盾構(gòu)穿越既有鐵路施工技術(shù)探討

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摘要：為了全面分析盾構(gòu)穿越既有鐵路施工技術(shù)，本文提出了先對穿越鐵路的工況采用有限元模型進(jìn)行模擬分析；正確地選用各種地基加固方法；控制盾構(gòu)推進(jìn)軸線偏差不超出允許范圍及盡量減少地層變形的影響涉及的各種參數(shù)；加泥盾構(gòu)工法；建立嚴(yán)密的監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)，希望本文能夠為盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路施工提供技術(shù)上和理論上的支持，為同類工程提供參考價值。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；穿越；既有鐵路；施工技術(shù)

1引言

目前，國家加大了城市軌道交通的投資力度，在國內(nèi)各大城市開始了前所未有的城市軌道建設(shè)規(guī)劃布局，簽于此，盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路線的現(xiàn)象與日俱增、而且從城市土地面積的局限，軌道交通向下發(fā)展的趨勢愈加明晰。另外，火車提速已成為軌道交通發(fā)展中重要任務(wù)之一，而火車高速度的運行對鐵路軌道的沖擊力越來越大，而穿越地層的地質(zhì)狀況較復(fù)雜，盾構(gòu)施工容易引起地面沉降和變形，當(dāng)?shù)乇沓两颠^大時可能危及周圍建筑物和地下管線等構(gòu)筑物的安全，如果對盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路的技術(shù)問題不加以重視，對人們的生命財產(chǎn)以及國家利益都會帶來嚴(yán)重?fù)p失。因此，盾構(gòu)穿越既有鐵路的施工技術(shù)是值得研究的重要課題。

盾構(gòu)隧道施工對既有鐵路產(chǎn)生的影響，實質(zhì)上是隧道施工引起的地層位移問題。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中地基變位的性狀，因地基條件、盾構(gòu)機(jī)型式、掘進(jìn)和壁后注漿的施工方法、施工管理以及其他施工條件而異，其機(jī)理非常復(fù)雜，能考慮所有這些影響因素的分析方法目前尚未建立，可以說現(xiàn)在所提出的各種分析方法，都是對應(yīng)于某一條件下施工實際的方法，盡管有的文獻(xiàn)給出了綜合分析，但是缺乏全面性。國內(nèi)外專家學(xué)者對沉降控制的研究和分析的研究成果較多[1-8]。本文基于相關(guān)文獻(xiàn)，對盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路施工技術(shù)給出綜合性分析，希望為同類工程建設(shè)提供參考價值。

2盾構(gòu)穿越鐵路風(fēng)險分析

對盾構(gòu)穿越鐵路的風(fēng)險分析是非常重要的一個步驟，可以根據(jù)以往經(jīng)驗，先對穿越鐵路的工況采用有限元模型進(jìn)行模擬分析，為制定穿越鐵路方案提供理論支持。有限元模型尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗來確定，然后進(jìn)行優(yōu)化以形成有限元網(wǎng)格。對于該網(wǎng)格可以進(jìn)行模擬土體開挖，還可以利用ADINA軟件中單元生死的技術(shù)來模擬隧道開挖過程。正如文獻(xiàn)[9]指出的是，單元死掉是剛度消失的過程，ADINA的單元死掉可以讓其剛度在一段時間內(nèi)變化，最終為零，這可以用于模擬施工過程的時間效應(yīng)，從而實現(xiàn)控制應(yīng)力釋放率的大小[9]。

3地基加固技術(shù)

