盾构机穿越陇海铁路的保护技术

2010-06-13闫逵

山西建筑 2010年13期

闫逵

1 工程概况

西安市地铁二号线TJSG-10标段盾构区间位于西安市未央路和北大街中轴线上,包括三个区间,线路跨度总长3720.68双延米。其中安远门—北大街区间盾构左、右线下穿5股陇海铁路股道,电气化铁路区段,穿越长度约23m,其中有两股道为正线采用60kg/m钢轨,无缝线路;其余三股道为站线和牵出线,采用50kg/m钢轨,正线及站线、牵出线均采用预应力混凝土枕碎石道床。

本标段采用两台小松TM614PMX土压平衡盾构机进行区间隧道施工,区间采用钢筋混凝土管片,外径6m,厚0.3m,拼装采用错缝拼装。

为确保盾构机安全、顺利的穿越铁路,保证铁路干线的正常运行和人民生命、财产的安全,我们在施工过程中采取了一系列的技术安全措施来控制盾构机通过时造成的地表沉降和轨道变形。

2 地质条件

穿越区域覆盖土层厚度为16.5m。盾构穿过的土层为古土壤、老黄土和粉质黏土层,黄土湿陷等级为Ⅰ级(轻微),地下水埋深为6 m～17.9m。

3 盾构机通过陇海铁路沉降控制标准

3.1 沉降控制标准

沉降控制标准见表1。

表1 沉降控制标准 mm

3.2 地表沉降主要原因分析

1)盾构机到达前地表沉降,是由于盾构机掘进引起土体应力状态改变造成,一般表现为地表隆起。

2)盾构机到达时的地表沉降,是由于开挖面上的平衡土压力引起。

3)盾构机通过时的地表沉降,是由于盾构与土层之间的摩擦剪切力,以及盾构抬头或叩头引起。

4)盾构机通过后脱出盾尾时的地表沉降,是由于“建筑空隙”和应力释放引起的。

5)盾构通过后长期固结沉降,是由于土体受盾构掘进扰动,土体再固结引起的。

4 小松TM614PMX土压平衡盾构机的安全性和可靠性

1)刀盘采用面板式刀盘,开口率43%。由于开口率大,开挖面与刀盘之间的阻碍物少,土体容易进入土仓,土仓中的土体密度及压力更接近开挖面的土体密度与压力,因此,便于土压力的控制。

2)盾体是用钢板焊接而成的圆形筒体,内部焊有加强板,密封装置良好,具有足够的耐土压、水压的强度和刚度,抵挡周围土体压力。

3)盾构机采用8台55 kW变频电动机驱动,具有较大的扭矩和多挡转速,可适应不同地层的掘进需要。

4)盾构机配备良好的泡沫和膨润土注入系统,刀盘中心、周边和土仓、螺旋机等处均设有注入点,并可根据情况调整各点的注入量,能有效地改良碴土,防止掘进过程中“泥饼”的形成。

5)结构管片在盾构机每循环推进后即行安装,推进过程中,同步注浆又及时填充了结构管片与地层间的建筑空隙,不会造成开挖面与周围土体的失稳,引起地面沉降就能被减至最少。由于充填及时,对刚拼好的几环管片的支撑和承托作用加强,减小了管片移动的可能性,从而减少管片在推力作用下开裂和错台的可能。

6)盾构机具备高精度的导向测量系统。配备由美国Trimble公司生产的5603光波自动全站仪,导向精度高,能实时反映盾构机的当前位置和理论位置,并提供调整指示。

5 盾构施工参数的优化匹配

1)严格控制土仓压力,保证掘进面稳定。在盾构穿越过程中必须严格控制土仓压力,同时也必须严格控制与土仓压力有关的施工参数,施工中应实时调整推进速度和出土量使土仓压力波动控制在最小的幅度范围内,以减少地面的变形和沉降。鉴于过铁路前后地层分布较为连续,我们把盾构穿越铁路前50m设为施工模拟段,设置了两组分层沉降观测点,参照施工模拟段的数据,调整和优化掘进参数。在盾构到达铁路前20m处,降低推进速度,严格控制盾构方向。在实际施工过程中,土仓压力一般控制在0.1 MPa～0.15 M Pa左右;掘进速度控制在30mm/min～50mm/min。2)严格控制注浆量和注浆压力。a.同步注浆。同步注浆压力设定为0.15 MPa～0.25 MPa,再根据地质情况、注浆速度、掘进速度、地面沉降情况等进行调整。同步注浆量控制在理论空隙量的150%～200%,注浆速度控制为0.0375 m3/min～0.0625 m3/min。b.二次注浆。在正常同步注浆施工后,进行了二次注浆,进一步填充管片与地层间的建筑空隙。二次注浆从盾尾后5环开始进行壁后注浆,二次注浆压力与同步注浆压力相同。3)严格控制盾构的姿态。盾构机在掘进过程中,由于地层土质变化、千斤顶推力不均、回填注浆不均、盾尾间隙不均以及已拼管片轴线不准等因素影响,不可能完全按设计方向推进,会产生姿态偏差。盾构姿态出现偏差时,要及时根据开挖面地层情况调整掘进参数和掘进方向,避免引起更大的偏差。同时纠偏要严格按照“勤纠偏,小纠偏”的原则,严禁大幅度纠偏,以降低土层的损失和对周围土体的扰动。4)推力控制。穿越过程中,盾构机掘进时总推力控制在8000kN以下,确保不对土体造成过大的扰动。5)保证拼装质量,减少管片变形/变位。隧道管片的变形量与管片拼装的质量紧密联系,在施工过程中,必须强化施工管理,保证盾构机的姿态控制和管片的定位准确,加强螺栓的一次拧紧和多次复紧工作。

6 实时监测,信息化管理

监测内容包括洞内拱顶沉降、洞周收敛;地面沉降、轨面沉降、轨距、高低量测。轨面监测是在正线及站线、牵出线左右股钢轨分别设置测点,测点布设于靠近钢轨的短轨枕或道床面上。测点沿线路方向设置,设置间距为5 m～10m。

我们采用了多种通讯工具,及时将监测数据快速的传递给指挥中心,指挥中心通过科学的分析判断将盾构掘进参数的调整信息传递给盾构推进的工作面,指导盾构的掘进。

在实时监测的情况下可以根据地表隆起状况及时调整推进速度及增大出土量,降低正面土仓压力,达到降低地表隆起的目的。通过调整推进速度及减少出土量,提高正面土仓压力方式来控制盾构机前方地表沉降。

7 既有线的加固措施

1)在盾构隧道与陇海铁路交叉范围的盾构右线右侧30m及盾构左线左侧30m范围内采用扣轨的方法对铁路线路进行了加固,线路加固的单线总长为750m,同时将盾构区域内的线路预抬高并对线路进行顺坡处理。

线路加固方法为:先将混凝土轨枕内道碴隔三扒一,每隔3根混凝土枕加1根木枕并捣固道床。然后采用3—7—3方式扣轨进行线路加固(见图1),即3根轨束分别铺设在两根轨的外侧,7根轨束铺设在两根轨中间。每隔50cm用φ 22 U形螺栓与∠63×63×6的角钢将轨束夹紧。轨束和枕木用U形螺栓和扁铁制成的扣板连成一体。