砂卵石地層中盾構(gòu)連續(xù)近距下穿鐵路風(fēng)險控制研究

馬旭東

摘要：在現(xiàn)階段的城市中，地鐵工程建設(shè)越來越多，其穿越的各種建筑工程也越來越多。而在穿越的過程中，經(jīng)常會遇到砂卵石地層，其作為一種典型的力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定地層，因其結(jié)構(gòu)松散、孔隙大、黏聚力小，盾構(gòu)施工風(fēng)險高。而盾構(gòu)在全斷面砂卵石地層中掘進(jìn)時，因?qū)ν馏w擾動大，更易造成地表沉降，加大了施工難度。結(jié)合成都地鐵5號線5標(biāo)某區(qū)間盾構(gòu)不僅要穿越全斷面砂卵石地層又要近距連續(xù)下穿鐵路實例，從設(shè)備適應(yīng)性改造、試驗段掘進(jìn)分析、加固措施、參數(shù)控制、現(xiàn)場實測等方面論述了砂卵石地層盾構(gòu)順利掘進(jìn)并且有效控制地面沉降的風(fēng)險控制技術(shù)。

關(guān)鍵詞：地鐵;砂卵石地層;盾構(gòu);近距離;下穿鐵路;風(fēng)險控制

隨著城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵穿越各式城市建構(gòu)筑物的情況屢見不鮮，作為城市之間交通鐵路線路四通八達(dá)，然而如何解決地鐵線路正下穿鐵路運(yùn)營線路是困擾著地鐵施工的一大難題。在絕大多數(shù)的情況下，采取在線路規(guī)劃許可階段調(diào)整線路走向避讓鐵路。

1工程概況

成都地鐵5號線5標(biāo)古柏站-泉水路站盾構(gòu)區(qū)間采用2臺外徑為6.28m的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，底板埋深15.6～24.4m，最大坡度為27.67‰，最小曲線半徑為350m。區(qū)間隧道連續(xù)下穿西環(huán)鐵路聯(lián)絡(luò)線及側(cè)穿西金廠特大橋（單、雙線橋），隨后繼續(xù)沿規(guī)劃商貿(mào)大道下穿四川建設(shè)機(jī)械廠、村莊及農(nóng)田，穿過川建路（古柏路）最后在匯豐路處進(jìn)入泉水路站。

2工程難點及風(fēng)險分析

1）施工擾動將不可避免地引起周圍地層的變形和既有盾構(gòu)隧道的附加變形。然而盾構(gòu)隧道剛度小、抗變形能力小，屬于柔性結(jié)構(gòu)。因此，減小對地層的擾動是將既有盾構(gòu)隧道的變形控制在安全的范圍之內(nèi)的關(guān)鍵。2）既有鐵路處于運(yùn)營階段，無法在既有鐵路橋下采取有效的大范圍加固措施，因此只能在新建隧道施工過程中采取有限的沉降控制措施。3）穿越位置處于富水砂卵石地層中，地層密實，若注漿壓力過小，則漿液注入困難，注漿壓力過大，則容易引起既有結(jié)構(gòu)的不均勻隆起，甚至發(fā)生既有鐵路路基形變，后果不堪設(shè)想。因此，考慮地層特點，合理選擇注漿參數(shù)、確保注漿效果將直接關(guān)系到既有結(jié)構(gòu)微變形控制目標(biāo)的實現(xiàn)。

3穿越鐵路技術(shù)

3.1設(shè)備管理

在盾構(gòu)距離鐵路專線約100m時停機(jī)，對設(shè)備進(jìn)行維修保養(yǎng)，確保施工時順利通過鐵路地段。維修保養(yǎng)的項目主要有：檢查主驅(qū)動系統(tǒng)、鉸接系統(tǒng)、盾尾密封情況、推進(jìn)系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、拼裝機(jī)、螺旋機(jī)、注漿機(jī)、膨潤土管路等。檢查全部控制線路確保無故障電氣元件，通過檢查更換有隱患的部件，確保設(shè)備的可靠運(yùn)行。除此之外還要做好砂漿拌合站、電瓶車、龍門吊等全部配套設(shè)備的維修保養(yǎng)工作。