盾構(gòu)施工引起地表沉降和結(jié)構(gòu)物變形是不可避免的。針對這一問題，現(xiàn)在工程技術(shù)人員在長期的施工實踐中找到了很多對策，以有效地控制沉降范圍和沉降量，保證各類建筑物的安全。除了在施工前合理選用盾構(gòu)類型和在施工中精心操作，使盾構(gòu)處于最佳狀態(tài)外，地基加固是保護(hù)地下管線和地面建筑物的一種最為有效的措施。由于地面沉降產(chǎn)生的主要原因是土體損失，因此，要控制地面沉降量及其影響范圍就要使土體損失降至最低。正確地選用各種地基加固方法，就能使地層蠕動趨勢減少，顆粒土被粘結(jié)，孔隙被填充，土體穩(wěn)定程度增強(qiáng)，從而達(dá)到減小地面沉降的目的[10-11]。地基加固常用方法選擇。目前常用的一些保護(hù)建筑物方法有基礎(chǔ)托換法、承壓板法、地層加固法、截止墻法等。針對施工中具體情況可以進(jìn)行選擇。基礎(chǔ)托換法適用于對于防止建筑物變形最為有效，但工程規(guī)模較大。承壓板法適用于規(guī)模較大、精度要求高的建筑物不宜采用；但對于中小型建筑物而言，由于其造價低、工期短，故較為常用。地層加固法簡單易行，關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)地基條件選用適宜的漿液和注入工法。施工時注入壓力不能過高，隨時監(jiān)測注入壓力和構(gòu)造物的變位狀況。截止墻法常用來防護(hù)允許變形量小的構(gòu)造物。由于隔墻本身也是臨近施工，在構(gòu)筑隔墻時，也要考慮施工對構(gòu)造物的影響

4掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化技術(shù)

最佳盾構(gòu)推進(jìn)是指盾構(gòu)推進(jìn)中對周圍地層及地面的影響最小，表現(xiàn)在地層的下降小、受到擾動小、超孔隙水壓小、地面隆沉小以及盾尾脫開后的實沉幅度小，這些理想指標(biāo)也是盾構(gòu)施工中控制地面沉降、保護(hù)環(huán)境的首要條件和治本辦法。盾構(gòu)掘進(jìn)主要由十個參數(shù)控制，即前倉壓力、千斤頂頂力及分布、推進(jìn)速度、盾構(gòu)坡度、糾偏方向與糾偏量、漿液配式、數(shù)量、壓力等。

4.1掘進(jìn)速度

掘進(jìn)速度參量的選取應(yīng)掌握使土體盡量的切削而不是擠壓。過量的擠壓，勢必產(chǎn)生前倉內(nèi)外壓差，增加對地層的擾動。當(dāng)在無結(jié)構(gòu)物下面正常推進(jìn)，速度可控制在20～30mm/min之間；盾構(gòu)糾偏時，應(yīng)取較小速度。同樣，不同的地質(zhì)條件，推進(jìn)速度亦應(yīng)不同。因土壓平衡是依賴排土來控制的，所以，前倉的入土量必須與排土量匹配。合理設(shè)定土壓力控制值的同時應(yīng)限制推進(jìn)速度。

4.2同步注漿

在盾構(gòu)工法中注漿施工是一個必不可少的重要施工環(huán)節(jié)，把握好該環(huán)節(jié)與其它施工環(huán)節(jié)的配合是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵之一，也是過軌施工控制地表沉降的關(guān)鍵點。盾構(gòu)機(jī)的注漿方式采用由地面上制漿設(shè)備把漿液壓送到盾構(gòu)機(jī)臺車上的漿液箱內(nèi)，再由裝在臺車上的注漿泵注入的。同步注漿設(shè)備基本上由材料貯藏設(shè)備、計量設(shè)備、拌漿機(jī)、貯液槽仁料斗、攪拌器、注漿泵、注入管、注入控制裝置、記錄裝置等構(gòu)成。單液型漿液由水泥、粉煤灰、膨潤土、減水劑加水以合理的配比，經(jīng)充分?jǐn)嚢璜@得。根據(jù)不同地質(zhì)情況、運輸距離的遠(yuǎn)近，應(yīng)采用不同凝結(jié)時間的漿液配合比。為了使?jié){液很好的充填于管片的外側(cè)間隙，必須以一定的壓力壓送漿液。注入壓力大小通常選擇為地層土壓力加上0.1～0.2MPa的和。注漿壓力，在理論上只需使?jié){液壓入口的壓力大于該處水土壓力之和，即能使建筑空隙得以充盈。但壓漿壓力不能太大，否則會使周圍土層產(chǎn)生劈裂，管片外的土層將會被漿液擾動而造成較大的后期沉降及影響盾構(gòu)隧道管片的穩(wěn)定性。掘進(jìn)階段，可按，其中，為土容重，h為隧道上覆土厚度。確定注漿壓力。壁后注漿的最佳注入時期，應(yīng)在盾構(gòu)推進(jìn)的同時進(jìn)行注入或者推進(jìn)后立即注入，注的宗旨是完全填充尾隙。土層的土質(zhì)條件是確定注入工法的先決條件。

