肖 穎,張 玄,朱凱強,劉帥磊,楊 濤

(1.中交二公局第三工程有限公司,陜西 西安 710016; 2.西安工程大學(xué),陜西 西安 710048)

0 引言

隨著我國軌道交通和鐵路建設(shè)的大力發(fā)展,地鐵區(qū)間隧道穿越高速鐵路軌道的交會工程越來越多,但過往案例的穿越對象多為建筑物,穿越高速鐵路的尚少。高速鐵路以無砟軌道為路基,對軌道平順性要求極高[1-5]。掘進會引起地層損失和周邊環(huán)境擾動,新建隧道必然會對既有高速鐵路產(chǎn)生擾動,甚至引起高速鐵路橋樁發(fā)生不均勻沉降,而微小的軌道差異沉降或變形都會嚴重威脅到列車的運行安全[6]。盾構(gòu)穿越施工涉及土層、水土作用、機械掘進等,由于高速鐵路的特殊性與擾動嚴控性,很難借鑒其他穿越工程的研究成果,因此針對盾構(gòu)下穿高速鐵路施工難題展開相關(guān)的控制技術(shù)研究具有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

西安軌道交通10號線東風(fēng)路站—學(xué)府路站區(qū)間地鐵盾構(gòu)隧道在里程CK15+805.594—CK17+503.575處下穿鄭西、大西客運專線灞河特大橋線路,如圖1所示。穿越處左、右線的轉(zhuǎn)彎半徑分別為1 200,700m。左、右線與鄭西客專平面夾角分別約為76.2°,80.4°,與大西客專平面夾角分別約為78.1°,83.2°,隧道拱頂埋深14.3m,隧道均側(cè)穿橋樁,盾構(gòu)隧道外皮距鄭西客專灞河特大橋和大西客專灞河特大橋橋樁最小凈距分別約為8.95,8.50m。區(qū)間場地土層地表分布薄厚不均的雜填土及黃土狀土,其下為細砂、中砂等。盾構(gòu)隧道主要穿越細、中砂地層。場地內(nèi)地下潛水位埋深6.800～14.800m,地下水位高程359.670～368.080m,考慮到周圍河水水位等漲幅影響,水位年變幅1.0～3.0m。盾構(gòu)隧道下穿鐵路地質(zhì)斷面如圖2所示,下穿土層參數(shù)如表1所示。

表1 下穿土層參數(shù)

圖1 區(qū)間下穿概況

圖2 盾構(gòu)隧道下穿鐵路地質(zhì)斷面

2 盾構(gòu)砂層掘進控制技術(shù)

地面沉降控制技術(shù)的關(guān)鍵是穩(wěn)定盾構(gòu)開挖面,及時填充隧道與地層之間的空隙,控制盾構(gòu)的掘進參數(shù)。

2.1 盾構(gòu)掘進控制措施

此下穿區(qū)間采用的φ6 470土壓平衡盾構(gòu)機主要有土壓平衡、氣壓輔助、常壓3種掘進模式,如圖3所示。本工程選取土壓平衡掘進模式,通過維持掘進過程中開挖量與出土量的平衡來有效保證開挖面的穩(wěn)定,進而控制地面沉降及對周邊地層的擾動。

圖3 土壓平衡盾構(gòu)機掘進模式

盾構(gòu)推進速度主要與正面土倉壓力、千斤頂推力、土層性質(zhì)等因素有關(guān)。穿越時要綜合考慮多因素的協(xié)同影響,適當(dāng)調(diào)整推進速度,穩(wěn)定總推力,以減小地層擾動。此工程盾構(gòu)下穿高速鐵路地段隧道洞身穿越地層范圍為中砂層,此類地層的工程經(jīng)驗推進速度為35～55mm/min,日均進尺量為14～18m,實際穿越期間的推進速度控制在35～40mm/min,預(yù)計日均進尺量為12～14m,并保持連續(xù)掘進。

刀盤開挖直徑為6 470mm,前盾直徑為 6 440mm,單邊最大間隙30mm,該段間隙無土壓支撐、無漿液回填。盾體上部是拱頂沉降控制的難點,針對該問題,在盾體周邊預(yù)留的注入孔注入膨潤土,減小盾體上方沉降,降低盾體在砂層中的摩擦力,進而降低推力,減小地層擾動。

2.2 盾構(gòu)掘進姿態(tài)控制技術(shù)

1)側(cè)穿前調(diào)整好盾構(gòu)機姿態(tài)并減少糾偏次數(shù),根據(jù)200m試驗段得到的數(shù)據(jù)確定合理的預(yù)偏量,根據(jù)隧道曲線半徑大小確定曲線段左轉(zhuǎn)彎環(huán)和標(biāo)準環(huán)的搭配比例。糾偏量控制在每環(huán)2mm以內(nèi),減少對土體的擾動,施工時重點觀察推進軸線位置變化。注漿時,保持盾構(gòu)外側(cè)注漿量大于內(nèi)側(cè),避免因盾構(gòu)機頂進壓力造成管片向曲線外漂移,保證盾構(gòu)沿設(shè)計曲線方向運動。

