粉質(zhì)砂土層盾構(gòu)隧道下穿既有運營鐵路施工技術(shù)研究

李東陽

(中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300222)

1 工程概況

1.1 設(shè)計情況

北京地鐵6號線二期工程物資學院站-北關(guān)站區(qū)間設(shè)計里程為K32+377.8-K34+741.6，采用盾構(gòu)法(?6.25 m的土壓平衡盾構(gòu)機)施工。該盾構(gòu)下穿京承鐵路通縣西-張辛區(qū)間上下行線，與京承鐵路交角為62.5°，盾構(gòu)埋深為軌道下16.66 m；右線盾構(gòu)與鐵路相交處鐵路里程為京承線下行K20+048.3，左線盾構(gòu)與鐵路相交處鐵路里程為京承下行線K20+064.5，下穿京承鐵路保護區(qū)域為80 m。

1.2 工程地質(zhì)

勘探最大孔深49 m深度范圍內(nèi)所揭露地層，按成因年代分為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q41al+pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)等三大層，按地層巖性進一步分為8個小層。下穿京承鐵路隧道地質(zhì)主要為粉質(zhì)粘土④層，局部有透鏡式粉土層④2層，斷面底部主要為粉細砂⑤層，如圖1所示。

圖1 下穿地段右線地質(zhì)縱斷面

1.3 水文地質(zhì)

本段線路賦存四層地下水，地下水類型分別為上層滯水(一層)、潛水(二層)、承壓水(三層)和承壓水(四層)。

1.4 工程難點

(1)下穿的京承鐵路為正在通車的電氣化復線鐵路，必須確保通行列車的運行安全，盾構(gòu)穿越施工時的保護標準要求很高。

(2)盾構(gòu)下穿區(qū)域掌子面主要為粉質(zhì)粘土，局部夾雜粉細砂，地下水控制不當會發(fā)生水砂齊涌的潛蝕、管涌、流砂等危害，圍巖極易坍塌變形。推進時盾構(gòu)姿態(tài)稍有改變就會對周圍的土體產(chǎn)生影響，從而對控制地面的沉降造成很大困難。

(3)京承鐵路路基沉降控制標準高，軌面沉降最大值不能超過10 mm，路基最大隆起不得超過5 mm。

2 運營鐵路線路防護

2.1 路基注漿加固

為保證盾構(gòu)下穿鐵路路基的穩(wěn)定及行車安全，對盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的路基進行注漿加固處理。路基注漿加固區(qū)域范圍為線路中心外寬5.0 m，路基下高2.0～5.0 m，長度46.2 m，如圖2所示。

圖2 路基注漿加固平面

2.1.1 小導管制作

注漿用小導管采用壁厚3.5 mm的?48 mm熱軋無縫鋼管，管身布設(shè)?8 mm溢漿孔，孔間距150 mm，沿管身梅花狀布置。管頭100 mm范圍設(shè)30°錐體，管尾500 mm長不開孔，作為止?jié){段。

2.1.2 漿液制備

漿液采用雙液水泥-水玻璃漿，配合比根據(jù)現(xiàn)場試驗進行實時動態(tài)調(diào)整[1]，按要求的比例同時注入雙液混合器內(nèi)使其充分混合。A液，水∶水玻璃=1∶1，水玻璃濃度40 °Be′；B液，水∶水泥=1∶0.8；A液∶B液=1∶1。

2.1.3 注漿施工

每組孔分別由A(孔深7.5 m)、B(孔深7.5 m)、C(孔深8.0 m)、D(孔深8.0 m)、E(孔深9.5 m)、F(孔深9.5 m)、G(孔深10 m)和H(孔深10 m)8個孔組成，角度如圖3所示。注漿孔直徑?70 mm，注漿擴散半徑0.8 m，注漿凝結(jié)時間30 s～60 min。單側(cè)注漿作業(yè)面上，注漿孔豎向間距400 mm，沿線路縱向間距800 mm，每行前后錯開200 mm。

圖3 路基注漿加固斷面

注漿順序為從外到內(nèi)，采用隔孔跳注。為減少注漿施工對行車安全的影響，在線路兩側(cè)對稱布置注漿設(shè)備[2]。通過外圍先注漿，調(diào)整凝結(jié)時間，有效控制跑漿、冒漿、漏漿的發(fā)生，提高加固效果。

2.1.4 注漿壓力控制

注漿過程中，如果注漿壓力過高，可能會導致軌道隆起，反之則無法達到填充目的。因此將軌道外側(cè)及附近注漿壓力控制在0.3 MPa左右，孔內(nèi)壓力控制在0.5 MPa左右，最終壓力穩(wěn)定15 min后，即可結(jié)束該孔注漿施工。

2.1.5 注漿效果檢測

(1)注漿后土體單軸抗壓強度應(yīng)達到0.7 MPa，并通過取芯檢查注漿效果。

(2)采用雷達對路基注漿區(qū)域進行實際注漿效果檢查，防止鐵路線下出現(xiàn)空洞，影響鐵路運輸安全。

2.2 線路加固

線路加固長度100 m，加固采用3-5-3扣軌加固法。加固段全換成長木枕，木枕規(guī)格200 mm×220 mm×3 000 mm，并在軌底增設(shè)木墊板，以加固軌面。

2.2.1 抽換木枕

在線路加固范圍內(nèi)將混凝土枕更換為木枕，采取隔六換一方式從隧道中線部位向兩側(cè)對稱進行。更換木枕后應(yīng)先振搗密實，再更換相鄰的鋼筋混凝土枕，更換完成后對線路進行全面檢查。