3.2地面加固

1）盾構(gòu)穿越施工前，為防止盾構(gòu)穿越施工引起地面沉降，針對盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的地層進(jìn)行地面打孔注漿加固。 2）地層為密實砂卵石地層，地層內(nèi)空隙小，采用的注漿材料為純水泥漿液，保障漿液能在地層中均勻擴(kuò)散。3）注漿時按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比。正常注漿壓力為0.5-2MPa。注漿壓力控制在2.0MPa以內(nèi)，并由下而上逐漸減小，視具體情況分別采用或作適當(dāng)調(diào)整。平面注漿次序，每次都跳開一個孔進(jìn)行注漿，以防止發(fā)生竄漿現(xiàn)象。間歇注漿：全孔段注漿完成后，間歇一段時間再進(jìn)行第二次注漿，間歇時間控制在10～30min之內(nèi)。終灌標(biāo)準(zhǔn)：（1）每孔至少進(jìn)行兩輪注漿;（2）注漿孔內(nèi)平均每延米累計注漿量不小于0.8m3;（3）當(dāng)注漿壓力大于2MPa，吸漿量小于2.5L/min，穩(wěn)定時間大于10min時停止注漿。

3.3優(yōu)化膨潤土注入?yún)?shù)

經(jīng)過多種嘗試，舍棄鈣基膨潤土改用鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤土，并調(diào)整膨潤土的發(fā)酵時間及豁稠度，一般在每環(huán)掘進(jìn)過程中，向土倉內(nèi)注入2-3方發(fā)酵至少24h以上、豁稠度為50的膨潤土。現(xiàn)場膨潤土配制及豁稠度調(diào)整進(jìn)行全過程監(jiān)控。膨潤土的注入有效解決了卵石沉底無法排出造成 ‘刀盤抱死的現(xiàn)象。

3.4試驗段掘進(jìn)分析

在試驗段施工時，以控制地表沉降為目的進(jìn)行試驗掘進(jìn)，對盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、注漿量、膨潤土泥漿和泡沫注入配合比等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，得出1套對地表位移和變形影響最小的施工參數(shù)，掌握相同地質(zhì)水文工況條件下盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地表沉降規(guī)律。選擇左線盾構(gòu)機(jī)距穿越鐵路100m作為試驗段范圍，試驗段與盾構(gòu)下穿鐵路段地質(zhì)相同，根據(jù)對不同斷面的沉降監(jiān)測及參數(shù)調(diào)整，確定盾構(gòu)穿越鐵路主要施工參數(shù)：土壓力穩(wěn)定在1.0～1.5bar（1bar=0.1MPa），推力控制在10500～12000kN，推進(jìn)速度控制在45～55mm/min，同步注漿量每環(huán)為6～8m3（理論注漿量為5.6m3），每環(huán)的排土方量控制55-57方，重量通過龍門吊稱重器進(jìn)行測量為90-100t/環(huán)。

3.5大管棚注漿工藝

對鐵路橋樁基區(qū)域固采用大管棚注漿工藝，大管棚管壁與地層之間存在一定空隙，由于砂卵石地層粒徑大小不一，地層均一性較差，造成管壁與地層間空隙分布情況不一樣。因此，大管棚注漿需采用流動性好，且具有微膨脹性的水泥（砂）漿，同時管壁預(yù)留孔洞尺寸及其位置，應(yīng)與所注漿液特性、地層空隙情況相匹配。由于管棚長度大，注漿范圍長，同時為防止過大的注漿壓力引起地層劈裂破壞與地層隆起變形，因此注漿壓力需要嚴(yán)格控制。

3.6現(xiàn)場監(jiān)控量測

該工程進(jìn)行地表沉降、地下水位、新建隧道初支凈空收斂、初支拱頂沉降等常規(guī)監(jiān)測，同時著重監(jiān)測既有盾構(gòu)隧道的變形。在施工期間，通過監(jiān)測及時準(zhǔn)確地掌握了施工過程中既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的狀況，對可能發(fā)生的情況提供了及時、有效的預(yù)報，減少了工程風(fēng)險。既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測內(nèi)容主要包括：隧道管片結(jié)構(gòu)的豎向沉降與上浮、隧道管片結(jié)構(gòu)的水平位移、軌道結(jié)構(gòu)的豎向沉降與上浮、軌道結(jié)構(gòu)的水平位移、盾構(gòu)管片縱向錯臺、盾構(gòu)管片張開量、盾構(gòu)凈空收斂。

4結(jié)語

綜上所述，盾構(gòu)在砂卵石地層連續(xù)下穿特級風(fēng)險源時對設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造實踐證明尤為重要，改造后的刀盤可有效防止刀盤磨損，確保盾構(gòu)下穿過程的一次性順利通過;對注漿系統(tǒng)改造可有效控制地面沉降;開挖系統(tǒng)改造后可避免刀盤由于功率不足導(dǎo)致的頻繁啟停而加大地層擾動問題。在此地層盾構(gòu)下穿特大風(fēng)險源時，要及時進(jìn)行地面加固以及洞內(nèi)加固，必要時可采取克泥效速凝劑加固措施，做好渣土改良措施，盾構(gòu)掘進(jìn)后及時采取有效的二次注漿加固措施，可有效防止地表沉降過大。

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（作者單位：中鐵十五局城市軌道交通工程有限公司）