2)盾構(gòu)掘進期間,利用自動導(dǎo)向測量系統(tǒng)進行實時監(jiān)測,并對隧道線路和盾構(gòu)掘進軸線進行日常復(fù)核。由于管片會在側(cè)向壓力下偏移到軸線外側(cè),為使隧道最終偏差控制在規(guī)范要求范圍內(nèi),應(yīng)考慮在合理的施工條件下為開挖隧道預(yù)留一定偏差[7]。根據(jù)理論計算和相關(guān)施工實踐經(jīng)驗綜合分析,并考慮開挖區(qū)域的地層條件與高速鐵路橋樁埋深,在曲線隧道掘進過程中設(shè)置預(yù)偏量25～30mm。曲線半徑越小,預(yù)偏差越大[8]。在施工過程中,通過監(jiān)測小半徑段隧道的偏差,適當(dāng)調(diào)整預(yù)偏差值。

根據(jù)試驗段管片姿態(tài)控制結(jié)果,確定最終預(yù)偏量;推進時速控制在35～40mm/min,連續(xù)不間斷推進;每環(huán)糾偏量≤10mm/環(huán),油缸壓差≤50bar,行程差≤80mm。掘進參數(shù)如表2所示。

表2 曲線段下穿橋樁掘進參數(shù)

3 盾構(gòu)掘進參數(shù)

3.1 平衡壓力的設(shè)定

盾構(gòu)施工時,應(yīng)結(jié)合開挖土層的變化設(shè)置土壓力值,時刻保持掌子面的壓力平衡,預(yù)防地層超挖、欠挖等。開挖完成后應(yīng)及時填補管片及開挖土體間的間隙,防止后期土體收斂造成地面沉降。如需短時間緊急停機時,啟動盾構(gòu)機的PID(proportional integral derivative)自動保壓系統(tǒng)。

結(jié)合盾構(gòu)土層地質(zhì)條件并根據(jù)200m盾構(gòu)試驗段的參數(shù)調(diào)控土倉壓力,將土倉平衡壓力提高0.1～0.2bar,定為1.0～1.2bar。適當(dāng)保持土壓平衡,不能出現(xiàn)過大的壓力波動。

P0=k0γH

(1)

式中:P0為靜止土壓力;k0為靜止土壓系數(shù);γ為掘削地層的土體重度(kN/m3),γ=19.4kN/m3;H為掘削面上頂?shù)降孛娴母采w土層的厚度(m),H=12～14m;k0=1-sinφ′,φ′為有效內(nèi)摩擦角,φ′=33.2°。

將以上參數(shù)帶入式(1),得P0=104.8～122.2kN/m2。

3.2 推進出土量控制

采用φ6 470開挖直徑,管片寬度為1.5m,可實現(xiàn)的開挖實土方量為49.29m3/環(huán),根據(jù)本標(biāo)段地質(zhì)情況及實際掘進記錄,測定松散系數(shù)為1.1～1.2(根據(jù)試驗段掘進確定準確松散系數(shù)),并觀察記錄出土量,平衡進尺量與出土量,每環(huán)出土量控制值為64m3。渣土車容量為18m3,控制每車進尺500mm。若出土量超標(biāo),應(yīng)記錄當(dāng)前里程,并在盾構(gòu)通過后立即進行二次補漿[9]。必要的情況下采取地面補注漿。掘進1環(huán)的出土量控制在57m3左右,計算過程如下:

V=πλD2L/4

(2)

式中:λ為松散系數(shù),該松散系數(shù)在試驗段確定,此處取λ=1.1～1.2;D為刀盤開挖直徑,D=6 470mm;L為管片寬度,L=1 500mm。

將以上參數(shù)帶入式(2),得V=54.22～59.15m3。

3.3 同步注漿及二次注漿

對于注漿,采取雙控指標(biāo)控制(注漿量和注漿壓力),在全斷面砂層掘進時,每環(huán)壓漿量應(yīng)達到6.2m3或注入壓力達到4bar。優(yōu)先選擇注漿量控制,若出現(xiàn)異常,如注漿量不足6.2m3而注入壓力達到4bar,需排查管路情況,預(yù)防注漿管路孔徑縮小導(dǎo)致的注入壓力升高,而誤判注漿達到結(jié)束標(biāo)準。若注漿量過低而注入壓力已經(jīng)達到設(shè)定值,可判定為拱頂沉降或應(yīng)力釋放導(dǎo)致注入困難,及時跟進二次注漿,填補拱頂沉降或應(yīng)力釋放產(chǎn)生的地層空隙[9]。砂漿填充如圖4所示。

