盾構(gòu)下穿既有鐵路安全技術(shù)措施及參數(shù)控制

李 棋，閆富華

(1.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司,北京 100044; 2.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610000)

0 引言

隨城市經(jīng)濟(jì)、人口日益發(fā)展,傳統(tǒng)交通出行方式已不能適應(yīng)城市的快節(jié)奏步調(diào),全國(guó)各大中心城市正蓬勃地進(jìn)行軌道交通建設(shè),尤其是地鐵建設(shè)。傳統(tǒng)小型盾構(gòu)穿越既有建(構(gòu))筑物、道路、鐵路及江海等較為常見,穿越經(jīng)驗(yàn)豐富,技術(shù)處理手段多樣,發(fā)展相對(duì)成熟,但對(duì)大直徑盾構(gòu)穿越既有鐵路的風(fēng)險(xiǎn)管控、技術(shù)處理,因投資規(guī)模不一、地域差異變化,可參考案例較少[1-4]。

本文依托某工程盾構(gòu)下穿既有鐵路路基,介紹穿越前的具體技術(shù)方案及穿越過程中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制,并實(shí)測(cè)穿越前后鐵路沉降變化,總結(jié)大直徑盾構(gòu)穿越既有鐵路沉降變化規(guī)律及關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 下穿段與鐵路路基關(guān)系

盾構(gòu)隧道在里程YDK89+998—YDK90+010,ZDK89+982—ZDK89+998處左右線正穿成昆鐵路路基段,鐵路線與區(qū)間隧道的平面夾角為71°,隧道頂與鐵路股道最小豎向凈距約17.14 m。該處軌道為雙股標(biāo)準(zhǔn)軌道,對(duì)應(yīng)成昆鐵路里程上行K37+359—K37+425,下行K37+380—K37+446(包含左右線各20 m保護(hù)區(qū)域)。鋼軌外側(cè)距約7.4 m,道砟道床寬約23 m,軌面與地面高差約1.5 m。隧道掘進(jìn)采用2臺(tái)鐵建重工生產(chǎn)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工,開挖直徑8 630 mm,整機(jī)長(zhǎng)度約110 m,最大扭矩29 820 kN·m,最大推力81 895 kN,總功率5 050 kW。隧道主要位于密實(shí)砂卵石和全風(fēng)化泥層中,具體盾構(gòu)下穿成昆鐵路位置關(guān)系如圖1,圖2所示。

1.2 地質(zhì)條件

穿越鐵路段地質(zhì)分布依次為①-2雜填土、⑥-2-3黏土(硬塑)、⑥-8-1卵石(稍密)、⑥-8-2卵石(中密)、⑥-8-3卵石(密實(shí))、⑦-1-2泥巖(強(qiáng)風(fēng)化),隧道頂與鐵路股道最小豎向凈距約17.14 m,隧頂雜填土約7.5 m,砂卵石地層約10 m,隧道線間距為7.9 m。盾構(gòu)機(jī)主要穿越地層為密實(shí)砂卵石及強(qiáng)風(fēng)化泥巖的復(fù)合地層,如圖3所示。

1.3 工程難點(diǎn)

1)成昆鐵路運(yùn)營(yíng)天窗期施工,每次施工僅120 min,無縫線路應(yīng)力放散、人工挖孔樁施工、D型梁架設(shè)、盾構(gòu)有效掘進(jìn)時(shí)間短,且不能連續(xù)施工,導(dǎo)致施工組織難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。2)盾構(gòu)穿越地層為“上軟下硬”的復(fù)合地層,盾構(gòu)姿態(tài)控制及地表沉降控制難度高。3)成昆貨運(yùn)鐵路行車組織復(fù)雜、重載持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)盾構(gòu)停機(jī)期間倉(cāng)壓控制要求高。

2 D型梁加固關(guān)鍵技術(shù)

本次D型便梁加固線路為成昆下行線K37+375—K37+425、成昆上行線K37+354—K37+404段,采用4組24 m D型便梁分別對(duì)成昆上下行線進(jìn)行線路加固。D型便梁支墩樁采用人工挖孔樁,樁截面為2.0 m×2.0 m(共9根樁),樁長(zhǎng)為27.44 m。D型便梁支墩開挖線距線路中心1.25 m。線路加固立面及平面示意圖如圖4,圖5所示。

2.1 主要施工流程及請(qǐng)點(diǎn)計(jì)劃

降水井施工→無縫線路應(yīng)力放散→人工挖孔樁施工→D型梁架設(shè)→盾構(gòu)穿越→D型梁拆除→無縫線路應(yīng)力放散→恢復(fù)鐵路設(shè)備(見表1)。

