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        黃土地層盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道施工參數(shù)及變形控制試驗(yàn)研究

        2020-07-27 16:43:36劉旭全劉驚東宋領(lǐng)弟
        現(xiàn)代城市軌道交通 2020年7期
        關(guān)鍵詞:號線盾構(gòu)注漿

        劉旭全 劉驚東 宋領(lǐng)弟

        摘 要:結(jié)合西安地鐵 5 號線南稍門站—文藝路站盾構(gòu)區(qū)間下穿地鐵 2 號線施工實(shí)踐,對盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營隧道施工過程中隧道變形控制進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過現(xiàn)場施工試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測,研究分析既有隧道變形規(guī)律,提出盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)動態(tài)取值范圍和既有隧道變形控制技術(shù)措施,從而保證地鐵2 號線正常運(yùn)營。

        關(guān)鍵詞:地鐵;黃土地層;盾構(gòu)隧道;施工參數(shù);隧道變形;控制

        1 工程概況

        西安地鐵5號線南稍門站—文藝路站區(qū)間起于南稍門站,經(jīng)過南稍門十字、南關(guān)正街及長安北路以西,沿友誼東路東西方向布設(shè),洞頂覆土10.14~18.46 m。右線隧道長度為719.510 m,起止里程為YDK33+700.174~YDK34+419.684,左線隧道長度為719.502 m,起止里程為ZDK33+700.174~ZDK34+419.684,線間距為15.5~17 m,用盾構(gòu)法施工。隧道設(shè)計(jì)為圓形襯砌斷面,采用單層鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)形式,盾構(gòu)管片形式為平板型,管片外徑為6.0 m,內(nèi)徑為5.4 m,環(huán)寬為1.5m。盾構(gòu)機(jī)選用日本小松TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機(jī),自文藝路站始發(fā),南稍門站接收出洞。下穿的既有地鐵2號線區(qū)間隧道里程段落為ZDK33+723.967~DK33+743.375,長度為19.408 m,5 號線隧道結(jié)構(gòu)拱頂和2號線隧道仰拱底最小凈距為2.52 m。 按照施工要求,5號線盾構(gòu)下穿期間必須保證2 號線正常運(yùn)行,其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級為II級。

        根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖及地質(zhì)勘查報(bào)告等資料,工程所在地地貌屬黃土梁洼區(qū)。地層自上至下依次為全新統(tǒng)人工填土、新黃土、老黃土、粉質(zhì)黏土。場地內(nèi)素填土、新黃土及古土壤均具濕陷性,施工過程中易遇水濕陷。地層主要存在潛水,地下水位埋深9.5~12.1m,具微腐蝕性。水位距5號線隧道拱頂8.7 m,距隧道底部14.7m。盾構(gòu)隧道與既有隧道關(guān)系如圖1所示。

        2 盾構(gòu)施工參數(shù)選擇

        本隧道采用日本小松公司生產(chǎn)的TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工,盾殼厚度為40 mm,盾尾間隙為 30mm,主機(jī)總長(刀盤—螺旋機(jī)尾部)為8.68 m;刀盤開口率為45%,刀盤開挖直徑為6.16 m,最大推力為37730kN。南稍門站—文藝路站區(qū)間盾構(gòu)下穿2號線可以分為試驗(yàn)段和下穿段2部分組織施工,其中試驗(yàn)段包含第393環(huán)~第 442環(huán),下穿段范圍為第443環(huán)~472 環(huán)。

        2.1 試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

        2.1.1 土倉壓力

        根據(jù)公式P= kγh(P為平衡壓力,γ為土體的平均重度,取18 kN/m3,h為隧道埋深,取值18.24~18.45m),土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)k取0.44,由此計(jì)算可得盾構(gòu)機(jī)上部土壓力設(shè)定值范圍為0.14~0.15MPa。

        2.1.2 推進(jìn)速度及推力

        結(jié)合業(yè)主工期要求和西安地區(qū)地質(zhì)條件,并借鑒其他城市施工經(jīng)驗(yàn),試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制值為20mm/min,推力為10 000~15000kN。

