盾構(gòu)下穿京津城際鐵路施工技術(shù)研究

□文/易敏

盾構(gòu)下穿京津城際鐵路施工技術(shù)研究

□文/易敏

隨著城市地鐵工程不斷發(fā)展，不可避免的出現(xiàn)地鐵建設(shè)與既有鐵路交叉的情況，由于鐵路運(yùn)行過程中，對各種變形要求嚴(yán)格，這就要求地鐵的建設(shè)必須制定專項(xiàng)的技術(shù)措施進(jìn)行應(yīng)對。文章以天津地鐵某區(qū)間下穿京津城際鐵路為對象，進(jìn)行了研究，提出了分析方法和施工應(yīng)對措施。

地鐵；盾構(gòu)；下穿；鐵路

1　工程概況

天津地鐵某區(qū)間盾構(gòu)需下穿京津城際鐵路，京津城際鐵路共2股道，碎石道床，無縫鋼軌軌道。隧道左線與京津城際鐵路的交角約為30°，隧道埋深為18.2 m左右，通過城際鐵路時需穿下穿1根單鋼柱接觸網(wǎng)桿。隧道右線與京津城際鐵路的交角約為27°，隧道埋深為18.3 m左右，通過城際鐵路時需下穿道岔，其中隧道下穿2個道岔機(jī)器，側(cè)穿5個道岔機(jī)器以及側(cè)穿4根雙鋼柱接觸網(wǎng)桿。隧道右線與城際鐵路相交部位存在鐵路道岔，該道岔位置鐵路由2股道變?yōu)?股道，見圖1。

圖1　總體平面

根據(jù)鐵路運(yùn)營及地鐵施工工程經(jīng)驗(yàn)、鐵道部《鐵路線路維修規(guī)則》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，穿越國鐵地段，施工引起的地面沉降和軌面沉降要求控制在±10 mm以內(nèi)，每股軌線的兩條軌道高差≯4 mm。

2　地質(zhì)情況

本區(qū)段地層有第四系全新統(tǒng)人工填土層（Qml）、新近沉積層（Q43Nal）、第Ⅰ陸相層（Q43al）、第Ⅰ海相層（Q42m）、第Ⅱ陸相層（Q41al）及第Ⅲ陸相層（Q3eal），巖性主要為粘性土、粉土及砂類土。地表遍布第四系全新統(tǒng)人工填土層（Qml），以雜填土為主，局部為素填土，其厚度及分布變化不大，其組成成分復(fù)雜，土質(zhì)松散，密實(shí)程度差。

盾構(gòu)穿越地段主要為軟土地層，地下水埋深較淺（約為3.77～4.01 m）地下水豐富，特別是緊鄰盾構(gòu)隧道底部的4粉砂層，滲透系數(shù)較大，地下水具有微承壓性，對盾構(gòu)施工影響大。

3　施工過程有限元分析

3.1計(jì)算參數(shù)

將土層分為3層并且每層土的參數(shù)均通過實(shí)際勘測資料標(biāo)準(zhǔn)值加權(quán)得出。根據(jù)施工實(shí)際情況，對鐵路運(yùn)營有影響的區(qū)間隧道的盾構(gòu)施工分為兩個階段：第一階段施工地鐵右線隧道，第二階段施工地鐵左線隧道。沿盾構(gòu)施工方向，兩隧道的中線間距在穿越國鐵段由18 m逐漸變?yōu)?8.4 m。兩隧道的埋深均約18 m。計(jì)算模型見圖2。

圖2　計(jì)算模型

3.2計(jì)算參數(shù)

每層土的參數(shù)均通過實(shí)際勘測資料標(biāo)準(zhǔn)值加權(quán)得出。

3.3荷載

模型中除自重外，還包括在地面上列車活載。列車活載采用特種活載模式，見圖3。

圖3　特種活載模式

軌道荷載P=54.4 kN/m，活載Q=250/1.6=156.25（kN/m），分布寬度為3.4 m，所以地面壓力q=（P+Q）/ 3.4=61.95（kPa）。