表1 主要施工流程

2.2 人工挖孔樁施工

本工程總計(jì)9根挖孔樁,樁截面為2.0 m×2.0 m,樁長(zhǎng)為27.44 m。D型便梁支墩開挖線距線路中心1.25 m。挖孔樁采用人工錯(cuò)層開挖,相鄰樁間錯(cuò)層不小于3.0 m。其中7號(hào)樁外邊緣離接觸網(wǎng)131號(hào)桿1.8 m,為保障接觸網(wǎng)安全,將131號(hào)向129號(hào)移動(dòng)4 m。同時(shí)在供電段配合下加強(qiáng)對(duì)該桿的監(jiān)控檢查,做好沉降觀測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)工作,發(fā)現(xiàn)異常立即停止施工。采取可靠措施后,方可繼續(xù)開挖。在前4 m的開挖過程中,嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺,每0.5 m及時(shí)進(jìn)行支護(hù),超過軌面下4 m范圍后,按照1 m的進(jìn)尺進(jìn)行支護(hù)。

2.3 D型梁架設(shè)

采用D型便梁架空線路施工期間,列車慢行45 km/h。本次采用4組24 m D型便梁對(duì)成昆上下行線進(jìn)行加固,每條線各2組。先完成D型便梁支墩施工,清雜后復(fù)核標(biāo)高,再采用“先橫梁就位”的架設(shè)方法,在鋼軌上準(zhǔn)確標(biāo)記橫梁中心位置。逐根抽換線路軌枕,插入橫梁,連接鋼軌扣件,用定位角鋼控制橫梁位置,防止列車多次碾壓后位置變化。

2.4 拆除D型便梁、恢復(fù)線路設(shè)施

拆除條件如下:1)待地鐵19號(hào)線隧道施工完全穿越成昆條鐵路并越過其影響范圍,地鐵施工不再影響鐵路線路。2)隧道襯砌強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。3)鐵路線路及地表沉降觀測(cè)值在允許范圍內(nèi),并經(jīng)設(shè)備管理單位檢查確認(rèn),方可拆除D型便梁,恢復(fù)線路將木枕更換成混凝土枕,恢復(fù)線路。

2.5 注意事項(xiàng)

1)本隧道在既有鐵路通車條件下施工,施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)線路觀測(cè),及時(shí)整修到位,確保行車安全及施工安全。

2)在挖孔樁開挖時(shí)必須做好挖孔樁處的防護(hù),在列車通過時(shí),確保所有機(jī)具不侵入限界。施工期間列車限速60 km/h。挖孔樁未施工時(shí)間段必須蓋好孔口,防止人員跌落孔中。

3)軌道與扣軌件間均應(yīng)加絕緣墊層,防止連電。

4)在整個(gè)施工過程,應(yīng)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行線路沉降觀測(cè),其累計(jì)沉降量應(yīng)控制在10 mm以內(nèi)。

5)在整個(gè)施工過程中,施工單位必須按照鐵路既有線施工的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工。

6)由于成昆線運(yùn)行列車較多,按照鐵路部門的要求,D型便梁架設(shè)前后加強(qiáng)線路整修,同時(shí)在施工過程中對(duì)施工影響區(qū)段的線路每月進(jìn)行一次鋼軌探傷,確保鐵路安全運(yùn)營(yíng)。

7)施工期間,加強(qiáng)線路防護(hù)柵欄的守護(hù),無關(guān)人員不得上道,各種防護(hù)及警示標(biāo)志應(yīng)醒目齊全,夜間要有完善的照明措施;在整個(gè)施工過程中,施工單位必須按照鐵路既有線施工的相關(guān)規(guī)范,設(shè)置線路監(jiān)測(cè)及防護(hù)人員,線路監(jiān)測(cè)人員按3人/d、線路防護(hù)按4人/每班～6人/每班(一天三班)進(jìn)行設(shè)置。

3 盾構(gòu)穿越過程參數(shù)控制

3.1 試驗(yàn)段

盾構(gòu)下穿成昆鐵路之前,根據(jù)區(qū)間線路情況,針對(duì)該段地質(zhì)條件及埋深,綜合考慮采取YDK90+110—YDK90+90.010,ZDK89+998—ZDK90.098,總長(zhǎng)為100 m,作為穿越鐵路段參數(shù)控制試驗(yàn)段(盾構(gòu)穿越同為密卵石層和全風(fēng)化泥巖,埋深基本一致)。