        2.1.3 掘進(jìn)方向

        考慮該施工段因地層原因管片有上浮現(xiàn)象,盾構(gòu)垂直姿態(tài)允許范圍為-30~-40 mm,盾構(gòu)機(jī)水平偏差不大于±20 mm 。

        2.1.4 出土量

        在施工中嚴(yán)格按理論出土量出土,每環(huán)出土量偏差不超過1 m3,經(jīng)計(jì)算理論出土量為44.8 m3 /環(huán)。為了維持一定土壓力,保證盾構(gòu)正面土體的穩(wěn)定,實(shí)際出土量為理論出土量的98%~100%。

        2.1.5 同步注漿量和壓力

        經(jīng)計(jì)算,每環(huán)的理論建筑空隙為2.43 m3,實(shí)際注漿量應(yīng)為理論值的130%~180%,即為3.16~4.37m3,暫定注漿量4 m3,實(shí)際根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整,注漿壓力控制在0.25 MPa,這樣地表沉降能夠得到有效控制。

        同步注漿漿液采用現(xiàn)場自拌而成,下穿段同步漿液初凝時(shí)間不大于6 h,漿液稠度為100~120,泌水率<5%。同步注漿壓力應(yīng)控制在0.25 MPa,注漿量與注漿壓力可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),當(dāng)沉降量超限時(shí),及時(shí)進(jìn)行二次注漿,注漿液選用水泥、水玻璃雙液漿,水玻璃(40波美度)與水按1 : 3稀釋,水泥漿水灰比為1 : 1,水泥漿 : 水玻璃溶液為1 : 1(體積比),初凝時(shí)間為20 s,注漿壓力為0.3 MPa。

        2.2 下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

        結(jié)合試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以及適時(shí)監(jiān)控變形情況,對下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并不斷優(yōu)化調(diào)整。下穿段盾構(gòu)推力分布曲線如圖2所示,由圖2可知,盾構(gòu)機(jī)的推力控制范圍為17 300~17 990 kN;盾構(gòu)推進(jìn)刀盤扭矩分布曲線如圖3所示,由圖3可知,盾構(gòu)刀盤扭矩為1685.4~1774.5 kN · m; 盾構(gòu)掘進(jìn)速度分布曲線如圖4所示,由圖4可知,盾構(gòu)掘進(jìn)速度為30~45mm/min;注漿壓力分布曲線如圖5所示,由圖5可知,注漿壓力為0.13~0.18 MPa。

        3 既有隧道變形監(jiān)測分析

        3.1 監(jiān)測方案及儀器

        在地鐵2號線運(yùn)營隧道內(nèi)安裝全自動化監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)施自動化監(jiān)測。監(jiān)測點(diǎn)分別按左線隧道和右線隧道2 個(gè)區(qū)域布設(shè)。每條隧道從監(jiān)測區(qū)域中間位置開始布點(diǎn),盾構(gòu)下穿2號線正上方主要影響區(qū)域內(nèi)按5 m間距布設(shè)1組監(jiān)測斷面,兩端外延區(qū)域內(nèi)按10 m間距布設(shè)1組監(jiān)測斷面,每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。其中,隧道結(jié)構(gòu)中下部布設(shè)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(A,C),監(jiān)測結(jié)構(gòu)凈空收斂及水平位移;隧道拱頂布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(B),用于監(jiān)測隧道拱頂沉降;地鐵道床每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(D,E),用于監(jiān)測地鐵道床沉降。監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

        自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件主要包括測量機(jī)器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及專用軟件等。測量機(jī)器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過專用軟件實(shí)現(xiàn)全自動化監(jiān)測,并生成監(jiān)測報(bào)告。