3.4邊界

模型中的6個面，除地面為自由面外，其他5個面均施加法向的約束。

3.5施工過程

計(jì)算中，每次進(jìn)尺為1.2 m，開挖土體的半徑為3.17 m，管片的外側(cè)半徑為3.1 m。每次施工過程中，開挖土體后施做管片，每次施工完成對掌子面施加盾構(gòu)機(jī)推力。右線隧道施工完后土體豎向變形見圖4，左線施工完土體豎向變形見圖5，施工完地面沉降曲線如圖6。地面上左右隧道正上方的點(diǎn)和隧道中間上方的點(diǎn)的沉降隨施工過程變化的曲線見圖7。

圖4　右側(cè)隧道施工完后豎向變形

圖5　土體最后豎向變形

圖6　施工完后地面沉降曲線

圖7　地面上3點(diǎn)隨施工過程變化

3.6計(jì)算結(jié)果

掘進(jìn)右線隧道時，右線隧道上方地面沉降較其他兩處的大，而且沉降速度也比其他兩處快；當(dāng)左線隧道開始施工時，右線隧道上方地面的沉降速度減慢，左線隧道上方地面的沉降速度要比其他兩處快；將近左線隧道施工完成時，中間的沉降開始比其他兩處的大，一直到施工完成。

施工及使用階段地鐵隧道能夠承受國鐵列車動荷載的影響，地面最大沉降值產(chǎn)生在兩隧道之間，為9.51mm。

4　施工技術(shù)

4.1施工參數(shù)控制

嚴(yán)格控制施工參數(shù)，減少對土體的擾動，保證盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性，盡量減少盾構(gòu)推進(jìn)中的擠壓作用和同步注漿作用等施工因素對周圍土體的影響。

同步注漿時必須要做到“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿、不掘進(jìn)”，在同步注漿壓力和注漿量方面進(jìn)行雙控，做到適時、足量。具體注漿參數(shù)還需通過地面沉降信息反饋來確定。

控制好盾構(gòu)軸線與盾構(gòu)糾偏幅度，避免軸線控制引起的超挖現(xiàn)象。單環(huán)軸線糾偏幅度控制在4 mm之內(nèi)。同時針對曲線段超挖，通過加大盾構(gòu)鉸接裝置的使用力度，預(yù)先計(jì)算好曲線偏轉(zhuǎn)量，控制曲線超挖和曲線掘進(jìn)擾動，以利于沉降控制。然后根據(jù)每環(huán)的測量結(jié)果和管片四周間隙情況，對盾構(gòu)機(jī)下一環(huán)的推進(jìn)提供精確依據(jù)，及時調(diào)整各區(qū)千斤頂?shù)纳扉L量。

盾構(gòu)施工中不減速施工；對沉降嚴(yán)格控制，只允許下沉，不允許隆起，最大不得超過7 mm，掘進(jìn)開挖初期（1～2 d）沉降速率＜-2～-4 mm/d，其余時間沉降速率＜-1 mm/d。

盾構(gòu)機(jī)操作人員嚴(yán)格執(zhí)行指令，謹(jǐn)慎操作，對初始出現(xiàn)的小偏差及時糾正，盡量避免盾構(gòu)機(jī)走“蛇”形，以減少對地層的擾動并為管片拼裝創(chuàng)造良好的條件。

4.2土體改良

1）使盾構(gòu)機(jī)前方土壓計(jì)反映的土壓更加準(zhǔn)確；

2）減少螺旋出土扭矩，確保螺旋機(jī)出土順暢；

3）減少盾構(gòu)前方土體的擠壓，及時填充刀盤旋轉(zhuǎn)之后形成空擋，對控制盾構(gòu)機(jī)前方土體壓力機(jī)地面沉降有利；

4）大幅減低土體與刀盤摩擦系數(shù)，具有潤滑保護(hù)刀盤的作用；

5）加強(qiáng)出土控制與觀察，注意出土中是否有混凝土塊并適當(dāng)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及渣土改良工作。

4.3徑向注漿

國內(nèi)外大量的實(shí)測資料及理論分析結(jié)果表明：就單條隧道而言，沉降槽曲線似正態(tài)分布曲線。從縱向來看，沉降主要發(fā)展規(guī)律：一是盾構(gòu)掘進(jìn)面的前方可能產(chǎn)生較大的地表隆起；二是施工沉降除土體損失引起的沉降外，還存在盾尾空隙沉降，見圖8。

