富水軟土地層盾構(gòu)隧道下穿大型鐵路編組站掘進(jìn)控制技術(shù)*

王小剛

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)也逐漸興起,其中盾構(gòu)施工法因其對周邊環(huán)境影響小、適應(yīng)范圍廣及施工快速等優(yōu)點(diǎn)[1]在地鐵隧道建設(shè)中得到廣泛運(yùn)用。近年來,城市地鐵建設(shè)密度不斷增加,建筑物地下室及基礎(chǔ)工程等地下部分也越發(fā)復(fù)雜,尤其在建筑密度很高的一線城市,會(huì)不可避免地出現(xiàn)隧道下穿既有重要建(構(gòu))筑物。在隧道施工過程中,盾構(gòu)掘進(jìn)必然會(huì)對周邊地層產(chǎn)生擾動(dòng),破壞地層原始的力學(xué)平衡,從而造成地層豎向沉降及既有結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力變化,施工過程中需嚴(yán)格監(jiān)測和控制既有結(jié)構(gòu)的變形[2]。因此,針對盾構(gòu)隧道下穿施工對既有結(jié)構(gòu)的影響引起越來越多的技術(shù)人員及學(xué)者的重視。

開展盾構(gòu)隧道下穿施工的研究方法主要包括數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)及施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析3方面。阮雷等[3],陳聰?shù)萚4],孫雪兵[5]對盾構(gòu)施工的全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了埋深、樁隧凈距等條件下盾構(gòu)施工對鐵路橋梁結(jié)構(gòu)變形及地表沉降的影響規(guī)律。章慧健等[6]采用數(shù)值模擬方法,基于隧道與建筑物間的夾巖應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢,建立隧道近接建筑物施工的影響分區(qū)。蔡向輝[7-8],賀思悅[9]建立既有鐵路軌道實(shí)體模型,探討了盾構(gòu)下穿施工過程中軌道變形規(guī)律,并分析了不同開挖參數(shù)的影響。王立新等[10-11]進(jìn)行模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬,分析了隧道開挖過程中高速鐵路路基的地表沉降、上方樁基礎(chǔ)軸力及圍巖徑向應(yīng)力,并驗(yàn)證了管幕加固工法的效果。楊林松等[12]通過土工離心機(jī)模擬超大直徑盾構(gòu)下穿鐵路,研究了鐵路沿線及隧道地表的沉降規(guī)律。楊成永等[13],何川等[14],祝思然等[15],崔玉龍[16]結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),研究了新建隧道影響下已運(yùn)營隧道的地層變形、加固措施、隧道位移,提出了盾構(gòu)隧道近距離下穿已運(yùn)營隧道的變形控制措施。楊建烽等[17],劉士海等[18],朱蕾等[19],張瓊方等[20]對既有結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,探究既有隧道在新建隧道盾構(gòu)下穿過程施工中的沉降控制方法。謝雄耀等[21]結(jié)合壁后注漿雷達(dá)檢測和自動(dòng)化監(jiān)測平臺(tái)提出了“微沉降”的施工控制技術(shù),對盾構(gòu)隧道下穿老舊建筑物的地表沉降進(jìn)行了控制。

上述研究多針對變形規(guī)律與沉降控制,而對于建(構(gòu))筑物加固措施、盾構(gòu)穿越過程中關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)及應(yīng)用效果的研究較少?；诖?本文以鄭州地鐵8號(hào)線五龍口站—同樂站區(qū)間為工程背景,提出工程重難點(diǎn)的同時(shí),對施工過程中加固參數(shù)、盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施效果進(jìn)行總結(jié),以期為類似盾構(gòu)下穿工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

鄭州地鐵8號(hào)線五龍口站—同樂站區(qū)間(以下簡稱“五—同區(qū)間”)為8號(hào)線一期工程的第10個(gè)區(qū)間,位于8號(hào)線線路中段。右線長 2 103.329m(含長鏈5.379m),左線長 2 096.363m(含短鏈1.660m)。區(qū)間為V坡,最大坡度為2.4%,最小曲線半徑R=700m,線間距11～32m,隧道拱頂埋深12.3～28.7m。區(qū)間正線隧道采用盾構(gòu)法施工,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C50混凝土、P12抗?jié)B等級(jí)的鋼筋混凝土管片襯砌,襯砌環(huán)外徑6.2m,內(nèi)徑5.5m,寬1.5m,厚0.35m。區(qū)間采用通用楔形管片,管片最大楔形量40mm。管片采用錯(cuò)縫拼裝方式,每環(huán)管片縱縫采用12個(gè)M30連接螺栓,每環(huán)環(huán)縫采用16個(gè)M30連接螺栓。

