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        黃土地層盾構下穿既有地鐵隧道施工參數及變形控制試驗研究

        2020-07-27 16:43:36劉旭全劉驚東宋領弟
        現代城市軌道交通 2020年7期
        關鍵詞:號線盾構注漿

        劉旭全 劉驚東 宋領弟

        摘 要:結合西安地鐵 5 號線南稍門站—文藝路站盾構區(qū)間下穿地鐵 2 號線施工實踐,對盾構下穿既有運營隧道施工過程中隧道變形控制進行試驗研究。通過現場施工試驗及現場監(jiān)測,研究分析既有隧道變形規(guī)律,提出盾構掘進施工參數動態(tài)取值范圍和既有隧道變形控制技術措施,從而保證地鐵2 號線正常運營。

        關鍵詞:地鐵;黃土地層;盾構隧道;施工參數;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,經過南稍門十字、南關正街及長安北路以西,沿友誼東路東西方向布設,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,用盾構法施工。隧道設計為圓形襯砌斷面,采用單層鋼筋混凝土裝配式結構形式,盾構管片形式為平板型,管片外徑為6.0 m,內徑為5.4 m,環(huán)寬為1.5m。盾構機選用日本小松TM614PMX土壓平衡式盾構機,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 號線隧道結構拱頂和2號線隧道仰拱底最小凈距為2.52 m。 按照施工要求,5號線盾構下穿期間必須保證2 號線正常運行,其環(huán)境風險等級為II級。

        根據施工設計圖及地質勘查報告等資料,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、粉質黏土。場地內素填土、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。盾構隧道與既有隧道關系如圖1所示。

        2 盾構施工參數選擇

        本隧道采用日本小松公司生產的TM614PMX土壓平衡式盾構機施工,盾殼厚度為40 mm,盾尾間隙為 30mm,主機總長(刀盤—螺旋機尾部)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)間盾構下穿2號線可以分為試驗段和下穿段2部分組織施工,其中試驗段包含第393環(huán)~第 442環(huán),下穿段范圍為第443環(huán)~472 環(huán)。

        2.1 試驗段盾構掘進參數

        2.1.1 土倉壓力

        根據公式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),土的側向靜止平衡壓力系數k取0.44,由此計算可得盾構機上部土壓力設定值范圍為0.14~0.15MPa。

        2.1.2 推進速度及推力

        結合業(yè)主工期要求和西安地區(qū)地質條件,并借鑒其他城市施工經驗,試驗段盾構掘進速度控制值為20mm/min,推力為10 000~15000kN。

        2.1.3 掘進方向

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

        2.1.4 出土量

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

        2.1.5 同步注漿量和壓力

        經計算,每環(huán)的理論建筑空隙為2.43 m3,實際注漿量應為理論值的130%~180%,即為3.16~4.37m3,暫定注漿量4 m3,實際根據監(jiān)測數據不斷調整,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場自拌而成,下穿段同步漿液初凝時間不大于6 h,漿液稠度為100~120,泌水率<5%。同步注漿壓力應控制在0.25 MPa,注漿量與注漿壓力可根據監(jiān)測結果作適當調整。根據監(jiān)測數據,當沉降量超限時,及時進行二次注漿,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),初凝時間為20 s,注漿壓力為0.3 MPa。

        2.2 下穿段盾構掘進參數

        結合試驗段盾構掘進參數以及適時監(jiān)控變形情況,對下穿段盾構掘進參數進行統(tǒng)計分析,并不斷優(yōu)化調整。下穿段盾構推力分布曲線如圖2所示,由圖2可知,盾構機的推力控制范圍為17 300~17 990 kN;盾構推進刀盤扭矩分布曲線如圖3所示,由圖3可知,盾構刀盤扭矩為1685.4~1774.5 kN · m; 盾構掘進速度分布曲線如圖4所示,由圖4可知,盾構掘進速度為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號線運營隧道內安裝全自動化監(jiān)測系統(tǒng),實施自動化監(jiān)測。監(jiān)測點分別按左線隧道和右線隧道2 個區(qū)域布設。每條隧道從監(jiān)測區(qū)域中間位置開始布點,盾構下穿2號線正上方主要影響區(qū)域內按5 m間距布設1組監(jiān)測斷面,兩端外延區(qū)域內按10 m間距布設1組監(jiān)測斷面,每個斷面布設5個監(jiān)測點。其中,隧道結構中下部布設2個監(jiān)測點(A,C),監(jiān)測結構凈空收斂及水平位移;隧道拱頂布設1個監(jiān)測點(B),用于監(jiān)測隧道拱頂沉降;地鐵道床每個斷面布設2個監(jiān)測點(D,E),用于監(jiān)測地鐵道床沉降。監(jiān)測點布設如圖6所示。

        自動化監(jiān)測系統(tǒng)設備的軟、硬件主要包括測量機器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號轉換器、計算機及專用軟件等。測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過專用軟件實現全自動化監(jiān)測,并生成監(jiān)測報告。

        3.2 監(jiān)測頻率及周期

        盾構下穿2號線運營隧道時,按照1次/4~8 h的頻率進行監(jiān)測,當施工影響較大或出現變形征兆時按照1次/ 2~4 h進行連續(xù)監(jiān)測。盾構下穿2號線運營隧道前50 m時,測定初始值,然后進行正常的自動化監(jiān)測,在施工完畢后持續(xù)監(jiān)測3個月。

        3.3 監(jiān)測數據分析

        3.3.1 既有隧道結構變形分析

        圖7~圖10給出了既有隧道結構部分變形數據,包括隧道頂豎向變形、水平變形隨時間變化情況,由圖7~圖10可見。

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

        (2)左隧道水平累計變形為1.21 mm,變形速率為0.03 mm /天,右隧道水平累計變形為0.64 mm,變形速率為0.02 mm /天,左右隧道水平累計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的環(huán)號為451~455,右隧道對應的環(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,后期下穿右隧道時部分應力已提前釋放,同時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)變形數據,包括道床豎向變形時程曲線和軌道縱向差異變形時程曲線,由圖11~圖14可見。

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

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

        4 結論及建議

        (1)通過下穿期間既有隧道的監(jiān)測結果來看,對既有隧道的變形影響最大的因素主要是盾構機掘進的推力和速度。盾構機的推力控制范圍為17 300~17990kN,掘進速度控制范圍為30~45 mm/min。在盾構機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,這個上拱值接近于 0。

        (2)同步注漿漿液的類型、注漿的時機、注漿量是控制既有隧道變形的重要手段,由于下穿施工時既有2號線正常運營,及時進行同步注漿非常必要。注漿的壓力應控制在0.15MPa,最大值不應超過0.18MPa。

        (3)在盾構下穿過程中掘進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過程的一個重要指標。當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,就應該對變形點位和附近進行二次補漿,此時雙液漿的初凝時間按30 s控制,壓力按0.18 MPa控制。

        參考文獻

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        收稿日期 2019-05-14

        責任編輯 朱開明

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