圖8　盾構(gòu)施工過程中地面隆陷縱斷面曲線

由圖8可見，盾構(gòu)機(jī)在通過時的沉降比較明顯。為了保證盾構(gòu)通過期間鐵路穩(wěn)定，利用平徑向注漿孔（位于盾構(gòu)機(jī)中部），通過盾構(gòu)機(jī)內(nèi)膨潤土系統(tǒng)進(jìn)行注漿，采用優(yōu)質(zhì)膨潤土填補(bǔ)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時刀盤與盾體之間產(chǎn)生的間隙，減少土體的沉降。

4.4盾尾防漏

盾尾密封油脂是防止漏漿的關(guān)鍵因素，在穿越鐵路時要控制好油脂的注入時間與注入壓力，保證其連續(xù)不間斷注入。如發(fā)生漏漿現(xiàn)象，應(yīng)暫停掘進(jìn)，連續(xù)泵送盾尾油脂直到不再漏漿后方可連續(xù)掘進(jìn)。

發(fā)生漏漿現(xiàn)象后，如果在不能阻止漏漿，將現(xiàn)場配備的海綿條實(shí)施應(yīng)急封堵，即將海綿條沿環(huán)向全周圍嵌入盾尾殼體與管片間的縫隙，防止繼續(xù)漏漿而造成地面沉降。海綿條單塊長度=管片長度+100 cm，尺寸為150 mm×150 mm。

4.5同步注漿與補(bǔ)漿措施

1）同步注漿?？紤]曲線施工，提高注漿填充率至200%～250%，按照該注入率，每環(huán)注漿量為7 m3左右，同時適當(dāng)提高同步注漿壓力，注漿壓力控制在0.25～0.4 MPa，注入操作嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，保證注漿設(shè)備工作正常、時常檢修與保養(yǎng)并注意注漿作業(yè)結(jié)束后對管路的清洗，避免管路堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。

因此在盾構(gòu)掘進(jìn)時，應(yīng)注意掘進(jìn)與注漿的同步性，堅(jiān)持“掘進(jìn)時及時注漿、不注漿不掘進(jìn)、保證漿液質(zhì)量和同步注漿數(shù)量和壓力雙控制”的原則進(jìn)行同步注漿工作，減少和消除沉降的發(fā)生。

2）二次注漿與跟蹤注漿?？紤]對隧道結(jié)構(gòu)影響，二次注漿壓力控制在0.6 MPa之內(nèi)，注漿量隨注漿壓力進(jìn)行控制，持續(xù)注入?？紤]到對盾尾的影響以及注漿影響范圍，二次注漿位置選取在盾尾后5環(huán)以后的位置。當(dāng)盾尾脫出位置單次沉降超過1.5 mm以上或盾尾發(fā)生滲漏現(xiàn)象，選取盾尾后部5～15環(huán)位置進(jìn)行注漿加以控制。

下穿城際鐵路和道岔時，變化量＜1.0 mm/d時，沉降地段每環(huán)注入漿液3 m3，注漿以單液漿為主。變化量在1.0～1.4 mm/d時，先注入單液漿，后注入雙液漿，以雙液漿為主，注漿量＞5 m3。變化量＞1.8 mm/d時，立即停止掘進(jìn)，全力進(jìn)入搶險階段。

根據(jù)地面沉降檢測反饋，及時對沉降明顯地段進(jìn)行跟蹤注漿，跟蹤注漿位置選取在沉降位置附近，由兩側(cè)開始向中間補(bǔ)充注入。注漿壓力控制在0.6 MPa之內(nèi)。跟蹤注漿堅(jiān)持平穩(wěn)、持續(xù)的注入原則，以地面沉降檢測情況為指導(dǎo)，保證持續(xù)對沉降進(jìn)行控制，注漿壓力逐步提升，先低后高、平穩(wěn)注入。

同時，在鐵路范圍內(nèi)，做好連續(xù)補(bǔ)漿準(zhǔn)備，搭設(shè)移動平臺，保證車架通過后同樣能夠及時控制，二次注漿在過鐵路及特殊部位時要遵循“及時、少量多次”的原則。

3）注漿壓力控制措施。嚴(yán)格控制注漿壓力，注漿過程中，安排專人嚴(yán)格對注漿壓力進(jìn)行控制并記錄并觀察隧道結(jié)構(gòu)變化。同時對注漿作業(yè)進(jìn)行監(jiān)督，避免注漿壓力過大影響隧道結(jié)構(gòu)造成不良后果，同時防止注漿壓力過高導(dǎo)致漿液突竄至地表污染道床。

