盾構(gòu)在軟土地層穿越既有鐵路施工技術(shù)

謝銀虎

前言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市交通的規(guī)劃建設(shè)也隨之呈現(xiàn)出向下層空間延伸的趨勢，直接導(dǎo)致盾構(gòu)穿越既有鐵路的工程項目數(shù)量越來越多。但是由于穿越底層的地質(zhì)狀況具有不可控的復(fù)雜特點，盾構(gòu)施工極易造成地面的沉降和變形，對周圍建筑物和地下管線產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響，如果不對其加以重視，甚至還會威脅到人們的生命安全和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何保證盾構(gòu)穿越既有鐵路施工技術(shù)的科學(xué)合理性已經(jīng)成為工程建設(shè)中高度重視的關(guān)鍵問題，也是當(dāng)前相關(guān)部門研究的重要課題。

1 工程概況

某市10 號線的一區(qū)間隧道采用土壓盾構(gòu)施工方法，其中盾構(gòu)直徑為6.32m，管片內(nèi)徑長為5.3m、外徑長為6.2m、環(huán)寬1.2m，并選用兩臺盾構(gòu)同向推進(jìn)的方法；在距離始發(fā)井258m 的位置處，盾構(gòu)需兩次穿越正在運行的鐵路，且此處的隧道頂埋深約為14.3m。鐵路在此段中是雙線四股道，為碎石道床和混凝土軌枕結(jié)構(gòu)，設(shè)計火車最大時速為120km/h，客車為250km/h；穿越位置的地層自上而下分別為：雜填土、1 褐黃色粉質(zhì)黏土、2 灰黃色粉質(zhì)黏土、1 灰色粉質(zhì)黏土、1-1 灰色黏土、1 暗綠色粉質(zhì)黏土，且施工區(qū)域的地下水條件為潛水，靜止水位為0.5m。

圖1 穿越處道床結(jié)構(gòu)和地層分布示意圖

2 風(fēng)險分析

利用有限元模型對鐵路的工況進(jìn)行模擬分析，有限元模型的長40m、寬28m、高30m，網(wǎng)格中的上部為鐵路路基，下部為兩個即將開挖的下穿隧道，同時結(jié)合已有的量測資料，在模擬中選定30%的應(yīng)力釋放率。對旋噴樁加固的兩種情況進(jìn)行比較，對盾構(gòu)的掘進(jìn)過程進(jìn)行了模擬，通過與鐵路路基沉降槽的變化進(jìn)行對比來反應(yīng)出旋噴樁加固對既有鐵路沉降的實際控制效果。在沒有旋噴樁加固的前提下，下行隧道中心的最大沉降值為6.5mm，超出了鐵路正常運行的實際要求；在有旋噴樁加固的條件下，下行隧道中心的最大沉降值為3.2mm，符合鐵路正常運營的標(biāo)準(zhǔn)。在完成上行和下行隧道開挖之后，旋噴樁加固可以使得鐵路的沉降值減小約55%，由此說明加固是必要的。

3 地基預(yù)加固

3.1 加固設(shè)計

在盾構(gòu)穿越之前，對鐵路路基和兩側(cè)的土體進(jìn)行加固，平面范圍為41m×28m，受到隧道下部地層條件的影響，加固深度至1-1 灰色黏土層底。主加固區(qū)和次加固區(qū)均采用壓密注漿的方法，其中住加固區(qū)的Ps＞1MPa，次加固區(qū)的Ps=0.9MPa；在主、次加固區(qū)之間設(shè)置旋噴加固區(qū)域，使其Ps≥0.8MPa，以發(fā)揮隔斷和控制變形的作用，并在加固結(jié)束后的1 個月進(jìn)行盾構(gòu)穿越。

3.2 加固施工

地基預(yù)加固的施工順序為旋噴樁-主加固區(qū)-次加固區(qū)。其中，旋噴樁施工采用二重管工藝，樁徑為1500mm、樁深18m，共設(shè)置三排樁，且水泥的摻入量為20%，將水泥漿的壓力控制在22～25MPa 的范圍當(dāng)中，提升速度控制在12～15cm/min，且旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為12r/min，為了避免因震動造成的路基下土體位移，要先選擇靠近鐵路的一側(cè)進(jìn)行施工，并且每2h 對軌道變化進(jìn)行一次監(jiān)測。

圖2 旋噴樁樁位布置和施工示意圖

主加固區(qū)采用復(fù)合漿液和單液漿分層注入的方式，對地面以下3m 的區(qū)域進(jìn)行復(fù)合漿劈裂注入，對其余的部分進(jìn)行單液注漿，并且采用打設(shè)斜孔的方式，注漿孔呈梅花形，且彼此之間距離為1m；對靠近鐵路的一排空先進(jìn)行施工，然后對外圍注漿孔進(jìn)行施工，最后完成中間孔，需要注意漿液的無限制擴(kuò)散問題的發(fā)生，同時按照“施一跳四”的順序進(jìn)行施工，避免地面隆起過度，并設(shè)置泄壓孔以便泄壓。次加固區(qū)采用垂直孔注漿的方式，每次注漿的提升高度為0.5m，漿液的膠凝時間在3～10min 之內(nèi)。