在試驗(yàn)段,主要采集的參數(shù)包括:土壓力、總推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等(見表2)。模擬段掘進(jìn)完成后,及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析上述參數(shù)數(shù)據(jù),為下穿段的掘進(jìn)提供依據(jù)。同時(shí),收集地面與鐵路沉降情況,作為穿越鐵路段的參考依據(jù)。

表2 主要參數(shù)

3.2 渣土改良

目前所用的土壓平衡式盾構(gòu),其特點(diǎn)是用開挖出的土砂作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì),因此要求作為支撐介質(zhì)的土砂具有良好的塑性變形、軟稠度、內(nèi)摩擦角小及滲透率小。由于一般土壤不能完全滿足這些特性,所以要進(jìn)行改良,其技術(shù)要點(diǎn)是在刀盤前部和泥土倉(cāng)中注入水、膨潤(rùn)土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等材料,經(jīng)攪拌,改善開挖的土砂塑性、流動(dòng)性,降低渣土的透水性。

結(jié)合該工程地質(zhì)情況,根據(jù)地質(zhì)、水文情況的變化渣土改良選用優(yōu)良泡沫劑或膨潤(rùn)土泥漿作為渣土改良材料。

1)土倉(cāng)壓力:本工程采用的盾構(gòu)機(jī)均為土壓平衡盾構(gòu)機(jī),以土倉(cāng)內(nèi)的泥土壓力來平衡刀盤前端水土壓力,從而保證掌子面穩(wěn)定,而盾構(gòu)掘進(jìn)的前期沉降和土倉(cāng)平衡壓力的設(shè)定有直接關(guān)系,若土倉(cāng)壓力小于掌子面水土壓力,那刀盤前端土體就會(huì)產(chǎn)生沉降,因此平衡土壓力也是盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地面沉降的重要控制因素,通過嚴(yán)格控制掘進(jìn)過程中土壓力,避免波動(dòng)過大引起開挖面的不穩(wěn)定,參考以往成功穿越類似鐵路的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況擬定土倉(cāng)壓力控制在1.3 bar～1.6 bar范圍內(nèi)。2)推進(jìn)速度:推進(jìn)速度的穩(wěn)定對(duì)地面沉降的影響非常大。速度的變化主要加大了對(duì)土體的擾動(dòng),因此將速度嚴(yán)格控制在40 mm/min～55 mm/min之間。

3.3 盾尾防漏

盾構(gòu)機(jī)在盾尾內(nèi)有四道盾尾密封刷,密封刷之間用盾尾密封油脂填充,起到防止泥水進(jìn)入隧道的作用。若盾尾密封裝置密封效果不良將引起同步注漿漿液損失,甚至泥水進(jìn)入隧道,造成地層損失,引起更大的地面沉降甚至坍塌。因此加強(qiáng)盾尾密封裝置的維修保養(yǎng),確保密封效果,對(duì)控制地面沉降意義重大。在盾構(gòu)穿越危險(xiǎn)源前對(duì)盾尾密封裝置進(jìn)行檢修,穿越期間加大盾尾油脂的注入力度,確保盾尾密封效果。

洞內(nèi)同步注漿:同步注漿直接影響地面沉降控制效果,是地面沉降控制的根本。盾構(gòu)在下穿成昆鐵路時(shí)壁后注漿填充系數(shù)控制在1.5以上,每環(huán)注漿量控制在不少于12 m3,注漿壓力控制在2 bar～4 bar。

3.4 二次注漿

二次注漿是控制地面后期沉降的主要技術(shù)措施,二次注漿通過二次注漿泵將水泥漿和水玻璃通過管片吊裝孔注入管片與周圍土體之間,二次注漿采用壓力控制,壓力控制在2 bar～4 bar之間。二次注漿泵安裝在移動(dòng)平臺(tái)上,可對(duì)脫出盾尾4環(huán)后的管片進(jìn)行二次注漿。

3.5 中盾注泥

通過注泥口向盾體與隧道開挖面之間的盾外空隙注入塑性泥漿。根據(jù)刀盤直徑8.63 m,盾尾直徑8.57 m,長(zhǎng)度為10.9 m進(jìn)行計(jì)算,推進(jìn)一環(huán)1.8 m理論空隙為1.5 m3,考慮1.2倍填充系數(shù),最終注入泥漿量約為1.8 m3/環(huán)。盾殼外部空腔注入濃泥漿,隔離開挖倉(cāng)與注漿腔,阻止同步注漿流入土艙內(nèi),預(yù)防漿液前竄、防止同步漿液流失等,最終密實(shí)填充刀盤開挖后形成的空腔,有效防止盾構(gòu)掘進(jìn)滯后沉降。

