占凡
(中鐵二局集團(tuán)有限公司城通分公司,四川 成都 610036)
盾構(gòu)法施工已經(jīng)成為城市地鐵隧道工程施工中應(yīng)用較廣的一種施工方法,該方法具有施工速度快、安全性高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于地鐵區(qū)間隧道施工。又特別是在老舊城區(qū)施工過(guò)程中,采用盾構(gòu)施工穿越各種重要建構(gòu)筑物成為一種常態(tài)。本文通過(guò)某盾構(gòu)區(qū)間左右線多次成功長(zhǎng)距離下穿鐵路為實(shí)例,保證了鐵路正常運(yùn)營(yíng)和施工安全,下文對(duì)施工過(guò)程的技術(shù)措施進(jìn)行闡述。
此次下穿鐵路盾構(gòu)區(qū)間為雙線地鐵隧道,區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑410 m、最大縱坡28‰、盾構(gòu)區(qū)間隧道頂埋深17.05~30.8 m,盾構(gòu)外徑6 m,內(nèi)徑5.4 m,采用中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。
道床及軌枕形式如下:下穿范圍段鐵路道床為碎石道床,由具有一定粒徑、級(jí)配和強(qiáng)度的硬質(zhì)碎石堆集而成;軌枕為混凝土。最高運(yùn)行速度為城際200 km/h。
鐵路位于地鐵區(qū)間以410/430 m曲線半徑上,第一次下穿鐵路3條鐵路股道及渡線道岔,另包括4個(gè)信號(hào)燈、2個(gè)道岔機(jī)、4根接觸網(wǎng)立柱等相關(guān)設(shè)備設(shè)施,如圖1所示;第二次下穿鐵路2股道及側(cè)穿一座鐵路橋、7根接觸網(wǎng)立柱,如圖2所示。左線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.7 m(第二次下穿凈距27.6 m),右線隧道頂部與鐵路軌底豎向凈距約25.0 m(第二次下穿凈距28.4 m)。
圖1 第一次穿越平面位置關(guān)系
圖2 第二次穿越平面位置關(guān)系
穿越鐵路段盾構(gòu)隧道頂埋深為25.0~28.4 m,左右線地層主要為<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,巖層強(qiáng)度為5.4~15.7 MPa;<7-3>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,巖層強(qiáng)度為1.0~3.4 MPa。
該鐵路區(qū)間無(wú)法進(jìn)行地質(zhì)勘察,勘察資料缺失,無(wú)法準(zhǔn)確判斷該段地質(zhì)情況,在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中缺乏指導(dǎo)性,存在盲目性。針對(duì)此情況,需要做到以下2點(diǎn):①分析周邊區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,為單斜構(gòu)造,覆蓋層為人工填土,下伏基巖為泥質(zhì)粉砂巖等,地內(nèi)無(wú)塌陷、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)體存在,綜合判斷穩(wěn)定性較好,根據(jù)隧道埋深判斷為強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;②在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)渣樣進(jìn)行分析,判斷地層情況。
城際列車(chē)以200 km/h高速通過(guò),對(duì)沉降極為敏感,控制軌道沉降差極為重要??赏ㄟ^(guò)試驗(yàn)段總結(jié)掘進(jìn)參數(shù),采用同步漿液量和壓力雙控指標(biāo)、每環(huán)采用雙液漿進(jìn)行補(bǔ)漿、每隔8環(huán)注止水環(huán)箍等措施控制沉降,同時(shí)采用AB料新技術(shù)控制沉降,申請(qǐng)對(duì)過(guò)站列車(chē)進(jìn)行限速[1]。
鐵路絕大多數(shù)時(shí)間處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài),對(duì)軌道沉降監(jiān)測(cè)存在一定困難,鐵路運(yùn)營(yíng)期間非鐵路人員不得進(jìn)入軌道范圍內(nèi)。鐵路部門(mén)配合檢查線路軌距、水平、方向等幾何尺寸,較大變形一經(jīng)發(fā)現(xiàn),立即糾正;較小變形可利用夜間時(shí)段進(jìn)行調(diào)整修復(fù),避免沉降積累[1]。如變形繼續(xù)加大,立即改道,盾構(gòu)停機(jī)保壓,查找原因等措施;測(cè)量人員在軌枕上、路基上布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),在高架橋、屋頂?shù)雀呖瘴恢脤?duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
