盾構(gòu)機(jī)穿越隴海鐵路的保護(hù)技術(shù)

閆 逵

1 工程概況

西安市地鐵二號線TJSG-10標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間位于西安市未央路和北大街中軸線上,包括三個(gè)區(qū)間,線路跨度總長3720.68雙延米。其中安遠(yuǎn)門—北大街區(qū)間盾構(gòu)左、右線下穿5股隴海鐵路股道,電氣化鐵路區(qū)段,穿越長度約23m,其中有兩股道為正線采用60kg/m鋼軌,無縫線路;其余三股道為站線和牽出線,采用50kg/m鋼軌,正線及站線、牽出線均采用預(yù)應(yīng)力混凝土枕碎石道床。

本標(biāo)段采用兩臺(tái)小松TM614PMX土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行區(qū)間隧道施工,區(qū)間采用鋼筋混凝土管片,外徑6m,厚0.3m,拼裝采用錯(cuò)縫拼裝。

為確保盾構(gòu)機(jī)安全、順利的穿越鐵路,保證鐵路干線的正常運(yùn)行和人民生命、財(cái)產(chǎn)的安全,我們在施工過程中采取了一系列的技術(shù)安全措施來控制盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)造成的地表沉降和軌道變形。

2 地質(zhì)條件

穿越區(qū)域覆蓋土層厚度為16.5m。盾構(gòu)穿過的土層為古土壤、老黃土和粉質(zhì)黏土層,黃土濕陷等級為Ⅰ級(輕微),地下水埋深為6 m～17.9m。

3 盾構(gòu)機(jī)通過隴海鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

3.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

沉降控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn) mm

3.2 地表沉降主要原因分析

1)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前地表沉降,是由于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起土體應(yīng)力狀態(tài)改變造成,一般表現(xiàn)為地表隆起。

2)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)的地表沉降,是由于開挖面上的平衡土壓力引起。

3)盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)的地表沉降,是由于盾構(gòu)與土層之間的摩擦剪切力,以及盾構(gòu)抬頭或叩頭引起。

4)盾構(gòu)機(jī)通過后脫出盾尾時(shí)的地表沉降,是由于“建筑空隙”和應(yīng)力釋放引起的。

5)盾構(gòu)通過后長期固結(jié)沉降,是由于土體受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng),土體再固結(jié)引起的。

4 小松TM614PMX土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的安全性和可靠性

1)刀盤采用面板式刀盤,開口率43%。由于開口率大,開挖面與刀盤之間的阻礙物少,土體容易進(jìn)入土倉,土倉中的土體密度及壓力更接近開挖面的土體密度與壓力,因此,便于土壓力的控制。

2)盾體是用鋼板焊接而成的圓形筒體,內(nèi)部焊有加強(qiáng)板,密封裝置良好,具有足夠的耐土壓、水壓的強(qiáng)度和剛度,抵擋周圍土體壓力。

3)盾構(gòu)機(jī)采用8臺(tái)55 kW變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),具有較大的扭矩和多擋轉(zhuǎn)速,可適應(yīng)不同地層的掘進(jìn)需要。

4)盾構(gòu)機(jī)配備良好的泡沫和膨潤土注入系統(tǒng),刀盤中心、周邊和土倉、螺旋機(jī)等處均設(shè)有注入點(diǎn),并可根據(jù)情況調(diào)整各點(diǎn)的注入量,能有效地改良碴土,防止掘進(jìn)過程中“泥餅”的形成。

5)結(jié)構(gòu)管片在盾構(gòu)機(jī)每循環(huán)推進(jìn)后即行安裝,推進(jìn)過程中,同步注漿又及時(shí)填充了結(jié)構(gòu)管片與地層間的建筑空隙,不會(huì)造成開挖面與周圍土體的失穩(wěn),引起地面沉降就能被減至最少。由于充填及時(shí),對剛拼好的幾環(huán)管片的支撐和承托作用加強(qiáng),減小了管片移動(dòng)的可能性,從而減少管片在推力作用下開裂和錯(cuò)臺(tái)的可能。

6)盾構(gòu)機(jī)具備高精度的導(dǎo)向測量系統(tǒng)。配備由美國Trimble公司生產(chǎn)的5603光波自動(dòng)全站儀,導(dǎo)向精度高,能實(shí)時(shí)反映盾構(gòu)機(jī)的當(dāng)前位置和理論位置,并提供調(diào)整指示。