鄭州火車北編組站是亞洲最大的列車編組站,也是五—同區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿施工重點(diǎn)關(guān)注的建(構(gòu))筑物。該站南北長6 000余m、東西寬800余m, 占地5.3km2,采用雙向縱列式三級(jí)六場機(jī)械化駝峰編組站站型。區(qū)間隧道以82°的交角下穿鄭州北編組站編組場,其中,隧道穿越鄭州北編組站長度為633m。根據(jù)鄭州北編組站現(xiàn)場調(diào)查情況與收集到的相關(guān)資料,區(qū)間隧道穿越鄭州北編組站鐵路區(qū)段線上設(shè)備主要有軌道、道床、接觸網(wǎng)立柱、接觸網(wǎng)、信號(hào)燈等相關(guān)專業(yè)設(shè)施設(shè)備,此外隧道還下穿站內(nèi)卸貨倉庫等建(構(gòu))筑物,如圖1所示。其中,盾構(gòu)隧道與接觸網(wǎng)立柱基礎(chǔ)的最小豎向凈距約為13.25m,與卸貨倉庫樁基的最小豎向凈距為12.96m。

圖1 鄭州北編組站構(gòu)筑物分布Fig.1 Distribution of structures in Zhengzhou North Marshalling Station

2 工程水文地質(zhì)條件

在穿越鄭州北編組站范圍區(qū)間,隧道主要穿越③36,③37黏質(zhì)粉土地層和③41粉砂地層,鄭州北編組地質(zhì)斷面如圖2所示,該段隧道拱頂埋深16.7～25.4m。其中③36黏質(zhì)粉土呈黃褐色,濕,密實(shí),干強(qiáng)度及韌性低,搖震反應(yīng)中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒徑5～15mm,局部夾粉質(zhì)黏土薄層,黃褐色,可塑;③37黏質(zhì)粉土呈黃褐色,濕,中密,干強(qiáng)度及韌性低,搖震反應(yīng)中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒徑5～25mm,局部夾粉質(zhì)黏土薄層,黃褐色,可塑,局部姜石富集,一般粒徑5～25mm,最大粒徑55mm;③41粉砂呈褐黃色,飽和,密實(shí),主要礦物成分為長石、石英,含少量云母。

圖2 盾構(gòu)穿越鄭州北編組站段地質(zhì)斷面(單位:m)Fig.2 Geological section of shield crossing Zhengzhou North Marshalling Station(unit:m)

本站區(qū)域勘察期間地下水穩(wěn)定水位埋深為8.0～13.2m, 據(jù)調(diào)查,本場地地下水年變幅為1.0～2.0m,近3～5年地下水變幅3.0～5.0m,歷史最高水位埋深為1.0m。地下水類型為第四松散巖類潛水,地下水主要賦存于粉土、粉質(zhì)黏土中,主要由大氣降水入滲、地表滲水、地下水側(cè)向徑流等補(bǔ)給,地下水的排泄主要為開采排泄和蒸發(fā)排泄。本區(qū)段未發(fā)現(xiàn)諸如塌陷、巖溶、滑坡、采空區(qū)、地面沉降、地裂縫等不良地質(zhì)作用。場地地形平坦,不存在天然邊坡。

3 工程重難點(diǎn)

綜合考慮五—同區(qū)間下穿大型編組站的水文地質(zhì)條件、諸多風(fēng)險(xiǎn)源等因素,本區(qū)段施工過程中存在以下重難點(diǎn)。

1)軟土地層刀盤結(jié)餅 五—同區(qū)間隧道穿越鄭州北編組站段地質(zhì)條件為黏質(zhì)粉土,在此類地層掘進(jìn)時(shí),刀盤中心區(qū)和土倉中心區(qū)易形成“泥餅”,產(chǎn)生堵倉現(xiàn)象,造成刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷加大,排土不暢,甚至停止轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)造成土倉內(nèi)溫度升高,影響主軸承密封的壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成主軸承密封老化破壞,“泥餅”現(xiàn)象往往會(huì)堵塞刀箱,使刀具發(fā)生偏磨。

