土压平衡盾构机过既有线铁路路基沉降控制技术

来源:用户上传      作者:

　　摘    要  土压平衡盾构隧道在淤泥质地层穿越既有铁路施工过程中，为确保既有线运行的安全，需针对既有线路基实际采取技术保护措施。通过对某市地铁2号线出入段线土压平衡盾构穿越既有铁路的技术研究，工程实践证明，进行铁路路基加固，施工过程中对各类参数有效的控制，对这类软土层采取盾构法穿越既有铁路施工是可行的，也为今后更多较为复杂的地下穿越既有线路的施工提供了参考。
　　关键词：淤泥质地层;土压平衡盾构机;既有铁路; 沉降控制
　　1  引言
　　伴随城市轨道交通的迅猛发展，盾构法轨道交通隧道规模不断扩大，下穿既有铁路的轨道线路也越来越多。盾构法穿越既有铁路已的成功案例已经较多，为了保证既有线安全运行，对于盾构隧道施工引起地表沉降的规律进行数据分析。提前对盾构穿越处路基采取搅拌桩、旋喷桩围护和注浆加固，施工时适当控制盾构推进的参数，有效地控制变形、保证安全，尽可能减少施工对地层的扰动。
　　2  工程概况及地质条件
　　2.1  工程概况
　　某市地铁2号线朝阳站至车辆段的地下盾构区间，线路出朝阳站后，南行依次穿过通惠路、既有线铁路、农田以及南门江支流，经由一小半径曲线到达出入段线明挖段。本盾构段盾构机掘进，自朝阳站南端头盾构井始发，沿出段线到达明挖段盾构井后进行端头井调头，再从明挖段端头井二次装机始发，沿入段线到达始发井后解体吊出。
　　2.2  地质情况
　　本盾构段属海陆交互相沉积平原区，地势较为平缓，未发现不良地质作用。盾构上部覆土及穿越地层自上而下主要为：①1杂填土，①3粉质粘土（耕植土），②1砂质粉土，②2砂质粉土，③2砂质粉土，④1淤泥质粘土，④2淤泥质粉粘土，⑤1粉质粘土，⑤2粉质粘土夹粉土地层，⑦1粉质粘土，⑦2粘土;其中④1、④2淤泥质软土层是本盾构段主要穿越地层，其具有高灵敏性、触变性、大孔隙比、高压缩性、高蠕变性等较差工程特性。
　　既有线铁路下盾构埋深7.4m～13.2m，该段覆土一次为①1杂填土，①3粉质粘土（耕植土），②1砂质粉土，②2砂质粉土，④1淤泥质粘土，盾构穿越地层主要为④2层淤泥质粉质粘土，下伏土层依次为⑤2粉质粘土夹粉土地层，⑦1粉质粘土，⑦2粘土。
　　2.3  下穿既有线铁路地段现状
　　既有线铁路位于朝阳站南，铁路路基南北坡脚盾构纵向距离26m，轨道至坡脚高差约4.8m。本次盾构下穿既有线铁路前，对相应地段已采用高压旋喷桩和静压劈裂注浆技术对地基加固。铁路加固范围扩至铁路坡脚外5.2m，加固纵向长度约36m。
　　3  穿越铁路的施工风险分析
　　3.1  施工難点及风险分析
　　盾构穿越既有线过程中，如何保证不影响既有线铁路的安全运营，是本盾构隧道施工的重点和难点。
　　（1）土压平衡盾构下穿铁路时，盾构机仅始发掘进约80m，设置为本盾构段试掘进阶段，各方面处于磨合期。
　　（2）既有线铁路路基坡顶高出坡脚约4.8m，掘进参数选取不合适和调整不及时将会对路基隆沉产生极不利影响。
　　（3）盾构机刀盘直径比盾体外壳大30mm（超挖30mm），因此施工中刀盘与盾尾之间地面将会产生不可避免的沉降，盾构掘进施工中若有停留，沉降将会更加严重。
　　（4）既有线铁路地基加固工程已提前实施，但在淤泥质地层中路基加固效果是否达到预期要求，也是本次掘进通过既有线铁路的关键因素。
　　3.2  应对技术措施
　　（1）仔细研究分析盾构试掘进前80m的掘进数据，使下穿既有线铁路时匀速连续，减少纠偏，控制盾构姿态，减少超挖量，从而减小土体扰动。
　　（2）加强出土量和同步控制，同时根据地面监测情况选择是否进行二次注浆及跟踪补注浆，以减小地面隆沉。