4.6軌道修復(fù)措施

在盾構(gòu)機(jī)通過該區(qū)域過程中，向鐵路部門相關(guān)單位申請，派鐵路專業(yè)人員及時檢查鐵路線路軌距、方向、水平、高低等幾何姿態(tài)，判斷盾構(gòu)隧道影響范圍內(nèi)的鐵路是否完好。如果對盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)鐵路沒有影響，及時通知鐵路部門恢復(fù)正常運(yùn)行。

如果檢查鐵路存在問題，立即采取以下應(yīng)急保護(hù)措施：

1）立即停止盾構(gòu)掘進(jìn)并保持土倉壓力，分析原因并立即通知鐵路相關(guān)單位，以取得其專業(yè)配合；

2）對沉降區(qū)進(jìn)行二次注漿補(bǔ)強(qiáng)，采用42.5級普通水泥漿作為注漿材料，水泥漿的水灰比為1∶1，為加快凝結(jié)速度，漿液中加入速凝劑等外加劑。選用水玻璃和氯化鈣，其用量約為水泥質(zhì)量的1%～2%以控制沉降；

3）在鐵路附近預(yù)備道渣，當(dāng)鐵路路基沉降過大時及時通過填筑道渣來調(diào)整軌道至合適位置；

4）加強(qiáng)整修軌面，每日使絕對變化量歸零，減少變化速率。

4.7其他措施

1）盾構(gòu)穿越鐵路和道岔時，保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)平穩(wěn)準(zhǔn)確，加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量，防止管片滲漏水。

2）盾構(gòu)穿越京津城際前，對班組的施工效果進(jìn)行評估，選出最有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)進(jìn)行操作，嚴(yán)格控制軸線偏差，減少糾偏造成的土體損失。

3）道岔位于盾構(gòu)隧道的緩和曲線上并已接近緩直點(diǎn)，姿態(tài)控制相對容易，為此左右線盾構(gòu)在接近道岔前30環(huán)時對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證道岔范圍前后各10環(huán)不進(jìn)行糾偏，即使出現(xiàn)少量偏差也在盾構(gòu)完全通過后進(jìn)行調(diào)整。

4）左右線盾構(gòu)在接近道岔前30環(huán)時，還應(yīng)對盾構(gòu)機(jī)的性能進(jìn)行檢查，確保機(jī)械處于良好狀態(tài)。

5）盾構(gòu)在道岔位置不允許停機(jī)，保證一次性通過，地面監(jiān)測采用實(shí)時監(jiān)測并在道岔處加密監(jiān)測點(diǎn)，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)能連續(xù)傳遞至項(xiàng)目部進(jìn)行分析并反饋至盾構(gòu)作業(yè)班組。

6）盾構(gòu)穿越道岔時，監(jiān)測人員加強(qiáng)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過監(jiān)測限值，及時匯報領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)部門。

5　施工監(jiān)測

5.1監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容見表1。

表1　監(jiān)測內(nèi)容

5.2監(jiān)測頻率及周期

1）自動化監(jiān)測：對于靜力水準(zhǔn)自動實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)和智能型電子全站儀自動實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，按設(shè)定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并與盾構(gòu)機(jī)操作平臺之間傳輸與共享數(shù)據(jù)。監(jiān)測頻率見表2。

表2　自動化監(jiān)測頻率

2）人工測量：監(jiān)測頻率表3。

表3　人工監(jiān)測頻率

6　施工結(jié)果

根據(jù)施工過程，對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表4。

表4　主要參數(shù)控制值

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，姿態(tài)與管片姿態(tài)基本相符，管片姿態(tài)滿足設(shè)計(jì)要求。

7　施工效果

京津城際第三排路基測點(diǎn)左線上方最大沉降-4.01 mm，盾構(gòu)右線上方最大沉降-4.24 mm；在此過程中最大沉降量為-0.73 mm/d。京津城際上行線道岔區(qū)軌道最大沉降-1.71 mm，最大兩軌高差為0.31 mm；下行線道岔軌道最大沉降-2.15 mm，最大兩軌高差為0.38 mm。

U455.43

C

1008-3197（2016）04-52-04

2016-06-06

易敏/男，1985年出生，工程師，中國建筑第六工程局有限公司天津軌道交通分公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.04.021