2)地表沉降控制 在粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂地層條件下,盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大沉降。另外,由于刀盤掘進(jìn)擾動(dòng)地層產(chǎn)生超挖,此時(shí)同步注漿尚不能補(bǔ)充,易形成空洞。故即使當(dāng)時(shí)不會(huì)發(fā)生沉降,但盾構(gòu)過后地面會(huì)陸續(xù)發(fā)生沉降。

3)螺旋機(jī)噴涌 盾構(gòu)穿越鄭州北編組站段地層部分含粉砂層,粉砂層為本區(qū)間的含水層,隧道拱頂?shù)陀诘叵滤痪€,隧道掘進(jìn)施工有涌水風(fēng)險(xiǎn)。富水粉砂地層中承壓水位高,土倉一旦建壓極易發(fā)生螺旋機(jī)出口的噴涌,導(dǎo)致土倉失壓。

4)砂層卡盾磨損 富水粉砂、黏質(zhì)粉土地層自穩(wěn)性較差,當(dāng)土倉壓力過低時(shí)易發(fā)生坍塌,或在盾體長度范圍內(nèi)(土倉壓力已不能影響到該區(qū)域)收斂圍裹盾體,由于砂層的摩擦阻力大,盾體所受推阻力很大,易發(fā)生卡盾現(xiàn)象。砂性渣土對刀具及螺旋機(jī)的磨損作用強(qiáng)烈。

4 大型編組站線路加固方案

在盾構(gòu)機(jī)穿越鄭州北編組站前,為盡量降低盾構(gòu)施工對既有鐵軌線路的影響,對鄭州北編組站內(nèi)外通線、內(nèi)通線、B7線路扣軌進(jìn)行加固,加固長度為65m,順鐵路方向兩側(cè)各32.5m,采用3-5-3扣軌加固方式,如圖3所示。

圖3 扣軌加固布置Fig.3 Reinforcement layout of rail fastening

其中,外通線、內(nèi)通線、B7線線路方向?yàn)榭v梁,垂直于線路方向?yàn)闄M梁,縱梁采用P50鋼軌,橫梁采用木枕。在線路既有2根混凝土枕間增加1根木枕,采用隔一插一的方法增加木枕,木枕尺寸為320cm×28cm×22cm(長×高×寬),如圖4所示。木枕上放置鋼軌作為縱梁,橫梁與縱梁間隙采用木楔填塊填充,縱梁布置形式為:內(nèi)通線、外通線、B7線軌道兩外側(cè)各采用3根P50軌進(jìn)行加固,3根軌道采用“正-反-正”方式緊密貼合,順鐵路線路平行布置,距鐵路線路既有軌道448mm。在外通線、內(nèi)通線、B7線線路軌道正中間采用5根P50軌進(jìn)行扣軌加固,5根軌道采用“正-反-正-反-正”的方式緊密貼合,順鐵路線路布置?？圮壟c橫梁采用U形螺栓連接,螺栓采用φ22圓鋼制成,U形螺栓寬264mm,長472mm,端部80mm為螺紋段,螺紋為M22型,U形螺栓從木枕下方穿過,帶有螺紋端朝上,方便安裝扣板進(jìn)行緊固;扣板尺寸長477mm,高110mm,在扣板兩側(cè)各有φ22螺栓孔,U形螺栓從扣板螺栓孔穿出后,采用2個(gè)螺母進(jìn)行緊固,如圖5所示。

圖4 扣軌加固斷面布置Fig.4 Layout of track fastening section

圖5 扣軌、枕木聯(lián)接Fig.5 Rail fastening and sleeper connection

5 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

為確保盾構(gòu)安全、勻速地穿越鄭州大型北編組站風(fēng)險(xiǎn)源,盾構(gòu)推進(jìn)過程中須減少對周邊土體的超挖,避免較大的地層波動(dòng),穿越鐵路段施工過程中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定Table 1 Excavation parameter setting

5.2 渣土改良控制

盾構(gòu)機(jī)在穿越大型鄭州編組站時(shí),由于主要穿越地層為黏質(zhì)粉土,為穩(wěn)定開挖面,防止刀盤產(chǎn)生泥餅、降低刀盤扭矩,聯(lián)合采用泡沫劑和高分子材料對渣土進(jìn)行改良。渣土改良添加劑參數(shù)如表2所示。