3.1.1方案編制審批
在穿越鐵路之前,編制《盾構(gòu)下穿鐵路專(zhuān)項(xiàng)施工方案》,組織專(zhuān)家評(píng)審;下穿前檢查刀具,做好盾構(gòu)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)和刀具檢查更換,確保連續(xù)不間斷穿越;與鐵路相關(guān)部門(mén)聯(lián)動(dòng),采取測(cè)量巡視及列車(chē)限速措施;施工區(qū)間分為試驗(yàn)段、穿越段和保護(hù)段,利用試驗(yàn)段充分驗(yàn)證掘進(jìn)參數(shù)的可實(shí)施性,掌握不同參數(shù)和地面沉降之間關(guān)系,確保穿越段參數(shù)最佳。
3.1.2 AB料新材料新技術(shù)引進(jìn)
在穿鐵前,引進(jìn)漿液AB料,AB料屬于一種漿液的促凝劑。使用時(shí)A料可直接混合于正常的同步漿液中,B料需溶于水形成B液,在同步注漿時(shí),將B液新增管路至盾尾與同步注漿管聯(lián)合。下穿鐵路時(shí),同步漿液在AB料的輔助加持下縮短了漿液初凝時(shí)間,增加了漿液凝固后的強(qiáng)度,對(duì)抑制地表沉降起到了良好的作用。A、B料分別如圖3、圖4所示。
圖3 A料
圖4 B料
3.1.3 施工監(jiān)測(cè)
監(jiān)測(cè)內(nèi)容為試驗(yàn)段、穿越段和保護(hù)段范圍,即沿隧道方向到達(dá)鐵路圍墻前60 m到盾尾脫離圍墻20 m范圍。
本次穿越鐵路施工監(jiān)測(cè)主要分為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)和鐵路工務(wù)巡查檢修。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)按照?qǐng)D紙實(shí)施,與此同時(shí)在盾構(gòu)下穿前,在鐵路股道旁、道岔旁、鐵路路基等位置提前清點(diǎn),之后在旁邊的高架橋、鐵路人行天橋或是在鐵路旁居民2層房屋樓頂上采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)鐵路監(jiān)測(cè)由工務(wù)段利用天窗點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。鐵路測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。鐵路變形控制值如表1所示。
圖5 鐵路測(cè)點(diǎn)布置圖
表1 鐵路變形控制值
當(dāng)實(shí)際變形值達(dá)到控制值的80%,即為監(jiān)控的報(bào)警值,發(fā)出預(yù)警,達(dá)到控制值時(shí)發(fā)出報(bào)警,當(dāng)首次報(bào)警后,若測(cè)點(diǎn)以較大速度繼續(xù)變形,視情況繼續(xù)報(bào)警并加大監(jiān)測(cè)頻率。
3.1.4 開(kāi)倉(cāng)檢查
為確保穿越鐵路過(guò)程中刀具正??煽?,在全數(shù)檢查刀具磨損和刀箱情況后,提高中心刀和面刀更換標(biāo)準(zhǔn)至8 mm,并根據(jù)刀具布設(shè)位置針對(duì)性地進(jìn)行更換,清理刀盤(pán)上的泥餅,確保順利下穿運(yùn)營(yíng)鐵路。
3.1.5 技術(shù)交底
在到達(dá)試驗(yàn)段前,將組織項(xiàng)目部和現(xiàn)場(chǎng)全體人員進(jìn)行交底,使其詳細(xì)了解穿越的平縱斷面關(guān)系、下穿的具體環(huán)數(shù)、地質(zhì)情況、施工組織計(jì)劃和安全、技術(shù)措施等。
3.1.6 物資儲(chǔ)備
提前配備優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口巴斯夫泡沫劑和康達(dá)特的盾尾油脂,在下穿鐵路的穿越段使用,保證渣土改良和盾尾密封效果。
此次地鐵區(qū)間下穿鐵路施工主要分為施工前準(zhǔn)備、試驗(yàn)段、穿越段和保護(hù)段幾個(gè)階段。左右線需分開(kāi)穿越,左線先行下穿,在左線盾尾脫出保護(hù)段后,對(duì)鐵路影響范圍進(jìn)行系統(tǒng)的壁后補(bǔ)償注漿,同時(shí)在確定鐵路設(shè)施的安全狀態(tài)良好后再進(jìn)行右線隧道的掘進(jìn)施工。
3.3.1 分析思路