4 盾構(gòu)穿越控制

4.1 穿越準(zhǔn)備

選取盾構(gòu)穿越鐵路之前的100 環(huán)來作為模擬段，根據(jù)地表變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)對盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行及時的調(diào)整，對施工工藝進(jìn)行不斷的完善；當(dāng)盾構(gòu)機進(jìn)入到加固區(qū)的5 環(huán)之前時，保證機械、材料和人員等都做好了充分的準(zhǔn)備，并完成對設(shè)備的徹底檢修，以保證盾構(gòu)的連續(xù)穿越。

4.2 施工工藝

在進(jìn)行盾構(gòu)穿越的過程中，根據(jù)模擬段的參數(shù)來確定土倉壓力值，將盾構(gòu)正面土壓力波動控制在0～20kPa 的范圍當(dāng)中；根據(jù)土壓傳感器的數(shù)據(jù)來控制千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度，將其控制在2～2.5cm/min，盡量保持推進(jìn)穩(wěn)定，每天推進(jìn)6～8 環(huán)，確保注漿速度、推進(jìn)速度和出土速度三者相適應(yīng)；將出土量控制在98%左右，使得盾構(gòu)切口上方的土體隆起不超過1mm，與部分土體的后期沉降相抵消；同步注漿的漿液選擇可硬性漿液，將注漿量控制在建筑空隙的200～220%范圍當(dāng)中，將注漿壓力控制在0.3MPa 左右，并且根據(jù)軌線沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)來對注漿量和壓力的初始值進(jìn)行確定。

表1 同步注漿配比表（單位：kg）

盾構(gòu)姿態(tài)的變化切不可以過大和過頻，嚴(yán)格控制每環(huán)的糾偏量不超過10mm，變坡程度不大于1‰，以減少地表沉降；在穿越的過程中，要使用刀盤上的加泥孔對前方的土體加入肥皂水來對土體進(jìn)行改良，以提高土體的流塑性；在管片脫出盾尾5 環(huán)的時候，要進(jìn)行二次注漿，選擇水泥——水玻璃雙漿液，將壓力控制在3～5bar 之間，使得地層的變形量最小。

5 檢測和信息化施工

5.1 監(jiān)測

在地基預(yù)加固期間，保證監(jiān)測頻率為2h/次，在盾構(gòu)穿越前為3 次/d，當(dāng)軌面變形較大的時候要適當(dāng)?shù)募哟蟊O(jiān)測頻率；盾構(gòu)通過之后的地面監(jiān)測要根據(jù)變形點的變形速率和變形量進(jìn)行必要的分析；對報警值的設(shè)定要根據(jù)相關(guān)的設(shè)計要求來確定，每2h的線路軌面變化為±3mm，24h 線路軌面變化量為±8mm，保證地面沉降累計不超過30mm。

5.2 信息反饋

監(jiān)測資料要以報表的形式進(jìn)行提交，主要包括變化量、施工工況、測點號以及地表環(huán)境等內(nèi)容；同時，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果壓迫建立三級預(yù)警制度，如圖3 所示，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果小于報警值的2/3 時為Ⅲ級管理；當(dāng)監(jiān)測結(jié)果大于報警值的2/3，且未超過報警值的時為Ⅱ級管理。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，兩臺盾構(gòu)都順利的穿越了既有鐵路，保證了鐵路的順利提速；在盾構(gòu)穿越期間，軌線的最大沉降為4.6mm，滿足相關(guān)規(guī)范的實際要求。

6 結(jié)束語

圖3 三級預(yù)警管理示意圖

綜上所述，在城市化建設(shè)進(jìn)程不斷深入的當(dāng)下，盾構(gòu)穿越施工已經(jīng)成為當(dāng)前城市交通規(guī)劃中較為常見的建設(shè)方案，在本文當(dāng)中，通過結(jié)合具體的工程實例，對盾構(gòu)在軟土地層穿越既有鐵路的風(fēng)險進(jìn)行了分析，同時還針對土體改良技術(shù)、地基加固技術(shù)、監(jiān)控測量技術(shù)以及掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)等方面進(jìn)行了探討，為其施工建設(shè)提供了理論和技術(shù)上的支持，以促進(jìn)盾構(gòu)穿越既有鐵路施工目標(biāo)的順利實現(xiàn)，保證城市交通運輸?shù)陌踩?，最終實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。

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