表2 渣土改良添加劑參數(shù)Table 2 Parameters of additives for soil improvement

在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅現(xiàn)象,采取高分子材料和發(fā)泡劑配合使用預(yù)防和解決盾構(gòu)機(jī)在黏土層中的掘進(jìn)問題。高分子材料的稀溶液也可在黏性土中使用,其能在渣土表面形成一層韌性高分子膜,具有極好的潤滑性能,可防止土倉內(nèi)結(jié)泥餅,使黏土成塑性流動(dòng),減少刀具和皮帶的磨損。實(shí)際使用時(shí),砂礫層中建議按0.2%～0.5%的比例稀釋,注入率為10%～20%;在黏性土中建議按0.03%～0.1%的比例稀釋,注入率為25%～40%。當(dāng)與其他外加劑配合使用時(shí),可酌量增減。

5.3 出土量控制

為保證開挖面及土倉的土壓平衡,盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中須嚴(yán)格控制螺旋輸送機(jī)的出土量。本區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)地層主要為黏質(zhì)粉土地層,根據(jù)前期掘進(jìn)出土測取經(jīng)驗(yàn)值,盾構(gòu)掘進(jìn)理論出土量為48.83m3/環(huán),每環(huán)理論出土量乘松散系數(shù)1.15～1.2,為56.1～58.6m3。須嚴(yán)密觀測每環(huán)出渣量,在土斗裝土?xí)r密切關(guān)注攝像頭和土車滿載/空載信息,以便及時(shí)停止螺旋輸送機(jī)。土車裝土前,應(yīng)觀察渣車內(nèi)剩余土量,掘進(jìn)后觀察滿斗裝載量,以估算出土量。龍門式起重機(jī)裝有稱重系統(tǒng)來精確計(jì)算出土量,做好記錄,出現(xiàn)異常情況及時(shí)匯報(bào)并分析原因。同時(shí)也應(yīng)注意檢查皮帶機(jī)的皮帶張緊力,若松弛要及時(shí)調(diào)節(jié)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)土體狀況不良時(shí),可通過加入泡沫或膨潤土調(diào)節(jié)。

掘進(jìn)時(shí)還須配合地面監(jiān)測,及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),使盾構(gòu)安全平穩(wěn)推進(jìn)。同時(shí)加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)尺與出土量的對比,避免超量出土。

5.4 同步注漿控制

盾構(gòu)推進(jìn)過程中,同步注漿壓力應(yīng)略大于該地層位置的靜止水壓力,同時(shí)避免漿液進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)土倉中,一般而言,注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水壓力。最初的注漿壓力是根據(jù)理論靜止水壓力確定的,在實(shí)際掘進(jìn)過程中需不斷優(yōu)化調(diào)整。若注漿壓力過大,會(huì)導(dǎo)致管片變形,還易漏漿;若注漿壓力過小,則漿液無法滲入巖層裂隙中,止水效果差。

由于從盾尾圓周上多點(diǎn)同時(shí)注漿,考慮到水壓力的差別和防止管片大幅度下沉和浮起的需要,各點(diǎn)的注漿壓力將不盡相同,并保持合適的壓差,以達(dá)到最佳效果。下部每孔的壓力比上部每孔的壓力大0.5～1bar。在盾構(gòu)穿越鄭州北編組站時(shí),上部注漿壓力為2～2.5bar,下部注漿壓力為3～3.5bar,同步注漿配合比為:水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤土∶水(kg/m3)=160∶800∶400∶66∶533。

另外,同步注漿速度應(yīng)與掘進(jìn)速度相匹配,按盾構(gòu)完成1.5m/環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度,達(dá)到均勻注漿的目的。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制,即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值,注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的95%以上時(shí),即可認(rèn)為滿足質(zhì)量要求。通過監(jiān)控量測對本設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使注漿效果更佳。注漿效果檢查主要采用分析法,即根據(jù)壓力-注漿量-時(shí)間曲線,結(jié)合管片、地表及周圍建筑物量測結(jié)果進(jìn)行綜合評價(jià)。

5.5 二次注漿

根據(jù)區(qū)間圖紙?jiān)O(shè)計(jì),盾構(gòu)穿越鄭州北編組站隧道每環(huán)管片增設(shè)10個(gè)注漿孔,施工過程中根據(jù)監(jiān)測情況及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿,以限制地層沉降,確保鐵路路基的安全。