應(yīng)用MIDASIT公司的GTS巖土與結(jié)構(gòu)有限元分析軟件,采用地層-結(jié)構(gòu)模型模擬分析隨著盾構(gòu)掘進(jìn),地表沉降和變形,評(píng)估地鐵施工對(duì)既有鐵路的影響。
3.3.2 計(jì)算模型
計(jì)算模型尺寸為150 m(長(zhǎng)度)×100 m(寬度)×50 m(地面以下深度),如圖6所示,地層采用實(shí)體單元模擬,盾構(gòu)管片采用板單元模擬。劃分網(wǎng)格時(shí),采用混合網(wǎng)格生成器,管片和開(kāi)挖土體單元尺寸取1 m,其余單元尺寸取2 m。盾構(gòu)區(qū)間與既有鐵路空間位置關(guān)系如圖7所示。
圖6 計(jì)算模型
圖7 盾構(gòu)區(qū)間與既有鐵路空間位置關(guān)系
3.3.3 巖土參數(shù)
巖土參數(shù)如表2所示。
表2 巖土參數(shù)
3.3.4 工況分析
上述盾構(gòu)開(kāi)挖區(qū)域所屬地層為<8-3>中風(fēng)化巖,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中,考慮左右線錯(cuò)開(kāi)180 m距離。初始狀態(tài)如圖8所示。各開(kāi)挖工況位移統(tǒng)計(jì)如圖9所示。
圖8 初始狀態(tài)
圖9 各開(kāi)挖工況位移統(tǒng)計(jì)
3.3.5 數(shù)值分析結(jié)論
根據(jù)不同工況數(shù)值分析,盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)股道的最大沉降未超過(guò)5 mm,滿足要求。
4.1.1 參數(shù)預(yù)警
參數(shù)預(yù)警如表3所示。下發(fā)異常參數(shù)預(yù)警表,不得超過(guò)規(guī)定限值。
表3 參數(shù)預(yù)警表
4.1.2 試驗(yàn)段參數(shù)設(shè)置
鐵路段平均埋深26 m,地質(zhì)整體為<7-3>強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、<8-3>中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,采用“半倉(cāng)土,氣壓輔助掘進(jìn)”模式,與全倉(cāng)土壓模式相比,半倉(cāng)土具有減小盾構(gòu)負(fù)荷、減慢刀具磨損、降低渣溫的優(yōu)點(diǎn),保護(hù)刀盤(pán)處于良好的工作狀態(tài)是順利穿越鐵路的關(guān)鍵。
“半倉(cāng)土,氣壓輔助掘進(jìn)”模式主要是自然空氣注入到土倉(cāng)內(nèi)來(lái)平衡掌子面的壓力。氣源主要為隧道自然空氣,通過(guò)空壓機(jī)注入量來(lái)調(diào)節(jié)倉(cāng)內(nèi)壓力,通常為泡沫劑和空氣混合物。該模式主要通過(guò)頂部和掌子面的地質(zhì)條件來(lái)確定倉(cāng)內(nèi)渣土界面高度;頂部為富水砂層及淤泥土,不使用該種模式;頂部為可塑狀黏土且具有短時(shí)穩(wěn)定能力,倉(cāng)內(nèi)渣土超過(guò)土倉(cāng)高度1/2;頂部為穩(wěn)定巖層,倉(cāng)內(nèi)渣土液面高度不應(yīng)低于1/3,為了保持螺旋機(jī)出土需要,也為了防止地質(zhì)突變帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn),在掘進(jìn)過(guò)程中不宜頻繁改變?cè)撩娓叨萚2],避免對(duì)掌子面形成負(fù)壓,從而引起坍塌。
通過(guò)整理穿鐵試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù),并根據(jù)各種類(lèi)似地層進(jìn)行對(duì)比分析,擬定了穿越參數(shù),如表4所示。
表4 掘進(jìn)參數(shù)
4.1.3 穿越段、保護(hù)段參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化
在試驗(yàn)段掘進(jìn)十分順利的情況下,將試驗(yàn)段參數(shù)應(yīng)用到穿越段以及保護(hù)段,在第一次成功穿越完成后及時(shí)總結(jié)參數(shù),為后續(xù)3次穿越提供數(shù)據(jù),并且每日根據(jù)不同的地層、地下水及監(jiān)測(cè)等情況,每日下發(fā)盾構(gòu)管控掘進(jìn)指令單動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。