　　（3）施工前进行路基加固施工过程监控和效果核实，确定其是否产生障碍物和加固质量，用于指导下穿施工。
　　（4）成立监测组织机构，加强施工中的监测和安全巡查工作，建立施工过程的动态控制。
　　（5）就盾构掘进下穿时段向业主等相关单位进行告知，同时编制相应应急预案，确保铁路安全正常运营。
　　4  土压平衡盾构施工控制技术
　　4.1  施工准备工作
　　（1）对既有线铁路运营和地基加固等情况了解，收集相关资料。
　　（2）针对盾构下穿既有线铁路的特殊情况，在出段线试掘进阶段调整掘进参数，减小超挖减少土体扰动，同步注浆后再采用双液浆及时进行跟踪补充注浆，结合实时监测结果调整试验数据得到最佳参数。
　　（3）在盾构机过铁路线前25m，再次对所有施工设备进行检修，并把维保工作做到位，确保盾构机在过铁路线时设备故障率低，设备性能完好，能连续的通过。
　　（4）施工前，渣土坑所有渣土清空，施工期间，确保满足盾构渣土外运的畅通，防止施工期间因土方外运受阻停机带来施工风险。
　　（5）提前进行铁路线上及周围监控点的布设，取得初始值数据。
　　（6）与铁路和铁路沿线管线产权单位开展协调工作，做好提前告知。
　　（7）针对盾构穿越铁路线可能出现的应急情况，准备充足的应急物资，成立盾构施工应急抢险队伍及地面加固施工队，确保工程发生险情后能在第一时间得到抢险救治，确保铁路运营安全。
　　4.2  穿越控制措施
　　根据盾构穿越环境和盾构法施工特点，通过对掘进速度、出土量、土仓压力、同步注浆量等参数控制，依据地面监测结果采取二次注浆及跟踪补注浆等辅助措施减少地表隆沉，确保盾构施工影响范围内既有线铁路的运营安全。 　　盾构穿越既有线铁路时加强盾构姿态的控制和掘进参数的调整，包括土仓压力、推进速度、总推力、出土量、同步注浆量及压力等。具体掘进措施如下：
　　（1）严格控制盾构正面（静止）土压力。
　　①盾构机上部土压感应器位置地层竖向压力：
　　根据盾构机试掘进实际监测情况，盾构掘进在计算土压下掘进时，地面往往会产生0.5mm～1.8mm隆起。综上，我部认为0.09 MPa ～0.14 MPa该土压合适，拟在盾构掘进过程中采用此计算土压。
　　（2）推进速度控制。在穿越既有线铁路下方时，保持一个“均匀、快速”的推进理念，有序安排掘进各道工序，既要保持稳定，又要有一定速度;本段推进速度将控制在30mm/min～35mm/min;保证推进速度和注浆速度相匹配。
　　（3）刀盘转速和扭矩。根据前期类似地层中的掘进经验，刀盘转速设定为0.8rpm，刀盘扭矩为1000kN·m～2000kN·m，总推力控制在8000kN·m～12000kN。
　　（4）出土量控制。出土量、土仓压力，是影响地面沉降的关键参数。盾构机的开挖断面为3.14×3.172=31.55m2，每环的理论出土量为31.55×1.2=37.86m3;据前期实际量测结果，所出土松散系数为1.15左右，因此每环出土量应在44m3左右，实际按98%出土量控制。
　　（5）同步注浆压力和注浆量。严格控制同步注浆量及注浆压力，并优化浆液配比，使浆液和易性好，泌水性小，体积收缩率较小。控制浆液稠度在11mm～13mm左右，凝结时间8h～10h。据理论计算管片壁后空隙体积为2.01m3/环，同步注浆量一般控制在建筑空隙的150%～250%，即每环同步注浆量为3.01m3～5.02m3。根据盾构机朝南区间类似地段掘进注浆经验，注浆量宜为4m3～4.5 m3，盾尾通过后地面沉降在±3mm内。盾构通过铁路线期间，进行24小时实时监测和数据反馈，及时调整注浆量。