3.6 鐵路沉降防控措施

1)盾構(gòu)下穿成昆鐵路前,在成昆鐵路下方實(shí)施D型梁,使地鐵隧道與鐵路之間形成剛性隔離。

2)盾構(gòu)下穿成昆鐵路前,完成試驗(yàn)段掘進(jìn),選取好各項(xiàng)參數(shù)及調(diào)整好掘進(jìn)狀態(tài),確保安全、順利通過鐵路范圍。

3)盾構(gòu)下穿成昆鐵路前,對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修,確保下穿期間不因設(shè)備問題停機(jī)。

4)盾構(gòu)穿越過程中,嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力,同時(shí)嚴(yán)格控制與土艙壓力有關(guān)的施工參數(shù);做好渣土改良工作,嚴(yán)格控制出土量,嚴(yán)禁超挖;加大同步注漿量,確保管片背后填充密實(shí)。

5)采用配筋加強(qiáng)型配筋管片,并增設(shè)注漿孔,根據(jù)掘進(jìn)情況適時(shí)注漿補(bǔ)充地層損失。

6)加強(qiáng)施工期間地面監(jiān)測(cè),并及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以指導(dǎo)施工。

7)施工期間,協(xié)調(diào)各方安排專人對(duì)下穿鐵路范圍進(jìn)行24 h巡視、檢修,根據(jù)監(jiān)測(cè)情況及時(shí)進(jìn)行處理,確保運(yùn)營(yíng)安全。

8)做好應(yīng)急救援預(yù)案,一旦發(fā)生險(xiǎn)情能及時(shí)快速進(jìn)行處理,控制事態(tài)發(fā)展,確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

4 監(jiān)測(cè)方案及沉降分析

鐵路路基豎向位移監(jiān)測(cè)是為下穿施工對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)物的影響程度,為鐵路運(yùn)營(yíng)安全提供參考依據(jù)。區(qū)間盾構(gòu)下穿鐵路路基施工前后,采用徠卡DNA03靜力水準(zhǔn)儀對(duì)既有線鐵路路基沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),同時(shí)埋設(shè)L型棱鏡進(jìn)行路基水平位移監(jiān)測(cè)(因?qū)嶋H穿越過程中無變化,故不介紹)。豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖6。依據(jù)相關(guān)規(guī)范及鐵路主管部門要求,對(duì)本工程采用的監(jiān)測(cè)豎向位移累計(jì)控制值為10 mm,預(yù)警值為6 mm,變化速率為3 mm/d。

左線盾構(gòu)于2021年9月21日20:00開始穿越鐵路路基,9月22日21:10穿越完成,穿越范圍(919環(huán)—926環(huán));右線盾構(gòu)于10月8日15:30開始穿越鐵路路基,10月9日9:05穿越完成,穿越范圍(913環(huán)—919環(huán))。共布置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,第一個(gè)斷面為:LJZ1—LJZ6(左線)、LJY1—LJY5(右線);第二個(gè)斷面為L(zhǎng)JZ13—LJZ18(左線)、LJY6—LJY10(右線);第三個(gè)斷面為:LJZ7—LJZ12(左線)、LJY11—LJY15(右線);具體分析如下。

4.1 第一斷面沉降變化

沉降變化見圖7,圖8。

由圖7,圖8得知,斷面一上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要趨勢(shì)受兩次盾構(gòu)穿越影響時(shí)沉降較大,且第二次右線范圍測(cè)點(diǎn)穿越時(shí)沉降更大,平均較第一次深0.5 mm左右,后數(shù)據(jù)收斂,整個(gè)過程沉降控制在3 mm內(nèi),未發(fā)生預(yù)警。左右線最大沉降發(fā)生在第二次穿越的LJZ2,LJY4兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處,分別為10月18日的-2.4 mm、10月15日的-2.3 mm。各測(cè)點(diǎn)變化趨勢(shì)基本一致,但兩次穿越時(shí)各測(cè)點(diǎn)沉降值均不是最大值,考慮盾構(gòu)穿越前、中、后三個(gè)時(shí)期累計(jì)影響,最大沉降發(fā)生時(shí)間均處于穿越后期,即應(yīng)力重分布后再次固結(jié)引起的滯后沉降為主要原因;LJZ2,LJY5測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)0.8 mm,0.9 mm隆起,主要是洞內(nèi)補(bǔ)充注漿量較大所致。左右線中線范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)沉降值小于兩側(cè)測(cè)點(diǎn),數(shù)據(jù)變幅不大,主要是樁基施工及洞內(nèi)注漿導(dǎo)致土體綜合壓縮模量提高,出現(xiàn)與常規(guī)盾構(gòu)穿越引起的“沉降槽”現(xiàn)象不一致[5-6]。