穿越過(guò)程中加大地面巡查至每1 h一次,嚴(yán)格控制出土量,并采用方量計(jì)算以及龍門(mén)吊稱重進(jìn)行核算。每環(huán)采集渣樣2次,測(cè)量渣溫2次,并及時(shí)反饋給地面。如發(fā)現(xiàn)渣溫過(guò)高,需及時(shí)調(diào)整渣土改良參數(shù),防止刀盤(pán)結(jié)泥餅。如渣溫過(guò)高未及時(shí)調(diào)整參數(shù),在泥質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)中刀盤(pán)容易結(jié)泥餅,使刀盤(pán)扭矩變大,刀具磨損加快,刀具易偏磨,速度變慢,掘進(jìn)效率降低,容易引起較大的沉降。
穿越段平面線性為曲線段,縱斷面為28%的下坡,盾尾間隙單側(cè)為35 mm,為保證穿越鐵路的安全及成型隧道質(zhì)量,盾構(gòu)水平姿態(tài)控制在﹣30~﹣20 mm以內(nèi);考慮到管片后期上浮等情況,垂直姿態(tài)控制在﹣40~﹣30 mm以內(nèi),以此嚴(yán)格要求盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn),有效減小盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的擾動(dòng)。同時(shí)堅(jiān)持“勤糾、緩糾”的原則,每環(huán)姿態(tài)不宜變化過(guò)大,每環(huán)調(diào)整量在5 mm以內(nèi),同時(shí)根據(jù)管片姿態(tài)測(cè)量的情況調(diào)整掘進(jìn)方向。
在穿越鐵路過(guò)程中,為保證最好的渣土改良效果,選用進(jìn)口的巴斯夫牌泡沫劑,測(cè)泡沫發(fā)泡效果、發(fā)泡倍率、持泡時(shí)間,并明確當(dāng)渣溫大于34℃時(shí)預(yù)警。渣土改良配比如表5所示。
表5 渣土改良配比表
每掘進(jìn)1環(huán)進(jìn)尺的理論出土量為:V=L×πd2/4=46.4 m3,根據(jù)前期掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和查閱《建筑施工手冊(cè)》,泥巖類(lèi)取松散系數(shù)k=1.40~1.45(65~67 m3)比較合理,每掘進(jìn)1環(huán)進(jìn)尺的出土量應(yīng)控制在65 m3。
掘進(jìn)出土管控由方量控制、質(zhì)量控制、行程控制3方面進(jìn)行控制,并相互佐證:①方量控制。每掘進(jìn)1 500 mm,<7>號(hào)地層小于60 m3,<8>號(hào)地層小于65 m3,<9>號(hào)地層小于67 m3。②質(zhì)量控制。每掘進(jìn)1 500 mm,<7>號(hào)地層小于120 t,<8>號(hào)地層小于130 t,<9>號(hào)地層小于135 t。③行程控制。每箱土(12 m3),<7>號(hào)層大于300 mm,<8>號(hào)層大于280 mm,<9>號(hào)層大于270 mm。
同步注漿管控由質(zhì)量控制、壓力控制、方量控制3方面進(jìn)行控制:①質(zhì)量控制。初凝時(shí)間根據(jù)地層、地面環(huán)境控制在2~4 h,漿液比例為1.7~1.8,擴(kuò)展度控制在26~29 cm。②壓力控制。注漿壓力易控制在2~3 bar。③方量控制。注漿方量根據(jù)地層、地面環(huán)境考慮,根據(jù)中鐵裝備盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)外徑算得理論注漿量為V=(π6.282/4-π62/4)×1.5×1.5=6.07 m3,原則上不能低于6 m3,但考慮到損失和地層中有裂隙存在,在下穿鐵路段每環(huán)注漿量加大至7 m3[3]。
在同步注漿的同時(shí)啟用AB料,通過(guò)試驗(yàn)段開(kāi)孔檢查漿液質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)得到,當(dāng)每方漿加入A料15 kg、B料20 kg時(shí),同步漿液的初凝時(shí)間約28 min,滿足現(xiàn)場(chǎng)施工。同步漿液配比如表6所示。
表6 同步漿液配比表(單位:kg)
隧道掘進(jìn)過(guò)程中,注漿量根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地表監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。每環(huán)的壓漿量大于建筑空隙的150%,注漿壓力漸近增加以滿足注漿量為上限值,原則控制在0.3 MPa。為保證穿越段施工質(zhì)量,項(xiàng)目對(duì)同步注漿配合比重新進(jìn)行試驗(yàn),選擇最優(yōu)配合,初凝時(shí)間控制在2 h內(nèi),管片上浮量在20 mm以內(nèi)。測(cè)擴(kuò)展度如圖10所示。壓力控制如圖11所示。
圖10 測(cè)擴(kuò)展度
圖11 壓力控制