4.3二次注漿

通過管片中部的注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，補(bǔ)充一次注漿未填充部分和體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機(jī)過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力。同時對盾構(gòu)推力導(dǎo)致的，在管片、注漿材料、圍巖之間產(chǎn)生的剝離狀態(tài)進(jìn)行填充并使其一體化，提高止水效果。注漿孔的位置選擇對注漿效果起重要作用，從便于施工和注漿效果兩方面綜合考慮。注漿順序為：兩側(cè)注漿一隧頂注漿一隧底注漿。注漿材料使用同步注漿材料。二次注漿壓力按比同步注漿壓力高出0.01～0.05MPa來控制。

5土體改良技術(shù)

螺旋輸送機(jī)能否順暢排土是土壓管理的基本前提。為此，需對切削下來的土體加泥、加水或加化學(xué)泡沫以控制土倉內(nèi)土砂的塑性、泌水性、流動性（即塑流性）處于適當(dāng)?shù)胤秶鷥?nèi)，保證螺旋輸送機(jī)順暢排土、避免土壓力值波動。可以考慮采用加泥盾構(gòu)工法。把高濃度的泥漿注入到掘削土砂中，不僅可以使泥土的流動性提高、抗?jié)B性提高，還有防止粘附和降低刀具、掘削輻條、螺旋輸送機(jī)等構(gòu)件的磨耗；同時還可降低刀盤和螺旋輸送機(jī)的扭矩。根據(jù)盾構(gòu)穿越結(jié)構(gòu)段工程地質(zhì)條件，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)性能，盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，當(dāng)切削土為粘土或粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土?xí)r，加泥漿可以改善粘土在刀盤和螺旋輸送機(jī)上的粘附性，通過刀盤切削攪拌和螺旋輸送機(jī)傳動，能具有很大的塑流性。泥漿是由膨潤土和水按一定比例混合而成，濃度控制在5～30%之間。需要浸泡24小時以后使用，以保證泥漿注入效果。

6監(jiān)控測量技術(shù)

監(jiān)測的目的主要是通過監(jiān)測及時了解和掌握盾構(gòu)施工過程中地表沉降情況及規(guī)律性；了解施工過程中因地表沉降而引起的結(jié)構(gòu)物下沉及傾斜情況，并根據(jù)前一步的觀測結(jié)果預(yù)測下一步地表沉降和周圍結(jié)構(gòu)物的影響，研究地層特性、施工參數(shù)和地表沉降的關(guān)系，以便及時調(diào)整施工參數(shù)，采取施工措施。因此，通過監(jiān)測手段掌握由盾構(gòu)施工引起的周圍地層的移動規(guī)律，及時采取必要的技術(shù)措施改進(jìn)施工工藝，對于控制周圍地層位移量，確保鄰近建筑物的安全是非常重要的。

根據(jù)過軌工程實際情況，結(jié)合類似相關(guān)監(jiān)測工程的經(jīng)驗，將軌道的沉降、差異沉降和車站結(jié)構(gòu)的沉降及道床裂縫的錯動、差異沉降作為本項目的重點，輔以其他監(jiān)測項目形成一個嚴(yán)密的監(jiān)測系統(tǒng)，達(dá)到安全監(jiān)測的目的。從監(jiān)測項目、測點布置安排、監(jiān)測頻率、報警值設(shè)定、信息處理以及信息反饋及應(yīng)對來考慮監(jiān)控的具體技術(shù)[9]。

7結(jié)論

綜上，本文對盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路施工技術(shù)進(jìn)行了綜合性分析，彌補(bǔ)了現(xiàn)有文獻(xiàn)全面性方面研究的不足。通過對盾構(gòu)穿越鐵路風(fēng)險分析、地基加固技術(shù)、掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)、土體改良技術(shù)以及監(jiān)控測量技術(shù)等主要內(nèi)容的探討，為盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路施工提供了技術(shù)上和理論上的支持，從而能夠進(jìn)一步促進(jìn)盾構(gòu)隧道穿越既有鐵路施工目標(biāo)的順利實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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