土壓力平衡法涵管盾構(gòu)穿越鐵路技術(shù)

常凌飛

（遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110003）

1 工程概況

遼寧省重點輸水供水二期工程新民市供水線路，供水管線在遼寧省新民市境內(nèi)與沈山下行線相交于K70+014處，交角為90°。新建穿越鐵路供水管線防護涵孔徑為1～2.0 m，涵管采用鐵路頂進加強型鋼筋混凝土圓管，接口形式為鋼承口，管節(jié)級別為TJ12，預(yù)控頂力為7640 kN，防護涵共23節(jié)圓管，內(nèi)徑2.0 m，壁厚0.2 m，每節(jié)長2.5 m，全長57.5 m。

防護涵與沈山下行線相交處鐵路里成為K70+014，涵位處沈山鐵路為雙線，線間距為4.2 m，曲線，沈山上行線R=5 000，沈山下行線 R=6 000。60 kg/m無縫線路，Ⅱ型混凝土軌枕，電氣化鐵路。

2 關(guān)鍵盾構(gòu)施工技術(shù)

工程采用TP2000頂管機，TP2000頂管機由頂管機及主推裝置兩大部分組成。

2.1 主要施工參數(shù)確定

1）掘進模式選擇

根據(jù)鐵路區(qū)域的工程地質(zhì)條件，采用土壓平衡模式進行掘進。

2）土壓力設(shè)定

在穿越鐵路過程中，始終保證土倉壓力與作業(yè)面水土壓力的動態(tài)平衡，土倉壓力根據(jù)覆土性質(zhì)、厚度確定，并結(jié)合出土量、地表沉降情況適時調(diào)整，以刀盤前方不產(chǎn)生隆起為土倉壓力設(shè)定原則。理論計算公式：

式中：P——平衡壓力；γ——土體的平均重度；h——涵管埋深；K0——土壓力的側(cè)向系數(shù)，視覆土性質(zhì)和厚度而定，一般在0.5～0.7之間；K——修正系數(shù)1.1～1.3。

盾構(gòu)在掘進過程中據(jù)此取得平衡壓力的設(shè)定值，在工程實施過程中，根據(jù)實際情況并同出土量進行有機結(jié)合，土壓力設(shè)定值可作適當調(diào)整。

土壓力設(shè)定為 0.12～0.24 MPa，結(jié)合地質(zhì)條件，下穿期間，土壓力設(shè)定值進行逐環(huán)交底，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時的動態(tài)調(diào)整。

3）出土量控制

盾構(gòu)下穿鐵路時嚴格控制出土量，避免出土量過大造成地層損失，引起地面塌陷，軌道沉降過大。盾構(gòu)刀盤直徑2.0 m，涵管寬度3.0 m，

每環(huán)理論出土量：

式中：D——盾構(gòu)外徑，m；L——管長度，m。

根據(jù)以往其他區(qū)間下穿鐵路的成功經(jīng)驗，粉質(zhì)粘土松散系數(shù)經(jīng)驗值1.2，盾構(gòu)出土量應(yīng)該控制在 9.42×1.2=11.304 m3以內(nèi)，實際施工過程中，松散系數(shù)應(yīng)進行現(xiàn)場實驗求得準確值，計算出準確的出土量。現(xiàn)場安排值班人員每天對出土量進行統(tǒng)計，按照出土渣斗體積進行現(xiàn)場量測，在渣斗上標記出土量控制線，嚴禁出土超線，確保不出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。

4）掘進速度

正常掘進速度宜控制在25～40 mm/min，根據(jù)施工具體情況進行調(diào)整，確保過鐵路過程中盾構(gòu)推進勻速穩(wěn)定，避免速度頻繁變化。

5）盾構(gòu)總推力

推進時推力控制在1 160 t以內(nèi)，左線（上線）推進時推力控制在1 160 t以內(nèi)。

6）盾構(gòu)扭矩與刀盤轉(zhuǎn)速

推進時刀盤扭矩2 200 kN·m以內(nèi)、刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min左右。

2.2 施工參數(shù)控制

嚴格控制施工參數(shù)，減少對土體的擾動，穩(wěn)定各項施工參數(shù)，保證盾構(gòu)掘進的連續(xù)性，盡量減少盾構(gòu)推進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、注漿同步，不注漿、不掘進”，在同步注漿壓力和注漿量方面進行雙控，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+5 mm之內(nèi)，盾構(gòu)機操作人員嚴格執(zhí)行指令，謹慎操作，對初始出現(xiàn)的小偏差及時糾正，盡量避免盾構(gòu)機走“蛇”形，減少對地層的擾動，并為涵管拼裝創(chuàng)造良好的條件。

2.3 同步注漿與二次注漿

1）同步注漿

同步注漿直接影響地面沉降控制效果，是地面沉降控制的根本。計算空隙量為2.74 m3，考慮盾構(gòu)施工地層中以粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂為主的滲透系數(shù)較大，取較高系數(shù)，實際注漿量取值為理論方量的200%～250%，即5.48～6.85 m3/環(huán)，注漿壓力宜控制在0.3～0.4 MPa。注漿量的最終確定要視注漿壓力、涵管穩(wěn)定情況以及地面沉降情況而定，在此地段掘進加強地面沉降隆起監(jiān)測，及時分析數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)機掘進參數(shù)和注漿壓力。

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，同步注漿擬采用下表所示的漿液配比，在施工中，根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊環(huán)境等，通過現(xiàn)場試驗優(yōu)化確定。同步注漿漿液的主要物理力學性能應(yīng)滿足下列指標，見表1。