4.2 第二斷面沉降變化

沉降變化見圖9,圖10。

第二斷面各測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律與第一斷面基本吻合,左線最大沉降-2.7 mm發(fā)生在LJZ13,10月3日,右線最大沉降-2.35 mm發(fā)生在LY9,10月16日,最大沉降平均發(fā)生時(shí)間較第一斷面提前,主要考慮第二斷面地層受降水、樁基施工、火車動(dòng)載、盾構(gòu)穿越前后地下水變化及有效應(yīng)力變化等耦合影響,較第一斷面更不利些,故最大沉降響應(yīng)提前。同時(shí),第二斷面左線各測(cè)點(diǎn)均為隆起,考慮相同注漿措施過程,則第二斷面注漿產(chǎn)生的正效應(yīng)較第一次弱。

4.3 第三斷面沉降變化

沉降變化見圖11,圖12。

第三斷面為左右線最晚通過的斷面,左右線最大沉降值分別為L(zhǎng)JZ9的-2.1 mm,LJY15的2.8 mm,分別發(fā)生于10月19日、10月11日,左線發(fā)生最大沉降值較第一、二斷面小,左右線發(fā)生較大沉降的平均時(shí)間提前,平均值較前兩個(gè)斷面小,主要是原狀地層穿越前無其他擾動(dòng),主要因盾構(gòu)取土及洞內(nèi)注漿綜合作用產(chǎn)生沉降,且三個(gè)斷面均是兩側(cè)沉降大,洞間沉降小,可能原因是密實(shí)砂卵石地層拱效應(yīng)好或是洞內(nèi)注漿及時(shí)、到位。

4.4 線路中線范圍沉降變化

中線范圍沉降變化見圖13—圖15。

LJZ4,LJZ16,LJZ10為盾構(gòu)左線中線上測(cè)點(diǎn),數(shù)據(jù)沉降大的為L(zhǎng)JZ16,LJY3,LJY8,LJY13為盾構(gòu)右線中線上的測(cè)點(diǎn),數(shù)據(jù)沉降大的為L(zhǎng)JY8,進(jìn)一步證明第二斷面沉降受耦合作用,使得沉降的“正效應(yīng)”增強(qiáng)。LJZ6,LJZ18,LJZ12的沉降曲線多次接近-2.0 mm,LJY1,LJY6,LJY11則相對(duì)小些,表明盾構(gòu)先左線穿越后右線穿越對(duì)隧道間更靠近左線的測(cè)點(diǎn)影響更劇烈,一方面原因是右線施工更成熟,另一方面原因是初次擾動(dòng)對(duì)地層影響更大。

5 結(jié)論

基于本工程穿越方案及實(shí)踐效果,密實(shí)砂卵石、強(qiáng)風(fēng)化泥巖復(fù)合地層中盾構(gòu)穿越鐵路路基的加固成效良好,后續(xù)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定,主要結(jié)論有:

1)盾構(gòu)主要參數(shù)控制:刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min～1.8 r/min,土倉(cāng)壓力控制在1.5 bar～1.7 bar,掘進(jìn)速度控制在40 mm/min～55 mm/min,每環(huán)對(duì)出土量進(jìn)行重量、體積雙控,動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)控制沉降。2)全過程監(jiān)測(cè)過程中,沉降均能控制在3 mm范圍,遠(yuǎn)小于控制值10 mm,論證了D型梁加固及本文盾構(gòu)參數(shù)控制合理。3)三個(gè)斷面均是兩側(cè)沉降大,洞間沉降小,最大沉降為2.8 mm。4)在耦合作用影響下,第二監(jiān)測(cè)斷面數(shù)據(jù)變化最為劇烈,隧道中線初次擾動(dòng)范圍測(cè)點(diǎn)沉降更大,對(duì)洞內(nèi)注漿措施要求應(yīng)更及時(shí)、嚴(yán)格。5)左線隧道穿越平均速度3.6 h一環(huán),右線隧道約3.1 h一環(huán),左線較右線低密實(shí)砂卵石與泥巖復(fù)合地層較快速穿越對(duì)沉降控制有良好“正效應(yīng)”,為類似工程提供一定參考。