圖4 砂漿填充示意

同步注漿漿液性能控制:漿液的初凝時間為5h以內(nèi),單日固結(jié)體強度不低于0.2MPa,28d抗壓強度不低于2.5MPa;稠度8～12cm,固結(jié)收縮率<5%,傾析率<5%。

普通段注漿量計算:

V=πλ(D2-d2)L/4

(3)

式中:λ為充盈系數(shù),λ取1.5;d為隧道管片直徑,d=6 200mm。

將以上參數(shù)帶入式(3),得V=6.04m3。

穿越高速鐵路段時注漿量較普通段增加0.3～0.4倍,即7.8～8.5m3。為確保盾構(gòu)施工后的沉降控制,盾構(gòu)施工時有必要在洞內(nèi)采取環(huán)箍二次注漿措施[10],如圖5所示。

圖5 二次注漿

二次注漿漿液選用高強水泥與水玻璃雙液漿,并根據(jù)不同地層調(diào)整雙液漿配合比,保證漿液擴散半徑不小于0.5m。盾構(gòu)推進過后相鄰兩環(huán)作為一環(huán)箍,每6環(huán)進行一次環(huán)箍注漿,且施作空間在距刀盤13環(huán)處。每環(huán)5個孔,每孔注入量為0.3～0.5m3,注漿壓力為0.4～0.5MPa。

3.4 下穿區(qū)注漿

下穿高速鐵路盾構(gòu)期間,應(yīng)按規(guī)范要求加強施工監(jiān)測,及時反饋沉降變形信息。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),調(diào)整盾構(gòu)機的各種參數(shù),必要時,根據(jù)沉降值的差異性制定加固方案,進行二次補強注漿加固地層。

注漿設(shè)備主要有攪拌機、注漿泵、小型鉆機。小導(dǎo)管在洞內(nèi)采用鉆機頂入或鉆孔安裝方式埋入管片注漿孔內(nèi),由于小導(dǎo)管注漿施工時盾構(gòu)掘進不停工,應(yīng)派專人針對施工位置進行交通指揮。

盾構(gòu)下穿高速鐵路范圍采用E型特殊加強襯砌管片。鄰接塊和標(biāo)準塊上各增加2個注漿孔,原普通段每環(huán)管片注漿孔數(shù)量由6個增至16個。管片背后注漿采用1∶1水泥-水玻璃雙液漿,注漿管范圍為隧道外輪廓外3m。小導(dǎo)管采用無縫鋼管,規(guī)格為φ42,壁厚3.5mm,鋼管長3.0m。注漿孔間距為150mm,直徑為5～8mm,呈梅花形布置。隧道內(nèi)深孔加固如圖6所示。

圖6 隧道內(nèi)深孔加固示意

3.5 盾構(gòu)掘進中渣土改良

渣土改良主要通過添加泡沫或膨潤土達到改良效果。穿越橋墩期間,除少量地段含粉質(zhì)黏土外,其余均為中砂層,下穿橋墩地層均為中砂層。渣土改良采取以膨潤土為主、泡沫為輔的土體改良方式。前方沉降較難控制時,采用充分膨化的膨潤土對掌子面開挖提供護壁保護。

1)膨潤土

膨潤土是由蒙脫石類礦物組成的黏土,具有良好的懸浮性和觸變性,濾失量小、通壁性能好、配置方便。膨潤土的主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 膨潤土的主要性能參數(shù)

2)泡沫劑

盾構(gòu)施工專用泡沫劑是渣土改良產(chǎn)品。具有發(fā)泡率高、滲透快、無毒害、無腐蝕、綠色環(huán)保等特點。泡沫劑對渣土性能改良效果較好,其各項指標(biāo)均符合施工要求,可較好地解決噴涌等施工難題,確保盾構(gòu)達到最佳推進效果,泡沫劑的主要性能參數(shù)如表4所示。

表4 泡沫劑的主要性能參數(shù)

4 結(jié)語

1) 盾構(gòu)在下穿掘進過程中,施工難度大,須嚴格控制掘進姿態(tài),同時協(xié)調(diào)各掘進參數(shù),完善渣土改良,保證土壓平衡盾構(gòu)能較好地適應(yīng)在砂層掘進。

2) 根據(jù)現(xiàn)場盾構(gòu)下穿既有高速鐵路路段的隧道埋深與地質(zhì)條件,通過200m盾構(gòu)試驗段,確定盾構(gòu)下穿施工的具體掘進施工參數(shù)。其中分別控制掘進速度為35～40mm/min、出土量為54～60m3、二次注漿壓力為0.4～0.5MPa、下穿注漿量為7.8～8.5m3/環(huán)、土倉壓力為1.0～1.2bar。下穿過程中同步注漿和二次注漿要及時跟進。