5 盾構(gòu)施工參數(shù)的優(yōu)化匹配

1)嚴(yán)格控制土倉壓力,保證掘進(jìn)面穩(wěn)定。在盾構(gòu)穿越過程中必須嚴(yán)格控制土倉壓力,同時(shí)也必須嚴(yán)格控制與土倉壓力有關(guān)的施工參數(shù),施工中應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度和出土量使土倉壓力波動(dòng)控制在最小的幅度范圍內(nèi),以減少地面的變形和沉降。鑒于過鐵路前后地層分布較為連續(xù),我們把盾構(gòu)穿越鐵路前50m設(shè)為施工模擬段,設(shè)置了兩組分層沉降觀測點(diǎn),參照施工模擬段的數(shù)據(jù),調(diào)整和優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。在盾構(gòu)到達(dá)鐵路前20m處,降低推進(jìn)速度,嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向。在實(shí)際施工過程中,土倉壓力一般控制在0.1 MPa～0.15 M Pa左右;掘進(jìn)速度控制在30mm/min～50mm/min。2)嚴(yán)格控制注漿量和注漿壓力。a.同步注漿。同步注漿壓力設(shè)定為0.15 MPa～0.25 MPa,再根據(jù)地質(zhì)情況、注漿速度、掘進(jìn)速度、地面沉降情況等進(jìn)行調(diào)整。同步注漿量控制在理論空隙量的150%～200%,注漿速度控制為0.0375 m3/min～0.0625 m3/min。b.二次注漿。在正常同步注漿施工后,進(jìn)行了二次注漿,進(jìn)一步填充管片與地層間的建筑空隙。二次注漿從盾尾后5環(huán)開始進(jìn)行壁后注漿,二次注漿壓力與同步注漿壓力相同。3)嚴(yán)格控制盾構(gòu)的姿態(tài)。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中,由于地層土質(zhì)變化、千斤頂推力不均、回填注漿不均、盾尾間隙不均以及已拼管片軸線不準(zhǔn)等因素影響,不可能完全按設(shè)計(jì)方向推進(jìn),會(huì)產(chǎn)生姿態(tài)偏差。盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)偏差時(shí),要及時(shí)根據(jù)開挖面地層情況調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)方向,避免引起更大的偏差。同時(shí)糾偏要嚴(yán)格按照“勤糾偏,小糾偏”的原則,嚴(yán)禁大幅度糾偏,以降低土層的損失和對周圍土體的擾動(dòng)。4)推力控制。穿越過程中,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)總推力控制在8000kN以下,確保不對土體造成過大的擾動(dòng)。5)保證拼裝質(zhì)量,減少管片變形/變位。隧道管片的變形量與管片拼裝的質(zhì)量緊密聯(lián)系,在施工過程中,必須強(qiáng)化施工管理,保證盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制和管片的定位準(zhǔn)確,加強(qiáng)螺栓的一次擰緊和多次復(fù)緊工作。

6 實(shí)時(shí)監(jiān)測,信息化管理

監(jiān)測內(nèi)容包括洞內(nèi)拱頂沉降、洞周收斂;地面沉降、軌面沉降、軌距、高低量測。軌面監(jiān)測是在正線及站線、牽出線左右股鋼軌分別設(shè)置測點(diǎn),測點(diǎn)布設(shè)于靠近鋼軌的短軌枕或道床面上。測點(diǎn)沿線路方向設(shè)置,設(shè)置間距為5 m～10m。

我們采用了多種通訊工具,及時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)快速的傳遞給指揮中心,指揮中心通過科學(xué)的分析判斷將盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整信息傳遞給盾構(gòu)推進(jìn)的工作面,指導(dǎo)盾構(gòu)的掘進(jìn)。

在實(shí)時(shí)監(jiān)測的情況下可以根據(jù)地表隆起狀況及時(shí)調(diào)整推進(jìn)速度及增大出土量,降低正面土倉壓力,達(dá)到降低地表隆起的目的。通過調(diào)整推進(jìn)速度及減少出土量,提高正面土倉壓力方式來控制盾構(gòu)機(jī)前方地表沉降。

7 既有線的加固措施

1)在盾構(gòu)隧道與隴海鐵路交叉范圍的盾構(gòu)右線右側(cè)30m及盾構(gòu)左線左側(cè)30m范圍內(nèi)采用扣軌的方法對鐵路線路進(jìn)行了加固,線路加固的單線總長為750m,同時(shí)將盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)的線路預(yù)抬高并對線路進(jìn)行順坡處理。

線路加固方法為:先將混凝土軌枕內(nèi)道碴隔三扒一,每隔3根混凝土枕加1根木枕并搗固道床。然后采用3—7—3方式扣軌進(jìn)行線路加固(見圖1),即3根軌束分別鋪設(shè)在兩根軌的外側(cè),7根軌束鋪設(shè)在兩根軌中間。每隔50cm用φ 22 U形螺栓與∠63×63×6的角鋼將軌束夾緊。軌束和枕木用U形螺栓和扁鐵制成的扣板連成一體。

2)線路兩側(cè)預(yù)埋注漿管,必要時(shí)從地表進(jìn)行加固。預(yù)埋注漿管布設(shè)區(qū)域?yàn)槎軜?gòu)隧道兩側(cè)6 m范圍內(nèi),每條線路兩側(cè)各0.5m處沿鋼軌方向間距1 m布設(shè)注漿管,長度從路基至隧道頂以上2 m深度,約14.5m。因施工過程中沉降控制較好,未進(jìn)行地表加固。

8 實(shí)效分析

通過實(shí)施以上技術(shù)措施,取得了明顯的效果。不僅保證了在盾構(gòu)穿越過程中,隴海鐵路的安全和正常運(yùn)營,而且也保證了盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。

從左右線盾構(gòu)穿越隴海鐵路的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,地面沉降和軌面沉降均未達(dá)到預(yù)警值,軌面最大沉降量-5.1 mm。

[1]張鐵柱.盾構(gòu)隧道縱向計(jì)算模型及其問題分析[J].山西建筑,2008,34(20):314-315.