2.2.2 鋪設(shè)吊軌

組裝型式為3-5-3扣設(shè)吊軌，鋼軌(50 kg/m)接頭錯開1.0 m以上。采用?22 mmU型螺栓將吊軌與其下的枕木連接在一起[3]。

3 下穿京承鐵路的盾構(gòu)施工技術(shù)

盾構(gòu)左右線K33+150-K33+230處下穿京承鐵路，盾構(gòu)管頂覆土約為13 m。下穿京承鐵路主要施工控制措施是盡量減少隧道施工對地層的擾動，減少盾構(gòu)施工引起的沉降，優(yōu)化施工參數(shù)，保持勻速、平穩(wěn)推進。盾構(gòu)下穿京承鐵路施工的主要參數(shù)為：推力6 000～8 000 kN；扭矩1 000～1 500 kN·m；刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1.0 r/min；土倉壓力1.3～1.5 bar；螺旋機轉(zhuǎn)速10～15 r/min；注漿壓力1.8～2.5 bar；注漿量4～5 m3/環(huán)。

3.1 壓力控制

3.1.1 土壓力

根據(jù)下穿段京承鐵路下方的地質(zhì)條件，將盾構(gòu)掘進土壓力控制在0.13～0.15 MPa，確保土倉壓力與開挖面水土壓力平衡，不產(chǎn)生過大波動，并根據(jù)物北區(qū)間優(yōu)化段的掘進參數(shù)，對土壓力進行調(diào)整。

3.1.2 注漿壓力

綜合考慮注漿處、后方及開挖面來水的水壓力，在注漿處水土壓力基礎(chǔ)上提高0.01～0.02 MPa，漿液不得進入土倉，擠壓管片，避免因注漿壓力過大而隆起[4]。

3.2 出土量控制

盾構(gòu)開挖過程中嚴格控制出土量，不得大于理論開挖碴土量[5]。掘進過程中，觀察并記錄碴車的裝載量，嚴禁出土超量。一旦發(fā)現(xiàn)問題，立即采取措施處理。推進500～520 mm出1斗土(土斗容量17 m3)，推進1.2 m出土量控制在39～43 m3，即推進1.2 m出2.4斗土。

3.3 掘進姿態(tài)控制

盾構(gòu)隧道軸線控制是下穿京承鐵路施工的重要環(huán)節(jié)。為了控制隧道軸線的方向，建立了嚴格的人工測量和自動測量控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)配備的導向、自動定位、掘進程序軟件和顯示器動態(tài)顯示盾構(gòu)機當前位置與隧道設(shè)計軸線之間的偏差和趨勢，對盾構(gòu)姿態(tài)進行監(jiān)測。盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制調(diào)整應(yīng)控制在±4 mm范圍內(nèi)，不宜過大過頻，應(yīng)減少偏差修正，避免對土體的超挖和擾動。

3.4 同步注漿

根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗，同步注漿采用單液漿(水泥采用42.5抗硫酸鹽水泥)。在地層自穩(wěn)性較好和風險源地段(漿液固結(jié)時間要求快速)，分別采用不同配比(具體如表1所示)。同步注漿壓力控制在0.16～0.18 MPa。

表1 同步注漿材料配比 kg

同步注漿速度與掘進速度應(yīng)相匹配，平均注漿速度應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)完成一環(huán)掘進時間內(nèi)完成當環(huán)注漿量來確定。

3.5 二次注漿

二次注漿應(yīng)從第一環(huán)開始，直至穿越風險源結(jié)束。通過管片中部的注漿孔補充同步注漿的未充填部分和體積縮小部分，從而減少盾構(gòu)機穿越后土體的后期沉降，降低隧道的防水壓力，提高止水效果[6]。

(1)每一環(huán)都進行二次注漿，脫出盾尾10環(huán)后開始對管片進行二次注漿。

(2)注漿區(qū)域為隧道頂部兩側(cè)的管片，即3點至10點之間。

(3)二次注漿量為0.3 m3，注漿量要根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整，補漿壓力3 bar(1 bar=0.1 MPa)，以注漿壓力控制為主。配合比為：A液，P.O42.5水泥∶水=750∶500(kg)；B液，水玻璃∶水=115∶250(kg)。

(4)二次注漿時當滿足壓力或注漿量兩個條件之一時，立即停止補漿，防止壓力過大造成隆起。

4 施工效果分析

4.1 路基加固效果

采用地質(zhì)雷達對鐵路路基加固注漿進行效果檢查，注漿效果如圖4所示，穿越段鐵路路基加固密實，不存在空洞現(xiàn)象。對注漿地段進行取芯檢查，注漿前后取芯對比如圖5所示。

圖4 地質(zhì)雷達掃描效果

圖5 鐵路路基注漿前后取芯對比

4.2 穿越段沉降監(jiān)測

通過對穿越段區(qū)域進行監(jiān)測，形成沉降曲線，如圖6所示。可以看出，最大沉降值為2.36 mm，滿足軌面沉降最大值不能超過10 mm的要求。

圖6 沉降監(jiān)測曲線

5 結(jié)束語

經(jīng)過4 d施工，盾構(gòu)成功穿越京承鐵路，整個下穿過程平穩(wěn)連續(xù)，極好的控制了京承鐵路路基沉降，確保了京承鐵路安全運營，提前5 d實現(xiàn)了成功穿越京承鐵路的目標。