4.6.1 二次跟蹤注漿
為使隧道周?chē)馏w徹底固結(jié),控制土體后續(xù)沉降,確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全,在盾構(gòu)掘進(jìn)的時(shí)候不斷進(jìn)行二次跟蹤注漿,管片脫出盾尾第10~12環(huán)附近頂部開(kāi)孔,采用純水泥單液漿,水灰比為1∶1時(shí)進(jìn)行二次注漿。
4.6.2 環(huán)箍設(shè)置
為提高同步注漿質(zhì)量,避免已成環(huán)管片背后的地下水大量涌入土倉(cāng),每隔8環(huán)對(duì)管片背后進(jìn)行整環(huán)二次注漿,形成一個(gè)由凝固雙液漿構(gòu)成的止水環(huán),截?cái)喙芷澈髞?lái)水。采用雙液漿,初凝時(shí)間30 s以內(nèi),注漿壓力控制值在0.5 MPa以下。
4.6.3 工后補(bǔ)償注漿
在盾尾脫出鐵路保護(hù)范圍后,對(duì)整個(gè)穿越范圍的管片壁后每3環(huán)頂部開(kāi)孔,進(jìn)行一次系統(tǒng)的工后補(bǔ)強(qiáng)注漿,控制隧道后期沉降,再次確保運(yùn)營(yíng)線安全。采用純水泥單液漿,注漿壓力控制值在0.6 MPa以內(nèi)[4-5]。
盾尾密封雙控原則為質(zhì)量控制、壓力控制。
油脂量控,根據(jù)掘進(jìn)速度變動(dòng),為保證盾尾密封質(zhì)量,在盾構(gòu)下穿鐵路段加強(qiáng)盾尾油脂的注入[3],原則上每環(huán)質(zhì)量不小于45 kg,增加至60 kg。注入壓力,盾尾油脂靜止壓力不小于3 bar。管片粘貼海綿條及丁基橡膠薄板,能有效防止盾尾漏水、漏漿、漏氣,同時(shí)控制同步注漿的壓力。輔助措施如圖12所示。
圖12 輔助措施
嚴(yán)格控制出渣量,每環(huán)掘進(jìn)完成后出渣量大于規(guī)定值的±2 m3,門(mén)吊承重大于規(guī)定值的5 t,確保運(yùn)營(yíng)鐵路安全;每環(huán)檢測(cè)渣溫至少2次,渣溫34℃時(shí)為警戒值,當(dāng)渣溫達(dá)到警戒值或每環(huán)溫度變化超過(guò)3℃時(shí),立即分析判斷原因并采取措施;每環(huán)同步注漿有效注漿量保證在7 m3以上,同時(shí)確保注漿管路暢通,一旦出現(xiàn)2根以上管路堵塞時(shí),必須立即保壓停機(jī)進(jìn)行疏通。
區(qū)間左右線盾構(gòu)按計(jì)劃先后2次順利下穿鐵路,未發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)等異常情況,成功安全、快速、連續(xù)、順利地下穿鐵路,成果如下:①左線下穿鐵路。第一次歷時(shí)6 d,下穿鐵路91.5 m,平均每天12.25 m;第二次歷時(shí)11 d,下穿鐵路138 m,涉及92環(huán),平均每天12.5 m。最大沉降為﹣4 mm,未出現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警情況。②右線下穿鐵路。第一次歷時(shí)7 d,下穿鐵路138 m,平均每天19.7 m;第二次歷時(shí)11 d,下穿鐵路112 m,平均每天10.2 m。最大沉降為﹣7 mm,未出現(xiàn)監(jiān)測(cè)報(bào)警情況。
在城市中進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí),尤其是老舊城區(qū)中,由于周邊環(huán)境極其復(fù)雜,區(qū)間隧道線路受到車(chē)站站位以及周邊建構(gòu)筑物的影響,不可避免地將下穿眾多重大風(fēng)險(xiǎn)源。盾構(gòu)成功下穿4次鐵路,得出以下結(jié)論及建議。
穿越區(qū)段坡度為28‰大縱坡,地下水向掘進(jìn)方向匯集稀釋同步漿液且存在盾尾同步漿液流失現(xiàn)象,采用AB料這種新技術(shù)可縮短同步漿液初凝時(shí)間,減少同步漿液流失控制地面沉降效果明顯;采用自動(dòng)化及人工測(cè)量相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段,能快速獲取沉降信息,為調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐;合理的施工組織措施能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)快速、勻速穿越,避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引起地面沉降;加強(qiáng)信息共享,下穿運(yùn)營(yíng)鐵路這種重大風(fēng)險(xiǎn)需要同鐵路部門(mén)加強(qiáng)信息共享,確保鐵路運(yùn)輸安全。