　　（6）盾构姿态控制。在盾构进入5m宽高压旋喷桩加固区域前，将盾构机姿态调整至低于设计轴线20mm～30mm位置，同时将盾构机俯仰角设置在-5°左右，施工时还要控制纠偏不可过大、过频，推进过程中控制每环纠偏量累计不超过5mm（垂直、水平），减少盾构掘进对淤泥质地层的扰动。
　　加强盾尾间隙的控制，盾尾间隙尽量保持四周均匀，最小处应大于15mm;加强管片的选型控制，油缸的行程差不应大于25mm。
　　4.3  穿越后施工措施和铁路保护技术
　　（1）二次注浆。管片脱出盾尾4环后，对管片后的空隙进行二次注浆来填充，注入CS浆液，注浆压力0.3MPa～0.5MPa;二次注浆采取少量多次原则，即可减小对土体扰动[1]，又能减少地表沉降。二次注浆浆液配比：水泥漿水灰比1：1.5（质量比），水玻璃与水按1：4（体积比）比例稀释，水泥浆与稀释后的水玻璃体积比=1：1、水玻璃浓度39°Be'，胶凝时间为30min。
　　（2）跟踪补注浆。经加固后的地基土仍然可能存在一定灵敏性的特点，经掘进扰动后，即使掘进中同步注浆和二次注浆能够跟进，地面还会持续产生沉降，因此还需进行跟踪补注浆。为提高注浆质量，跟踪补浆液采用与二次注浆相同的浆液压注。
　　5  监测控制
　　5.1  监测项目
　　监测项目包括常规地表和铁路轨面沉降，详见表1。
　　为了达到理想的监测效果，除常规地表沉降监测外，共布设20个轨面沉降监测点和2个普通路基沉降检测点。在轨道面上，从隧道中心向两侧每隔10 m布设一个轨面沉降监测点，每条轨道布设5个轨面沉降监测点，共布设了20个轨面沉降监测点[4]。2个普通路基沉降观测点位于铁路上、下行线中间，并位于出段线和入段线路上。
　　5.2  监测频率
　　为确保施工安全，在盾构机通过既有线铁路时，项目部派专人24h在现场值班。成立过铁路阶段监测组织机构。监测值班人员分为两班（12h/班），每班三人。常规地表和轨道面沉降每4h监测一次，24h不间断监测，并将监测数据第一时间反馈给监测组织机构负责人和盾构操作间。
　　5.3  监测方法
　　本工程按二等监测精度要求进行。测量仪器定期进行检校，每次工作前检查标尺水泡，仪器气泡，水准仪i角不得大于15″，测站高差观测中误差不大于0.2 mm[5]。
　　测站的设置视线长度不大于30m，任意一测站上的视距累计不大于3.0m。
　　每次监控量测组监测完成后，将监测资料提交监测数据处理分析组进行数据处理;工程技术部和项目总工对数据进行复核后，将操作指令下发给盾构施工操作人员执行。测量班每天提供三份监测报表，实时动态反馈每个家测点当前变化量、累计变化量。
　　6  结束语
　　通过以上盾构施工技术措施，有效地控制了地表及地面铁路路基及轨道的隆沉，盾构安全顺利地穿越了既有线铁路。在施工完成后，铁路路基坡脚累计最大隆起8.4mm、路肩累计最大沉降为2.5mm、轨面累计最大沉降为7.2mm、电话杆累计最大隆起1.2mm，均控制在规定的允许范围内。
　　参考文献：
　　[1]  肖广良.盾构在软土地层穿越既有铁路施工技术[J].隧道建设，2008（6）：324～329.
　　[2]  程雄志.地铁盾构下穿高速铁路情况下的路基加固与轨面控制[J].城市交通破究，2013（2）：89.
　　[3]  石舒.盾构隧道下穿铁路工程风险及对策[J].现代隧道技术，2012（2）：3～5.
　　[4]  胡明庆，王金峰，李双平，王当强.地铁盾构穿越铁路专项监测[J].人民长江，2010（20）：94～96.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14755812.htm