        3.2 監(jiān)測頻率及周期

        盾構(gòu)下穿2號線運(yùn)營隧道時(shí),按照1次/4~8 h的頻率進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)施工影響較大或出現(xiàn)變形征兆時(shí)按照1次/ 2~4 h進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。盾構(gòu)下穿2號線運(yùn)營隧道前50 m時(shí),測定初始值,然后進(jìn)行正常的自動化監(jiān)測,在施工完畢后持續(xù)監(jiān)測3個(gè)月。

        3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

        3.3.1 既有隧道結(jié)構(gòu)變形分析

        圖7~圖10給出了既有隧道結(jié)構(gòu)部分變形數(shù)據(jù),包括隧道頂豎向變形、水平變形隨時(shí)間變化情況,由圖7~圖10可見。

        (1)左隧道頂豎向累計(jì)變形為4.93 mm,變形速率為0.12mm /天,右隧道頂豎向累計(jì)變形為1.78mm,變形速率為0.04mm/天,左右隧道豎向累計(jì)變形均小于變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

        (2)左隧道水平累計(jì)變形為1.21 mm,變形速率為0.03 mm /天,右隧道水平累計(jì)變形為0.64 mm,變形速率為0.02 mm /天,左右隧道水平累計(jì)變形均小于變形控制值5mm和變形速率1mm /天。

        (3)左右隧道對比分析可以得出,先期下穿的左隧道變形值大于右隧道變形值,左隧道最大變形對應(yīng)的環(huán)號為451~455,右隧道對應(yīng)的環(huán)號為461~466,均位于既有隧道正下方。左隧道變形值大于右線變形值的主要原因是,左隧道先期下穿,后期下穿右隧道時(shí)部分應(yīng)力已提前釋放,同時(shí)先期注漿加固減少了變形。

        3.3.2 既有軌道變形分析

        圖11~圖14給出既有軌道系統(tǒng)變形數(shù)據(jù),包括道床豎向變形時(shí)程曲線和軌道縱向差異變形時(shí)程曲線,由圖11~圖14可見。

        (1)左軌道豎向累計(jì)變形為4.06mm,變形速率為 0.1mm/天,右軌道豎向累計(jì)變形為2.14mm,變形速率為0.05mm/天,小于累計(jì)變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

        (2)左軌道縱向差異累計(jì)變形為2.07 mm,變形速率為0.05mm/天,右軌道縱向差異累計(jì)變形為1.72mm,變形速率為0.04mm/天,左右軌道縱向差異累計(jì)變形均小于累計(jì)變形控制值4mm和變形速率1mm/天。

        4 結(jié)論及建議

        (1)通過下穿期間既有隧道的監(jiān)測結(jié)果來看,對既有隧道的變形影響最大的因素主要是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的推力和速度。盾構(gòu)機(jī)的推力控制范圍為17 300~17990kN,掘進(jìn)速度控制范圍為30~45 mm/min。在盾構(gòu)機(jī)過既有隧道之前既有隧道會有一定程度的上拱,但是在最佳的推力和速度之下,這個(gè)上拱值接近于 0。

        (2)同步注漿漿液的類型、注漿的時(shí)機(jī)、注漿量是控制既有隧道變形的重要手段,由于下穿施工時(shí)既有2號線正常運(yùn)營,及時(shí)進(jìn)行同步注漿非常必要。注漿的壓力應(yīng)控制在0.15MPa,最大值不應(yīng)超過0.18MPa。

        (3)在盾構(gòu)下穿過程中掘進(jìn)和同步注漿完成并不代表既有隧道穩(wěn)定,相反在這之后周邊的地層會繼續(xù)收縮直到穩(wěn)定,二次注漿就是控制這個(gè)過程的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)既有隧道單次變形值超過0.4 mm,或變形速率超過0.5 mm/天時(shí),就應(yīng)該對變形點(diǎn)位和附近進(jìn)行二次補(bǔ)漿,此時(shí)雙液漿的初凝時(shí)間按30 s控制,壓力按0.18 MPa控制。

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        收稿日期 2019-05-14

        責(zé)任編輯 朱開明

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