封舱内壁之间（即土压计压力）。

其中：

P2受面板开口影响不易确定，而P3＝P1－P2，开挖面压力不易控制，同时控制压力实际低于开挖面压力。

只有一个压力P，密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等，因而平衡压力易于控制

砂、土适应性（粒径＜15cm）

由于开挖面土体受面板开口影响，进入密封舱内不顺畅，易粘结，易堵塞

仅有几根辐条，同时辐条后均高有搅拌叶片，土、砂流动顺畅，不易堵塞

2.3换刀及漂石处理

对于刀具的布置，砂卵石地层石英含量较高，对刀具的磨损非常严重，且大粒径石块的破碎会减小刀具寿命甚至摧毁，因此在刀具选择上，要考虑其耐磨性、刚度、硬度与碎石的能力，总之，要使其顺利完成700多米的区间一次掘进而不换刀。

如果需要换刀，也要避免在铁路股道下换刀，换刀可以有两种方法，一种是在施工前就计划好，对拟定区域的地层进行加固，待盾构到达后，从地面挖竖井下去换刀，安全有保障，但工期长、成本大，且选择竖井的地面条件要求较高。

此外，本工程地下水位低，卵石地层自稳性好，也可考虑对开挖面加固后，通过开仓进入前面进行换刀，开挖面加固可以通过地面向下注浆来实现，也可以研究从盾构机内向开挖前方注浆，同样，大漂石的处理也可以通过后一种方法来实现，当然，作为应付含大漂砾的砂卵石层的措施，可在面板前安装盘形滚刀破碎漂砾，在盾构机设计时，要考虑破碎大粒径漂石的刀具要求，同时适当增大盾构机有效功率。

因此，本工程可考虑采用附带碎石功能、适应较长距离卵石地层施工不换刀的面板式加泥式土压平衡盾构。

2.4　盾构法下穿的技术措施

如采用盾构法施工，主要有以下几方面技术措施：

1）对于下穿铁路的保护主要是加强施工管理着手，在盾构通过前做好地勘工作，防止在推进过程中意外情况发生。

2）盾构距离铁路20米外50米范围内做一试验段，模拟盾构下穿铁路的情况，优化施工参数，使盾构的推进对土体的环境的影响降到最低。

制定详细的监测计划，对监测数据进行分析处理，预测盾构穿越既有线的沉降值，为以后是否启动应急预案做参考。

3）加强同步注浆和二次注浆。

4）由于铁路基础为碎石道床，因此可以根据监测情况实施抬轨补砟。

5）根据监测情况必要时可以实施纵横梁扣轨加固。

6）对过往车辆实施限速，最高时速不应超过45km/h。

3　矿山工法选择

由于本区间长727m，丰台编组站处在区间的中部长约260米，如丰台编组站采用矿山法方案，则两端采用再盾构就失去意义,因此整个区间都要调整为矿山法方案。

区间断面为两个独立的马蹄形单洞隧道，开挖外轮廓宽6米，高6.3米，就矿山法而言，断面较小，难度不大，通常在地层条件较好的情况下，采用全断面法施工，考虑到本工程对沉降要求非常高，采用加临时仰拱的CD法，并采用长短结合注浆（上断面帷幕注浆）施工（图3、4）。

图3：

上断面帷幕注浆示意图图4：

开挖步序图

主要技术措施包括上断面帷幕注浆、双排小导管、开挖步距为50cm，每榀增加两根φ42的锁脚锚管等，其中上断面的φ68注浆长管孔距0.8m，行距0.6m，注浆段长10～15m，分段长0.6m。

拱部φ32注浆小导管长2.0m，环向间距0.3m，每榀两环。

4两种工法下的沉降数值分析与工法综合比较

4.1两种工法下的沉降数值分析

到底采用盾构法和矿山法，哪一个沉降更小一些，为此，利用有限元模拟软件进行了数值分析[4]，结果如下图5、图6及表2所示：

图5：

盾构法下穿丰台货场沉降图图6：

矿山法下穿丰台货场沉降图

表2:

两种工法最大沉降值比较表

工法

地表最大沉降（mm）

拱顶最大沉降（mm）

矿山法

全断面法

24

29

CD法

15

21

CD法（采取加固措施）

12

盾构法

13

16

盾构法（采取加固措施）

10

通过模拟计算结果可以看出，采用盾构法施工的沉降控制要优于矿山法。

但二者差别不是很大。

这主要跟地层关系较为密切。

说明在砂卵石地层条件下，盾构法沉降较大，但与矿山法相比，还是有其优势。

4.2区间下穿丰台货场两种工法的综合比较

下表3是对两种工法从各个角度的综合分析比较：

表3:

两种工法综合比较表

工法项目

沉降控制

沉降较小，对既有铁路、建筑物及周围管线影响小（根据经验可控制在-10mm以内）。

沉降相对较难控制，对既有铁路、建筑物及周围管线影响较大，一般情况会超过-20mm。

环境影响

对整个区间周边的环境影响相对较小。

因本区间周边及上方的建筑物较多，故对环境影响较大。

如下穿河流（新丰草河），正穿大直径的管线（Ф1500污水管），侧穿丰台货场的职工宿舍楼等。

施工难度

因本地段处在砂卵石地层，盾构的施工有一定难度，可以通过增大盾构机的开口率，增加破碎机构等相关措施来克服。

技术成熟，因地层以砂卵石地层为主，施做辅助措施比较困难，土体自稳能力相对差，施工难度较大。

地下水对工法的影响

较小，不需要降水。

较大，必须在无水环境的条件下作业，因下穿铁路段约260米，降水作业空间条件受限。

对上方建筑物的影响

一般不需迁改，轨道需做减振措施。

地面有大量的低矮的平房，多为1~3层，年代久远，无基础或为条基，抗沉降和倾斜的能力差，拆迁量很大，约17740平方。

工程造价

较低，可控性好，土建费用6776.5万元（4.6w/m）+减振道床费607.6万，总价7384.1万

土建费用8001.4万元（5.5w/m不含拆迁费）+拆迁费用2.61亿，共增加2.67亿元。

需要说明的是，对于区间穿越的房屋而言，即便是盾构下穿时不拆除，但由于房屋年代久远，基础形式较差，也很难保证其不开裂或出现其他更为严重影响使用的情况，再加上后期的震动影响等因素，因此还是建议最好在盾构施工前与矿同法同样做拆除考虑，如此一来，经综合考虑，本区间推荐采用盾构法下穿丰台编组站。

5类似条件下的盾构法下穿铁路的工程实例

北京地铁四号线角门北路站～北京南站区间采用盾构法施工，盾构机从北京南站东南角盾构始发井始发，区间右线以25°

小交角下穿京山铁路，下穿铁路段长度是28.45米，区间左线以21°

交角下穿京山铁路，下穿铁路长度是40.22米（图7所示）。

隧道顶部距铁路路基13.2米，盾构区间涉及的地层以砂卵石和中粗砂地层，位于地下水位之上。

图7：

四号线角～北盾构区间下穿京山铁路示意图

施工主要技术措施包括：

1）加强对盾构施工的管理，在盾构通过前做好地勘工作，防止在推进过程中意外情况发生。

2）加强洞内同步注浆及后补充注浆。

3）对区间下穿影响范围的轨道实施扣轨加固。

5）前后盾构机错开的距离不小于100米。

6）对过往列车实施限速，最高时速不应超过60km/h。

最终，区间在始发状态下以小半径、小交角成功穿越京山铁路。

区间下穿铁路最大沉降量仅为4mm。

6结语

盾构法和矿山法各有特长，到底选择哪一种工法，取决于地质情况与综合环境等多方面因素，北京地铁10号线二期孟家村站～前泥洼站区间下穿丰台铁路货场是一个很好的案例，工程本身地质情况较为复杂，应该说更有利于矿山法的发挥，但对沉降的高要求，却又使盾构工法略为占优，虽然说最终推荐了盾构法，但心里还是不踏实，因为盾构法面临的施工问题似乎要比矿山法更多一些，而且都是难题。

本工程目前仍没有实质性开工，最终采用盾构法施工的可能性很大，但也不排除与铁路部门的协调后改变的可能性，总之，无论采用何种工法，最终的铁路沉降控制值是下阶段关心的重点。

参考文献：

[1]北京航天勘察设计研究院.地铁10号线二期02合同段三环新城站～丰管路站区间岩土工程详细勘察报告[R].北京.2008.

[2]张凤祥,傅德明,杨国祥,项兆池.盾构隧道施工手册[M].北京:

人民交通出版社,2005:

130-133.

[3]周文波.盾构法隧道隧道技术及应用[M].北京：

中国建筑工业出版社.2004：

32～36.

[4]宋克志,王梦恕.砂卵石地层盾构穿越铁路的施工效应分析[J].烟台师范学院学报（自然科学版）,2005,21

（1）:

76-80.

审稿意见：

1即将修建的北京地铁10号线二期孟家村站～前泥洼站下穿丰台铁路货场区间隧道工法选择，通过工程地质情况和轨道沉降要求，进行了矿山法和盾构工法的比选论述，文章的总体思路可以作为城市地铁区间隧前期工法选择论证之范例；

2本工程采用土压平衡盾构法施工应属首选，无论采用何种工法，最终的铁路沉降控制值和运输中的安全是重点；

3对大粒径的处理不仅让它能顺利地通过面板式刀盘进入土仓，还必须补充说明盾构选用的螺旋输送机能否通50cm粒径，（按50cm粒径只能釆用无中心轴的带式螺旋输送机方案，但此种输送机强度低，其盾构机必须具有修理和更换输送机的设计，如输送机中心叶片头可退出土仓并设有关闭其接口的门，将土仓与螺旋输送机隔断），请补充以求完善这一点；

4该区间隧道无论釆用哪种工法施工，其成功经验都是十分保贵的，成都地铁盾构区间期待着该区间釆用盾构工法的成功经验，以利参照；

5本文立题正确，论证翔实，论述清楚，文字流畅，具有很强的指导意义，建议作者适当补充后，近期全文刊登。

柴永模2008.11.17于成都