表1 同步注漿材料配比

膠凝時間：一般為3～10 h，根據(jù)地層條件和掘進速度，通過現(xiàn)場試驗加入促凝劑及變更配比來調(diào)整膠凝時間。

固結(jié)體強度：P1d≥0.2 MPa，P28d≥3 MPa。

漿液結(jié)石率大于95%，即固結(jié)收縮率小于5%。

漿液稠度：10～11 cm，對每三環(huán)的漿液稠度用稠度檢測儀進行檢測，保證符合要求。

漿液穩(wěn)定性：傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）小于5%。

計量以人工計量為主，同步注漿系統(tǒng)為輔的辦法予以控制，安排專人進行同步注漿量和漿液拌合質(zhì)量的監(jiān)督工作，并做好計量記錄備查。

2）二次注漿

根據(jù)地面沉降監(jiān)測情況，當涵管脫出5環(huán)后及時組織二次注漿，二次注漿是控制地面后期沉降的主要技術(shù)措施，二次注漿通過二次注漿泵將水泥漿和水玻璃通過涵管上預(yù)留的注漿孔注入涵管與周圍土體之間，二次注漿采用壓力控制，壓力控制在0.4～0.6 MPa之間，二次注漿根據(jù)監(jiān)測情況多次進行。

下穿既有鐵路時，當日變化量小于1.2 mm時，沉降地段注漿以單液漿為主。當日變化量在1.2～1.4 mm時，先注入單液漿，后注入雙液漿，以雙液漿為主。當日變化量大于1.4 mm時，立即停止掘進，進入搶險階段。

注漿材料采用超細水泥漿或雙液漿，漿液配比及其相關(guān)參數(shù)指標如下：

水泥漿配合比（kg）：膨潤土∶粉煤灰∶黃沙∶水∶水泥＝100∶400∶680∶430∶160 。

雙液漿漿液配比：水泥漿水灰比（重量比）：1∶1；注入時漿液與水玻璃體積比為：水泥漿∶水玻璃=1∶1。漿液凝結(jié)時間3 min，3 d抗壓強度7.8 MPa，7 d抗壓強度11.2 MPa，28 d抗壓強度13.3 MPa。漿液種類及配比可根據(jù)穿越實際地層及現(xiàn)場試驗情況進行相應(yīng)調(diào)整，見表2。

表2 二次注漿材料及配比表m3

3）補償注漿

根據(jù)地面沉降檢測反饋，及時對沉降明顯地段進行補償注漿，補償注漿位置選取在沉降位置附近，由兩側(cè)開始向中間補充注入。注漿壓力控制在0.6 MPa之內(nèi)。補償注漿遵循“及時、少量多次”的原則，以地面沉降檢測情況為指導，保證持續(xù)對沉降進行控制，注漿壓力逐步提升，先低后高、平穩(wěn)注入。

3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

控制好盾構(gòu)推進軸線，盾構(gòu)機前后端和設(shè)計軸線偏差控制在30 mm以內(nèi)，并嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)，避免盾構(gòu)機頻繁或大幅度調(diào)整姿態(tài)。在盾構(gòu)進入鐵路范圍前將盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整到最佳狀態(tài)，進入施工范圍后嚴格按照設(shè)計軸線推進。同時加強盾構(gòu)機姿態(tài)的人工復核，確保盾構(gòu)機推進軸線和設(shè)計軸線的偏差在設(shè)計允許范圍內(nèi)。在鐵路下糾偏坡度控制在±1‰之內(nèi)，平面偏差15 mm內(nèi)，一次糾偏量不超過5 mm。

現(xiàn)場對盾尾間隙每環(huán)進行測量，尤其是要控制不能使一側(cè)的間隙過小。防止尾刷與涵管碰撞導致盾尾密封、鉸接密封損壞及涵管變形。

1）盾構(gòu)下部管內(nèi)內(nèi)支架加固

臨時內(nèi)支撐系統(tǒng)采用預(yù)應(yīng)力鋼支架，保護范圍為在上方盾構(gòu)機掌子面前方30 m、后方80～90 m范圍內(nèi)，隨著上洞盾構(gòu)機的掘進，下洞鋼支架必須提供持續(xù)支撐。鋼支架應(yīng)保證足夠的剛度，避免涵管變形過大。

2）涵管背后深孔注漿

為了增強涵管間土體的抗壓、抗剪能力，對上下洞間的所夾土體進行注漿加固，施工安全及后期的運營安全。施做深孔注漿，具體做法為：利用涵管預(yù)留的注漿孔（涵管標準塊、相鄰塊各預(yù)留3個預(yù)留注漿孔，C塊預(yù)留一個注漿孔，共16個注漿孔），內(nèi)插L=1.8 m的注漿管，進行背后注漿，以提高土體的強度。

注漿管采用φ32 mm鋼花管，用無縫鋼管加工制作，長1.8 m。注漿時，將注漿管振動插入孔內(nèi)至管壁外側(cè)1.5 m處，注漿管深入地層中，通過注漿管對上下洞間所夾土體進行注漿。

30漿液采用超細水泥漿液，水泥漿配合比（kg）：膨潤土∶粉煤灰∶黃沙∶水∶水泥＝100∶400∶680∶430∶160 。注漿壓力為0.4～1.2 MPa，每孔注漿量不小于1.8 m3，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，加固范圍為每環(huán)均進行，要求加固后的土體無側(cè)限抗壓強度不小于0.4 MPa。

4 結(jié)語

以遼寧省重點輸水二期工程新民市供水線路穿越沈山下行線K70+014為例，針對盾構(gòu)穿越無縫雙線線路方法，采用土壓力平衡法穿越既有線路。通過優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，確保了既有線路安全運營，減少了施工安全風險，取得了明顯的經(jīng)濟和社會效益。為復雜地質(zhì)條件下穿越既有線的施工提供了參考，具有較好地推廣價值。