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)同步注漿的漿液在填補(bǔ)建筑空隙時(shí)可能會(huì)存在一定間隙,且漿液的收縮變形也可能引起地面沉降。為控制土體后期沉降量,應(yīng)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次注漿,結(jié)合現(xiàn)場施工及監(jiān)測情況對漿液配合比進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,保證漿液能快速充填密實(shí),并在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到一定強(qiáng)度。

管片脫出盾尾后,需及時(shí)對隧道頂部135°范圍內(nèi)的預(yù)留注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿,隔斷地下水向刀盤方向流動(dòng)的路徑,填充同步注漿未能填充到的建筑空隙。

二次注漿主要有單液漿和雙液漿2種注入方案,單液漿一般采用水∶水泥=1∶1(質(zhì)量比)的水泥漿液,手動(dòng)控制;雙液漿采用水泥漿∶水玻璃=1∶1(體積比)的混合漿液。注漿壓力控制在3～5bar,注漿量為0.5～1.2m3/環(huán)。施工時(shí)應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整注漿壓力確保注漿擴(kuò)散半徑。注漿時(shí)機(jī)應(yīng)控制在距開挖面20m左右。

5.6 克泥效工法

為確保盾構(gòu)順利下穿,并保證地面安全,避免地面不均勻沉降,預(yù)防建筑物、鐵路的沉降變形、開裂等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對該下穿段采用克泥效工法降低地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。在試驗(yàn)段同步注入克泥效,及時(shí)填充開挖形成的間隙,保證上方土體穩(wěn)定,從而降低第3階段盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)引起土體自然下沉及后續(xù)沉降的風(fēng)險(xiǎn),并通過沉降數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整注入?yún)?shù),為后期進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)提供經(jīng)驗(yàn)與參數(shù)參考。

克泥效工法是將高濃度的泥水材料(“克泥效”水溶液,常用濃度為380～420kg/m3)與塑強(qiáng)調(diào)整劑(水玻璃40°Be′)2種液體分別以配管壓送到盾體徑向孔處,再將2種液體以體積比20∶1的比例混合,形成高黏度塑性、具有支撐力的擋水性膠化體后,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中同步注入到盾體外,填充盾體與土體間的間隙,有效控制盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)所引起的第3階段沉降,輔助第4階段沉降控制。

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)條件,下穿鄭州北編組站隧道穿越范圍內(nèi)主要為黏質(zhì)粉土地層,本站區(qū)域勘察期間地下水穩(wěn)定水位埋深8～13.2m,注入率為150%。因此注入克泥效應(yīng)既能填充開挖面與盾體間間隙,又能將對地層的影響降低到最小。

5.7 施工實(shí)施成果

鄭州市軌道交通8號(hào)線五—同區(qū)間盾構(gòu)下穿鄭州北編組站過程中,地表豎向累積變化最大值為 -4.76mm, 水平累積變化最大值為-1.88mm;內(nèi)外通線豎向累積位移最大變化區(qū)間為-4.85～3.54mm,水平累積位移最大變化區(qū)間為-3.80～2.89mm;B7線路豎向累積位移最大變化區(qū)間為 -4.78～0.73mm, 水平累積位移最大變化區(qū)間為 -2.29～1.44mm; 接觸網(wǎng)桿支柱的傾斜累積變化區(qū)間為-0.11%～0.14%,小于0.3%的預(yù)警值;最大沉降 -2.97mm。 上述累積變化值均符合設(shè)計(jì)要求,下穿區(qū)間對鐵路運(yùn)營均未產(chǎn)生影響。

6 結(jié)語

盾構(gòu)隧道在穿越大型鐵路編組站時(shí),首先通過大型編組站線路的扣軌加固減小了盾構(gòu)掘進(jìn)對既有運(yùn)營鐵路軌道的影響;隨后通過控制盾構(gòu)施工過程中的土倉壓力、推力、扭矩、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù),進(jìn)一步減小土體擾動(dòng),并根據(jù)地層沉降變化及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù);最后結(jié)合渣土改良、出土量控制、同步注漿、二次注漿及克泥效工法及時(shí)控制隧道周邊地層變形。采用上述措施大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn),保證了盾構(gòu)穿越大型鐵路編組站的施工安全。